模拟电子技术

模拟电子技术1第1页，课件共35页，创作于2023年2月本章目标掌握1．半导体二极管的伏安特性和基本应用电路分析；2．半导体三极管的输入、输出特性；3．场效应管的输出特性、转移特性；4．放大的基本概念及放大电路主要技术指标的含义；5．放大电路静态工作点及动态技术指标的分析方法。理解1．N型半导体和P型半导体以及PN结的单向导电性；2．半导体三极管放大电路三种基本组态的电路组成、工作原理和性能特点；3．场效应管共源、共漏基本放大电路的电路组成、工作原理及性能特点；4．二极管应用电路（整流、限幅、钳位）的工作原理。了解1.二极管和三极管的主要性能参数和测试方法。2第2页，课件共35页，创作于2023年2月2.1半导体二极管2.1.1半导体基本知识2.1.2

PN结及其单向导电性2.1.3半导体二极管的结构及特性2.1.4二极管的等效电路分析2.1.5二极管的基本应用电路3第3页，课件共35页，创作于2023年2月2.1.1半导体（Semiconductor）基本知识半导体—

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。（如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等）本征半导体

—纯净的具有晶体结构的半导体。半导体材料的纯度达到99.9999999%，称为“九个9”。物理结构上呈单晶体形态。半导体材料且具有掺杂和光、热敏特性。4第4页，课件共35页，创作于2023年2月温度：温度上升，电阻率下降。锗由20℃上升到30℃，电阻率降低一半。掺杂：掺入少量的杂质，会使电阻率大大降低。纯硅中掺入百万分之一的硼，电阻率由

2.3×105·cm降至0.4·cm。光照：光照使电阻率降低。利用半导体的这些特性制成了各种各样的半导体器件。引起导电性能产生很大变化的外界条件有：5第5页，课件共35页，创作于2023年2月2.1.1半导体（Semiconductor）基本知识硅(锗)的原子结构Si284Ge28184半导体原子简化模型+4惯性核价电子(束缚电子)+4+4+4+4+4+4+4+4+4价电子共价键硅(锗)晶体的共价键结构共价键—本征半导体的原子结构为共价键结构。相邻原子共有价电子所形成的束缚。当温度T=0

K时，半导体不导电，如同绝缘体。6第6页，课件共35页，创作于2023年2月+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征激发：

在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。2.1.1半导体（Semiconductor）基本知识本征半导体中的自由电子和空穴空穴可看成带正电的载流子载流子—自由运动的带电粒子。本征激发产生自由电子和空穴两种载流子。自由电子空穴复合—自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移—自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。7第7页，课件共35页，创作于2023年2月两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动

结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；电子和空穴两种载流子均参与导电；

2.本征半导体导电能力弱，并与温度和光照激发有关。自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。2.1.1半导体（Semiconductor）基本知识8第8页，课件共35页，创作于2023年2月1、N（Negative）型半导体和P(Positive)型半导体N型+5+4+4+4+4+4五价杂质原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数P型+3+4+4+4+4+4三价杂质原子空穴空穴—

多子电子—

少子载流子数空穴数2.1.1半导体（Semiconductor）基本知识—掺杂9第9页，课件共35页，创作于2023年2月2、P型、N型半导体的简化图示负杂质离子多子少子多子少子结论（1）杂质半导体虽有一种载流子占多数,但整个半导体呈中性。（２）半导体的导电性主要取决多子的浓度。P型半导体N型半导体正杂质离子施主离子受主离子2.1.1半导体（Semiconductor）基本知识—掺杂10第10页，课件共35页，创作于2023年2月在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结

PN结的形成一、PN结的形成2.1.2PN结(PNJunction)及其单向导电性11第11页，课件共35页，创作于2023年2月1.载流子的浓度差引起多子的扩散运动2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽区、势垒区)

空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。3.扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。内建电场2.1.2PN结(PNJunction)及其单向导电性12第12页，课件共35页，创作于2023年2月二、PN结的单向导电性1.外加正向电压(正向偏置)P区N区内电场+

UR外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF2.外加反向电压(反向偏置)P

区N

区

+UR内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IR正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IR于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小IR=I少子

0空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。13第13页，课件共35页，创作于2023年2月三、PN结的伏安特性Ou

/Vi

/mA正向特性UUthi

急剧上升0U

Uth

i=0反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)

U0i=-IS

U<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)1、正向特性2、反向特性14第14页，课件共35页，创作于2023年2月3、PN结的电流方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT

=26mV15第15页，课件共35页，创作于2023年2月加正向电压

uD>0几乎与反向电压的大小无关加反向电压

uD<016第16页，课件共35页，创作于2023年2月自测题：P23

评测一17第17页，课件共35页，创作于2023年2月一、二、半导体二极管的结构和类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：正极负极分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金平面型集成电路中平面型2.1.3半导体二极管的结构与特性18第18页，课件共35页，创作于2023年2月一、二、半导体二极管的结构和类型19第19页，课件共35页，创作于2023年2月三、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性

UthUon

开启电压iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0U

Uth

导通电压Uon

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)几十A

(锗)U<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)导通电压20第20页，课件共35页，创作于2023年2月反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(ZenerBreakdown)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。

(高掺杂：击穿电压<6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(低掺杂：击穿电压>6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。三、二极管的伏安特性(AvalancheMultiplication)21第21页，课件共35页，创作于2023年2月硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020结论：锗管比硅管易导通，硅管比锗管反向饱和电流小得多，所以硅管的单向导电性和温度稳定性较好。三、二极管的伏安特性22第22页，课件共35页，创作于2023年2月温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT

升高时，由本征激发产生的少子浓度增加，导致PN结内建电位差UB减小。UD(on)以

(22.5)mV/C下降三、二极管的伏安特性二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。23第23页，课件共35页，创作于2023年2月四、二极管的主要参数1.

IF—

最大整流电流(最大正向平均电流)2.

URM—

最高反向工作电压，为U(BR)/23.

IR

—

反向电流(越小单向导电性越好)4.

fM—

最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO24第24页，课件共35页，创作于2023年2月2.1.4理想二极管及二极管特性的折线近似一、理想二极管模型特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)UD(on)25第25页，课件共35页，创作于2023年2月2.1.4理想二极管及二极管特性的折线近似四、二极管的交流小信号模型三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/rDrDUD(on)rD微变等效：二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。26第26页，课件共35页，创作于2023年2月rd的计算rd与静态工作电流有关。27第27页，课件共35页，创作于2023年2月

应用举例【例】二极管的静态工作情况分析1、理想模型（R=10k）设VDD=10V2、恒压模型（硅二极管典型值）3、折线模型（硅二极管典型值）设28第28页，课件共35页，创作于2023年2月【例】

试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO的值。解：假设二极管断开UP=15VUP>UN二极管导通等效为0.7V的恒压源UO=VDD1

UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12VPN29第29页，课件共35页，创作于2023年2月【例】

ui=2sin

t(V)，分析二极管的限幅作用并画输出波形。解：因ui较小，宜采用恒压降模型D1D2uiuORui<0.7VD1、D2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VD2导通D１截止ui<

0.7VD1导通D2截止uO=0.7V思考题:

D1、D2支路各串联一个恒压源，输出波形如何变化？OtuO/V0.7Otui

/V20.730第30页，课件共35页，创作于2023年2月【例】电路如图所示，二极管导通压降UD=0.7V，试分别计算开关断开和闭合时的UR。【解】当开关断开时，二极管因加正向电压而导通，故

UR=US1－UD

=7.3（