沈阳建筑大学信息与工程学院模拟电子第一章

1、,信息学院电气信息类 之,模拟电子技术基础,主讲者： 郭 耸 教研室： 计算机教研室,课程相关介绍,1、本课程是电气信息类各专业的非常重要的专业基础课。 2、能够使学生获得模拟电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能；熟悉模拟电子电路的工作原理，掌握模拟电路分析方法和设计方法。 3、能够使学生具有一定的实践技能和应用能力、分析问题和解决问题的能力，为学习后续课程和从事相关技术工作打好基础。,一、课程的重要性,课程相关介绍,1、半导体器件， 2、放大电路的基本原理， 3、放大电路的频率响应， 4、功率放大电路， 5、集成运算放大电路， 6、放大电路中的反馈， 7、模拟信号运算电路， 8、信号处

2、理电路， 9、波形发生电路， 10、直流电源。,二、本课程的主要内容,课程相关介绍,主要把握几个环节： 1、注重知识的连续性。 2、课前做好预习，做到心中有数；课上认真听讲，做好课堂笔记；课后加强作业练习，以巩固知识的掌握。 3、对学习中发现的问题，应及时解决。 4、加强实践环节，上好实验课。,三、如何学好该课程,课程相关介绍,参考书： 1、杨素行主编，模拟电子技术基础简明教程教学指导书，高等教育出版社，2006年7月 2、阎石，模拟电子技术基础第五版，高等教育出版社，2006年5月,四、教材与参考书,教材： 1、杨素行主编，模拟电子技术基础简明教程第三版，高等教育出版社，2006年5月,课程

3、相关介绍,成绩主要由以下几部分组成： （1）平时成绩 包括：作业 课堂表现（点名+检查课堂笔记） （2）实验成绩 实验成绩不及格将取消正常考试资格 。 （3）考试成绩,五、考核方式,关于我的联系方式,1、邮箱：guosong_ 2、办公地点：戊2-307,第一章 半导体器件,第一节 半导体的特性 第二节 半导体二极管 第三节 双极型三极管 第四节 场效应三极管,下页,总目录,第一节 半导体的特性,本征半导体,杂质半导体,下页,总目录,1. 半导体(semiconductor),共价键Covalent bond,半导体的定义： 将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。,一、本征半

4、导体(intrinsic semiconductors),在硅(或锗)的晶体中, 原子在空间排列成规则的晶格。,下页,首页,上页,2. 本征半导体(intrinsic semiconductors),在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强， 在热力学温度零度（即T = 0K，）时， 价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚， 晶体中不存在能够导电的载流子， 半导体不能导电，如同绝缘体一样。,下页,上页,首页,本征半导体中的载流子,如果温度升高， 少数价电子将挣脱共价键束缚成为自由电子。,在原来的共价键位置留下一个空位， 称之为空穴。,下页,上页,首页,半导体中存在两种载流子： 带负电的自由电子

5、和带正电的空穴。,在一定温度下电子 - 空穴对的产生和复合达到动态平衡。,两种载流子浓度相等,下页,上页,首页,1. N型（或电子型）半导体 (N-type semiconductor),二、 杂质半导体,则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引，在室温下可成为自由电子。,在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素，,下页,上页,在本征半导体中掺入某种特定的杂质，就成为杂质半导体。,自由电子,首页,失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动， 并带有正电荷，称为正离子。,在这种杂质半导体中， 电子的浓度大大高于空穴的

6、浓度。,因其主要依靠电子导电， 故称为电子型半导体。,下页,上页,5价的杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。,首页,在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素，,空位,2. P型半导体(P-type semiconductor),当它与周围的硅原子组成共价键时， 将缺少一个价电子， 产生了一个空位。,下页,上页,首页,硅原子外层电子由于热运动填补此空位时， 杂质原子成为负离子， 硅原子的共价键中产生一个空穴。,在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。,空穴,在室温下仍有电子-空穴对的产生和复合。,多数 载流子,P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。,下页,上页,3价的杂

