第1章 半导体及绪言

模拟电子技术模拟电子技术基础主讲：林华自动化学院电子教学中心联系方式mail:

sdlinhua@前言1.模拟电子技术课程的性质

是一门电类专业基础课，电子电路中的“砖”和“瓦”就是基本的单元电路,同时也为后续课程打基础。2.特点理论性强，强调基本概念、基本原理和基本分析方法；实践性强,通过实验课提高电子技术方面的动手能力；

以工程的观点来处理电路中的一些问题,抓主要矛盾，忽略次要矛盾，用实际观点分析问题，允许有一定的误差（±10％工程误差）

理论、实践并重5.学习方法重点掌握基本概念、基本电路、基本分析方法。以听课为线索，建立工程的观点和实践的观点，特别注意电路原理在电子电路分析中的应用。3.研究内容

以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。4.教学目标掌握基本概念、基本电路、基本分析方法、基本实验技能；具有能够继续深入学习和接收新器件的能力，将所学知识用于本专业的能力。《模拟电子技术基础》（第三版）童诗白、华成英主编高等教育出版社《电子技术基础》模拟部分（第四版）康华光主编高等教育出版社《模拟电子技术基础简明教程》（第二版）杨素行主编高等教育出版社《模拟电子技术基础•问答•例题•试题》

陈大钦主编华中理工大学出版社6.主要参考书目绪论一.电子技术的发展47年贝尔实验室制成第一只晶体管58年集成电路69年大规模集成电路75年超大规模集成电路第一片集成电路只有4个晶体管，而97年一片集成电路上有40亿个晶体管。科学家预测集成度按10倍/6年的速度还将继续到2015或2020年，将达到饱和。二.电子电路模拟电路：研究模拟信号的电路数字电路：研究数字信号的电路模拟信号：在时间和幅值上均是连续的信号大多数物理量，如温度、压力、流量均为模拟量典型代表：正弦波数字信号：在时间和幅值上是不连续的、突变的信号典型代表：方波，脉冲波2.电子电路分立元件电路集成电路3.电子电路的应用：电子系统与其他系统相结合，应用在生产、生活、科研等领域。1.电子器件例如VCD，即是一个电子系统与其他系统相结合的应用实例。VCD激光传感技术精密机械技术电控系统（电子系统）三.模电研究的核心：放大电路四.对前面课程的要求

1.信号的表达方式（参见常用符号表）小写字母、大写下标表示总量（含交、直流）。如vCE、iB等。大写字母、大写下标表示直流量。如VCE、IC等。小写字母、小写下标表示纯交流量。如vce、ib等。上方有圆点的大写字母、小写下标表示相量。如、等。2.电阻的串并联，电压分压，电流分流3.戴维南定理及诺顿定理及其相互转换4.电路中的电位5.受控电源6.交直流计算问题7.

KVLKCL4模拟信号运算与处理电路2放大电路基础1

半导体器件3模拟集成运算放大器5反馈放大电路6信号产生电路7功率放大电路8直流稳压电源五.

章节安排六.考察方法

1.会看：定性分析

2.会算：定量计算

3.会选：电路形式、器件、参数

4.会调：测试方法、仪器选用、EDA

1.卷面成绩：80%2.平时成绩：20%关于作业

每周上课前交作业！课代表收齐后交到讲台作业要认真完成，老师每次检查完成情况并登记。凡作业抄袭者一经发现从严扣分关于答疑电子元器件基本放大电路运算放大器应用电路模拟电路数字电路电子技术典型应用：手机基站手机接收器A/DCPUD/A喇叭第一章半导体器件1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应晶体管40年代晶体管——第二代电子器件60年代中、小规模集成电路——第三代电子器件大规模集成电路——第四代电子器件超大规模集成电路——第五代电子器件20年代真空管——第一代电子器件电子技术发展的历史电子技术的发展离不开半导体技术的发展物质按其导电性能可分为：导体，绝缘体，半导体1.1半导体基础知识半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。主要有硅、锗、硒和大多数金属氧化物及硫化物半导体的导电能力随外界条件的改变而发生很大的变化§1.1.1导体、绝缘体和半导体各种半导体的典型特性：①温度↑，导电能力↑↑——热敏元件②光照，导电能力↑↑——光敏元件③渗入微量杂质，导电能力↑↑——二极管、三极管§1.1.2本征半导体本征半导体：纯净的、具有晶体结构的半导体

纯净的半导体一般都具有晶体结构常用的半导体材料有硅和锗，它们原子的最外层都有四个价电子，称为四价元素+14在硅或锗构成的晶体结构中，每个原子与相邻的四个原子结合，形成共价键结构半导体导电性能容易突变的原因——共价键中的价电子不是很稳定（容易被激发）SiSiSiSi在一定条件下（如光照或温度升高）

共价键中的电子可以挣脱原子核的束缚而成为自由电子

与此同时，晶体共价键一旦失去一个电子，该地方便会产生一个空位，称为空穴SiSiSiSi自由电子空穴原子因为失去一个电子而成为带正电的离子，因此可认为空穴带正电。SiSiSiSi自由电子空穴在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现的。温度越高，自由电子和空穴的对数也越多+‡对半导体施加外电场*自由电子作定向运动，形成电流（电子电流）

*空穴（带正电）吸引电子，邻近共价键中的价电子在外电场作用下可填补该空穴。SiSiSiSiE在半导体中，电子电流和空穴电流并存，这也是半导体和金属在导电机理上的本质区别电子填补空穴的运动可看成是空穴沿外电场相同的方向作定向运动，这就是空穴电流SiSiSiSiESiSiSiSiE自由电子和空穴统称为载流子自由电子填补空穴的过程称为复合SiSiSiSiE§1.1.3杂质半导体

——在本征半导体中掺入微量杂质元素N型半导体P型半导体1、N型半导体掺入微量五价元素——PPSiSiSi自由

电子浓度大大增加，电子导电是主要导电方式自由电子：多数载流子空穴：少数载流子则：PP++一旦多余的价电子游离P原子，N型半导体（Negative)PSiSiSi+2、P型半导体掺入微量三价元素——硼原子BSiSiSi空穴浓度大大增加，空穴导电是主要导电方式自由电子：少数载流子空穴：多数载流子BBP型半导体(Positive)BSiSiSi

1.杂质半导体中多子浓度取决于掺杂杂质浓度，少子浓度取决于温度。2.杂质半导体呈电中性。N:电子数（掺杂+热激发）=空穴（热激发）+正离子P:空穴数（掺杂+热激发）=电子（热激发）+负离子

结论§1.1.4PN结的形成将N型半导体和P型半导体拼在一起，其交界面处将形成一个PN结PNPN内电场+++P区空穴浓度大，空穴由P区向N区扩散，在交界面附近的P区留下一些负离子N区电子浓度大，电子由N区向P区扩散，在交界面附近的N区留下一些正离子正负离子形成空间电荷区——PN结PN内电场+++内电场阻止P区及N区的多数载流子继续扩散有利于P区及N区的少数载流子的运动——漂移一开始是多数载流子的扩散占主导，最后扩散与漂移形成动态平衡PN内电场+++一、外加正向电压——P区接电源正极、N区接电源负极

内外电场方向相反，内电场被削弱，空间电荷区变窄，多数载流子的扩散加强，形成较大的电流。PN内电场方向外电场方向PN结处于导通状态，导通时PN结呈低阻§1.1.5PN结的单向导电性二、外加反向电压——N区接电源正极、P区接电源负极PN内电场方向外电场方向内外电场方向相同，内电场被加强，空间电荷区变宽，多数载流子的扩散被阻止，只有由少数载流子漂移形成的很小的电流PN结处于截止状态，

此时PN结呈高阻结论：PN结正向导通，反向截止导通时呈低阻，截止时呈高阻——PN结的单向导电性PN内电场方向外电场方向如何用万用表判断二极管的P端，N端三、PN结方程1.定义：PN结两端的外加电压和流过PN结的电流I之间的关系为PN结方程。2.PN结方程：PN正偏(且∣U∣大于UT几倍以上)时PN反偏(且∣U∣大于UT几倍以上)时PN结的伏安特性如下图所示：PN结的伏安特性§1.1.6PN结的电容特性PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定:

一是势垒电容CB

二是扩散电容CD

一、势垒电容CB（BarrierCapacitance）势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。势垒电容示意图扩散电容：PN结正偏时，多子扩散,越过PN结成为另一方的少子，越靠近PN结浓度越大，即在P

区有电子的积累，在N区有空穴的积累。正向电压增大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。二、扩散电容CD(DiffusionCapacitance)扩散电容示意图