7、质原子产生多余的空穴，起着接受电子的作用，所以称为受主原子。,少数 载流子,首页,在杂质半导体中： 杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构， 多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度； 而少数载流子的浓度主要取决于温度。 杂质半导体的优点： 掺入不同性质、不同浓度的杂质， 并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合， 可以制造出形形色色、品种繁多、 用途各异的半导体器件。,总结,上页,首页,第二节 半导体二极管,PN结及其单向导电性,二极管的伏安特性,二极管的主要参数,稳压管,总目录,下页,1. PN结中载流子的运动,空间电荷区,内电场,UD,即PN结，又称耗尽层。,最终扩散(diffusion)运动

8、与漂移(drift)运动达到动态平衡，PN结中总电流为零。,内电场又称阻挡层，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。,硅约为（0.60.8）V锗约为（0.20.3）V,一、PN结及其单向导电性,下页,上页,首页,正向电流,外电场削弱了内电场，有利于扩散运动，不利于漂移运动。,空间电荷区变窄,2. PN结的单向导电性,加正向电压,内电场,UD - U,外电场,称为正向接法或正向偏置（简称正偏）forward bias,PN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。,空间电荷区,扩散电流大于漂移电流，在回路中形成正向电流I。,称为反向接法或反向偏置（简称反偏）,一定温度下， E 超过某一值后 I 饱

9、和，称为反向饱和电流 IS 。,反向电流非常小，PN结处于截止(cut-off)状态。,加反向电压,IS 对温度十分敏感。,下页,上页,首页,二、二极管的伏安特性,二极管：在PN结上加上管壳和引线， 阳极从P区引出，阴极从N区引出。,1. 二极管的类型 从材料分：硅二极管和锗二极管。 从管子的结构分：,点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。 面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。 开关型二极管，在数字电路中作为开关管。,下页,上页,首页,正向特性,死区电压,Is,UBR,反向特性,+,-,UD,I,2. 二极管的伏安特性,下页,上页,

10、首页,动画,当正向电压超过死区电压后， 二极管导通, 电流与电压关系近似指数关系。,硅二极管为0.7V左右 锗二极管为0.2V左右,硅二极管为0.5V左右 锗二极管为0.1V左右,死区电压：,导通压降：,正向特性,下页,上页,首页,反偏时，反向电流值很小， 反向电阻很大， 反向电压超过UBR则被击穿。,IS,反向特性,UBR,结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。,二极管方程：,反向饱和电流,反向击穿电压,若|U| UT则 I - IS,式中： IS为反向饱和电流 UT 是温度电压当量， 常温下UT近似为26mV。,反向特性,下页,上页,首页,三、二极管的主要参数,最大整流电流 IF

11、 指二极管长期运行时， 允许通过管子的最大正向平均电流。 IF的数值是由二极管允许的温升所限定。 最高反向工作电压 UR 工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值， 否则二极管可能被击穿。 为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR 。,下页,上页,首页,室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时， 流过管子的反向电流。 IR值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。 IR受温度的影响很大。 最高工作频率 fM fM值主要决定于结结电容的大小。 结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。,下页,上页,反向电流 IR,首页,二极管除了具有单向导电性以外， 还具有一定的电容效应。,原因：二极

12、管两端的电压变化， PN结中 存储的电量也产生变化，如同电容器一样。 这种电容效应用PN结的结电容来表示。,下页,上页,首页,例1.2.1已知Ui = Umsin t ，画出uo和uD的波形。设二极管的正向压降和反向电流可以忽略。,Um,ui 0 时二极管导通， uo = ui uD = 0,ui 0 时二极管截止， uD = ui uo = 0,-Um,下页,上页,首页,例1.2.2 二极管可用作开关,正向偏置，相当于开关闭合。,反向偏置，相当于开关断开。,下页,上页,首页,四、稳压管,稳压管实质上也是一种二极管，但通常工作在反向击穿区。 与二极管不同之处： 1.采用特殊工艺，击穿状态不致损

13、坏； 2.击穿是可逆的。 特性曲线如下图所示：,U,I,值很小,有稳压特性,阴极,阳极,下页,上页,首页,1. 稳定电压UZ，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。 2. 稳定电流Iz ，稳压管正常工作时的参考电流。 3. 动态内阻rz ，稳压管两端电压和电流的变化量之比。 rz= U / I rz 越小，稳压效果越好。 4. 电压的温度系数U，稳压管电流不变时， 环境温度每变化1时所引起的稳定电压变化的百分比。 5. 额定功耗Pz ，最大稳定电流流过稳压管时消耗的功率。,主要参数：,下页,上页,首页,使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：,稳压管必须工作在反向击穿区， 稳压管应与负载RL并联，

14、必须限制流过稳压管的电流IZ ，通过接入一个限流电阻R来调节IZ的大小。,下页,上页,首页,例1.2.3 电路如图所示，已知UImax= 15V， UImin= 10V IZmax= 50mA， IZmin= 5mA，RLmax= 1k，RLmin= 600 UZ= 6V, 对应UZ= 0.3V。 求rZ ，选择限流电阻R。,下页,上页,首页,解：,IZ =IR - Io,=,UI - UZ,R,-,UZ,RL,IZmax ,UImax - UZ,R,-,UZ,RLmax,IZmin ,UImin - UZ,R,-,UZ,RLmin,rZ =,IZ,UZ,= 6.7,IZ = IZmax -

15、IZmin = 45mA,下页,上页,首页,U,U,U,U,例1.2.4 有两个稳压管 VD1 和 VD2 ，它们的稳压值为UZ1 = 6V，UZ2 = 8V，正向导通压降均为 UD = 0.6 V，将它们串联可得到几种稳压值。,U=UD+UD = 1.2V,U=UZ1+UD = 6.6V,U =UZ1+UZ2 = 14V,U=UD+UZ2 = 8.6V,下页,上页,首页,第三节 双极型结三极管,三极管的结构,三极管中载流子的运动和电流分配关系,三极管的特性曲线,三极管的主要参数,总目录,下页,半导体三极管 晶体管 (transistor) 双极型三极管或简称三极管,制作材料：,分类 ：,它们

16、通常是组成各种电子电路的核心器件。,双极结型三极管 BJT, 又称为 ：,硅或锗,NPN型 PNP型,下页,上页,首页,一、 三极管的结构,三个区,NPN型三极管的结构和符号,N P N,实现放大的外部条件：发射结正向偏置，集电极反向偏置。,实现放大的 内部条件,一、 三极管的结构,PNP型三极管的结构和符号,下页,上页,首页,发射极电流,二、三极管中载流子的运动和电流分配关系,发射: 发射区大量电子向基区发射。,2. 复合和扩散： 电子在基区中复合扩散。,3. 收集： 将扩散过来的电子收集到集电极。,同时形成反向饱和电流ICBO 。,IE,IC,IB,ICN,IEN,IBN,ICBO,集电极

17、电流,基极电流,下页,上页,首页,动画,（以NPN型三极管为例进行讨论。）,IC = ICN + ICBO IE = ICN + IBN,当ICBO IC时，可得,IEN = ICN + IBN,IE = IEN,IE = IC + IB,下页,上页,将 代入IC = ICN + ICBO 得,首页,将IE = IC + IB,可得,当ICEO IC时，可得,ICEO =（ 1+ ）ICBO,IE = IC + IB,IC IB,IE =（ 1+ ）IB,ICEO称为穿透电流。,下页,上页,首页,三、三极管的特性曲线,1. 输入特性,UCE=0V,UCE=2V,当UCE大于某一数值后，各条输入