1.2半导体二极管（Diode）NPDPN表示符号PN+++§1.2.1二极管的基本结构NPD阳极阴极（2）U

>死区电压，U↑→I↑↑1、

当U

>0时PN（1）当U<死区电压时，外电场不足以削弱内电场，I0I（mA）正向死区电压

Si0.5VGe0.1V反向U（V）§1.2.2二极管的特性曲线PNI（mA）正向导通电压UD

Si0.7VGe0.3V反向U（V）（1）当|U|<U(BR)（反向击穿电压）时，二极管只存在少数载流子漂移，从而形成较小的反向饱和电流

2、U

<

0PNI（mA）正向死区电压

Si0.5VGe0.1V反向U（BR）U（V）（2）若|U|>U(BR)，少数载流子的高速运动将其他被束缚的价电子撞击出来，如此形成连锁反应，使得二极管中载流子剧增，形成很大的反向电流——反向击穿

PNPN内电场方向外电场方向I（mA）正向死区电压

Si0.5VGe0.1V反向U（BR）U（V）当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆PN结的反向击穿1、最大整流电流IFM二极管长时间使用时，允许通过二极管的最大正向平均电流。当电流超过允许值时，PN结将过热而使管子损坏§1.2.3二极管的主要参数2、反向工作峰值电压URM一般为反向击穿电压的一半或三分之二3、反向电流IR二极管上未击穿时的反向电流值。如果该值大，则说明二极管的单向导电性能差。I（mA）正向反向反向峰值电压U（BR）U（V）反向峰值电流5、最高工作频率fM4、极间电容Cj

1.理想模型3.折线模型

2.恒压降模型§1.2.4二极管的电路模型含二极管电路的计算1、一般可将二极管视为理想元件（死区电压、导通电压均认为是零，反向电流为零）

I（mA）正向反向U（BR）U（V）

死区电压I（mA）正向U（BR）U（V）反向（1）正向导通时，二极管元件上的正向导通压降可认为是零，正向电阻为零（将其视为短路）（2）反向截止时，二极管反向电阻无穷大，反向电流为零（开路）PNPN2、含二极管电路的分析方法（1）对于含一个二极管的电路，先将二极管从电路中分离出来，求出其阳、阴两极的开路电压，如果该电压大于零，则二极管导通，否则截止。解：将D开路，求其两端开路电压U，若U>0，则D导通；反之D截止。故D导通，Uo=0V

+4V例1已知D为理想二极管，求Uo=？

+4V故D截止，Uo=

-2V例2若E=4V，求Uo=？

+4V+4V例3若将E改为ui，求uo解：+例4已知，画的波形。

解：思考：画电阻两端电压的波形？

RDE5（2）如果电路中含多个二极管，则应断开所有二极管，求出各管所承受的电压，其中承受正向电压最大者优先导通，遂将其短路，接着再分析其他二极管。解：将两个二极管全部断开，求开路电压例5

求输出电压UoD1D2+++9V3V6V+++9V3V6V++U1U2+++9V3V6V++U1U2+++9V3V6V+U1D1是否也导通+++9V3V6V+U1§1.2.5特殊二极管除普通二极管外，还有许多特殊二极管，如稳压二极管、变容二极管、光电二极管等。

稳压管是一种特殊的二极管，其伏安特性与普通二极管的差异：（1）反向特性曲线较陡（2）反向击穿是可逆的（工作于反向击穿区）UI/mAIZmaxIZminΔIZΔUZ–UZ一、稳压管简介二、主要参数1、稳定电压稳压管稳定工作时管子两端的电压值UI/mAIZmaxIZminΔIZΔUZ–UZUZ++UZ3、动态电阻2、电压温度系数

温度每变化1ºC时电压变化的百分数，表明稳压管的温度稳定性UI/mAIZmaxIZminΔIZΔUZ–UZ5、最大稳定电流4、稳定电流6、最大耗散功率PZM=UZ

IZM稳压管稳定工作时流过的参考电流值，实际电流值应略大于这个值稳压管允许通过的最大电流UI/mAIZmaxIZminΔIZΔUZ–UZ三、含稳压二极管电路的分析方法(1)含一个稳压管的电路，先求出其阳阴两极的开路电压UO