18、特性十分密集， 通常用UCE 1时(如UCE =2)的一条输入特性来代表。,下页,上页,首页,2. 输出特性,IC=f(UCE),IB=常数,饱和区,放 大 区,截止区： IB 0的区域，IC 0 ， 发射结和集电结都反偏。,2. 放大区： 发射结正偏，集电结反偏 =iC /iB,3. 饱和区： 发射结和集电结都正偏，UCE较小，IC 基本不随IB 而变化。 当UCE = UBE 时，为临界饱和；当UCE UBE 时达到饱和。,截止区,下页,上页,首页,动画,发射结反向偏置, 集电结反向偏置, 三极管工作在截止区, 可调换 EB 极性。,发射结反向偏置, 三极管工作在截止区, 可调换 EC 极

19、性, 或将VT更换为PNP型。,两PN结均正偏三极管工作在饱和区。,例1.3.1 判断图示各电路中三极管的工作状态。,下页,上页,首页,EB = IB Rb + UBE,IB,IC,IB = 46.5 A, IB = 2.3 mA,假设三极管饱和， UCES = 0.3 V,则,ICS =,EC - UCES,Rc,= 4.85 mA, IB ICS,假设不成立， 三极管工作在放大区。,或者,IC = IB = 2.3 mA,UCE = EC - IC Rc = 5.4 V,发射结正偏,集电结反偏， 三极管工作在放大区。,下页,上页,首页,EB = IB Rb + UBE,IB,IC,IB =

20、 465 A, IB = 23 mA,假设三极管饱和， UCES = 0.3 V,则,ICS =,EC - UCES,Rc,= 4.85 mA, IB ICS,假设成立， 三极管工作在饱和区。,或者,IC = IB = 23 mA,UCE = EC - IC Rc = -36 V,发射结正偏集电结正偏， 三极管工作在饱和区。,下页,上页,首页,四、 三极管的主要参数,共基电流放大系数,1. 电流放大系数,共射电流放大系数, 和 满足,或,2. 反向饱和电流,集电极和基极之间的反向饱和电流 ICBO,集电极和发射极之间的穿透电流 ICEO,两者满足,下页,上页,首页,说明：这两个反向饱和电流越小

21、，表明三极管的质量越好。,3. 极限参数,a. 集电极最大允许电流 ICM,三极管的安全工作区,过流区,集射反向击穿电压U(BR)CEO,集基反向击穿电压U(BR)CBO,ICUCE=PCM,过压区,安 全 工作区,ICM,U(BR)CEO,c. 极间反向击穿电压,b. 集电极最大允许耗散功率 PCM,下页,上页,首页,五、 PNP型三极管,PNP型三极管的放大原理与NPN型基本相同， 但外加电源的极性相反。,NPN型三极管,PNP型三极管,练习题,在某放大电路中测得三极管三个极的静态电位分别为0V、10V和9.3V，试判断 （1）该管为 NPN管，还是PNP管？ （2）该管为 硅管，还是锗管

22、？,答案：（1）NPN管 （2）硅管,练习题-续,某放大电路中BJT的三个电极A、B、C的电流如图，用万用表直流电流档测得IA-2mA，IB-0.04mA，IC+2.04mA， （1）试分析A、B、C中哪个是基极b、发射级e、集电极c。 （2）说明此管是NPN管还是PNP管。,答案：（1）B是基极b，C是发射极e，A是集电极c； （2） NPN管,练习题-续,测得某放大电路中BJT的三个电极A、B、C的对地电位分别为VA-9V，VB-6V，VC-6.2V， （1）试分析A、B、C中哪个是基极b、发射级e、集电极c。 （2）该管为 NPN管，还是PNP管？ （3）该管为 硅管，还是锗管？,答案：

23、（1）C是基极b，B是发射极e，A是集电极c； （2） PNP管 （3） 锗管,第四节 场效应三极管,结型场效应管,绝缘栅场效应管,场效应管的主要参数,下页,总目录,场效应三极管(Field Effect Transistor , FET)中参与导电的只有一种极性的载流子（多数载流子），故称为单极型三极管。这种管子是利用电场效应来控制电流大小的。场效应三极管简称为场效应管。,分类：,结型场效应管 (JFET),绝缘栅场效应管（MOS场效应管、MOSFET）,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,N沟道,P沟道,P沟道,一、结型场效应管,1. 结构,N型沟道,N沟道结型场效应管的结构和符号,栅