当UO

>0时同普通二极管

当–Uz<UO<0时反向截止U=UO

当UO

<–Uz时反向击穿U=–UzUI/mAIZMIZΔIZΔUZ–UZ+UZ

DZ限流电阻例1已知UZ=5V，

UD=0.6V，求Uo=？①U=10V；②U=–10V；③U=4V解:(1)当U=10V时，UDO=–10V，稳压管反向击穿，Uo=UZ=5V+UZ(2)当U=–10V时，稳压管正向导通，Uo=–

UD=–0.6V(3)当U=4V时，稳压管UDO=–4V反向截止，Uo=4V①

U=10V；②

U=–

10V；③

U=4V解：首先分析BO支路的电流。只可能出现两种情形：1、有电流，则两个稳压管一个反向击穿，一个正向导通2、没有电流，则两个稳压管均截止。例2已知UZ=5V，

UD=0.6V，求Uo=？（1）当U=10V时，令O点电位为零，假设2个稳压管均截止，则UA<0.5V，则DZ1反向击穿，UA=5V,DZ2正向导通Uo=UZ+UD

=5.6V假设2个二极管均截止，则UA<0.5V，DZ2反向击穿，UA=5V，DZ1正向导通Uo=–UZ–

UD

=–5.6V（2）当U=–10V时，设B点电位为零，Uo=4V（3）当U=4V时，很显然DZ1反向截止，DZ2也截止双向稳压管

当U

>Uz时，UO

=Uz

当U

<Uz时，截止UO

=U

当U

<–Uz时，UO=–UzUz四、稳压管的应用电路1.3半导体三极管（Transistor）三极管——通过特定工艺将两个PN结结合在一起构成的器件三极管种类

高频管

低频管

按频率分

大功率管中功率管小功率管按功率分PNP型NPN型按结构不同分硅管锗管

按半导体材料分§1.3.1三极管的结构当前国内生产的硅晶体管多为NPN型（3D系列）；锗晶体管多为PNP型（3A系列）。BCETNPN型BCEBCETPNP型BCE三个导电区域中间层：很薄、掺杂少（基区）上层：集电区下层：发射区其中发射区的掺杂浓度高于集电区发射区与基区交界处的PN结——发射结集电区与基区交界处的PN结——集电结从三个区引出的电极——

C:集电极Collect

、B:基极Base

、E:发射极EmitBCETNPN型BCE§1.3.2三极管的工作原理共发射极电路接法VBB：发射结正偏VCC：集电结反偏（VCC

>VBB）c区：收集电子e区：发射电子b区：电子的扩散、复合BCERBVBBRCVCCNNP电流放大的机理（1）E区的多数载流子（电子）向B区扩散，同时从电源补充进电子，从而形成发射极电流IE（2）在B区，扩散来的电子少部分与B区的空穴相复合，大部分继续向集电结扩散BCERBVBBRCVCCNNP电子不断涌进基区，只能由基极电源VBB正端不断地从基区引出电子，从而形成IB扩散和复合同时进行，电流放大取决于两者的比例希望扩散>>复合，因此基区很薄，掺杂浓度小BCERBVBBRCVCCNNP（3）集电区收集从发射区扩散来的电子BCERBVBBRCVCCNNP集电结反偏，内部电场得到增强PNCB+_电子被大量吸引到C区，电源VCC不断从C区移走电子，从而形成IC通过实验得出以下结论：（1）IE

=

IB

+

IC

；这是因为从发射区进入基区的电子，只有极少部分与基区的空穴相复合，绝大部分被集电区所收集BCRBVBBRCVCCNNP共发射极直流电流放大倍数且IB(mA)00.020.040.060.080.10IC(mA)<0.0003.103.95IE(mA)<0.0010.721.542.363.184.05（2）微小的ΔIB

会引起比较大的ΔIC此即晶体管的电流放大作用晶体管交流电流放大倍数IB(mA)00.020.040.060.080.10IC(mA)<0.0003.103.95IE(mA)<0.0010.721.542.363.184.05综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。NPN和PNP型晶体管在放大工作状态时各个电流的实际方向和各个电压的极性NPN型CBE+

_

+

_

CBE+

_

+

_

PNP型§1.3.3特性曲线（以NPN管为例）

一、输入特性曲线

BCRBVBBRCVCCNNP

集电结可以把扩散到基区的电子中的大部分拉入集电区，只要UBE不变，则即使UCE再增大，IB也不会有明显的改变。BCRBVBBRCVCCNNPBCRBVBBRCVCCNNP20806040晶体管也存在死区电压硅管的死区电压约为0.5V