24、极,漏极,源极,2. 工作原理,UGS = 0,UGS 0,UGS = UGS(off), 当UDS = 0 时， UGS 对耗尽层和导电沟道的影响。,ID=0,ID=0,耗尽层变宽，导电沟道变窄,耗尽层合拢在一起，导电沟道被夹断,ID,IS,ID,IS,UDS0，产生漏极电流ID,UDS 增大，但UDG | UGS(off)|, 当UGS(off) UGS 0 时，UDS 对耗尽层和 ID 的影响。,耗尽层出现不等宽,ID 增大，耗尽层不等宽情况加剧。,下页,上页,首页,UDS 增大，当UDG= |UGS(off)|时，耗尽层开始合拢， 导电沟道预夹断。,达到预夹断后，继续增大UDS ，夹断

25、部分将延长， ID 不再随UDS 的增大而增大，达到基本恒定。,下页,上页,首页,ID,IS,ID,IS,UGS=0，耗尽层较窄，沟道较宽，ID 较大。,UGS 0，耗尽层变宽,(3) 当UDS 0 时， UGS 对耗尽层和 ID 的影响。,耗尽层出现不等宽。,沟道变窄， ID 减小。,下页,上页,首页,当UGS UGS(off)时， ID 0， 导电沟道夹断。,下页,上页,首页,截止区： UGS UGS(off) ，导电沟道被夹断，不能导电。,（1）输出特性,ID=f（UDS）|UGS=常数,预夹断轨迹,恒流区,击穿区,|UGS(off)|,IDSS,|UGS-UDS|= |UGS(off)

26、|,可变电阻区： ID 与UDS 基本上线性关系， 但不同的UGS 其斜率不同。,恒流区：又称饱和区， ID 几乎不随UDS 变化， ID 的值受UGS 控制。,N沟道结型场效应管的输出特性,击穿区：反向偏置的PN结被击穿， ID 电流突然增大。,截止区,3. 特性曲线,（2）转移特性,ID = f（UGS）|UDS=常数,沟道结型场效应管转移特性,IDSS,UGS(off),饱和漏极电流,栅源间加反向电压 UGS 0 栅极基本不取电流，输入电阻很高。,下页,上页,首页,二、绝缘栅场效应管,1. N沟道增强型MOS场效应管,. 结构,P型衬底,B,铝,P衬底杂质浓度较低， 引出电极用B表示。,

27、N+两个区杂质浓度很高， 分别引出源极和漏极。,栅极与其它电极是绝缘的，通常衬底与源极在管子内部连接在一起。,下页,上页,首页,在源极和漏极的二氧化硅上面引出栅极。,. 工作原理,当UGS 增大到一定值时， 形成一个N型导电沟道。,N型沟道,导电沟道的形成,假设UDS = 0 ，同时UGS 0,靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层， 若增大UGS ，则耗尽层变宽。,又称之为反型层。,导电沟道随UGS 增大而增宽。,下页,上页,首页,开启电压：用UGS(th)表示。,UDS对导电沟道、ID的影响,UGS为某一个大于UGS(th)的固定值，在漏极和源极之间加正电压，且UDS UGS(th) 则有电流ID

28、产生，,ID,当UDS 增大到UDS =UGS - UGS(th) 即UGD = UGS - UDS = UGS(th) 时， 沟道被预夹断。,使导电沟道出现不等宽。,当UDS 增大时，ID随之增大，导电沟道不等宽情况加剧。,继续增大UDS ，沟道夹断区延长， ID 基本不变，到达饱和 。,. 特性曲线,IDO,UGS(th),2UGS(th),预夹断轨迹,恒流区,当UGS UGS(th)时。,转移特性曲线可近似用以下公式表示：,2. N沟道耗尽型MOS场效应管,预先在二氧化硅中掺入大量的正离子， 使UGS = 0 时，也能产生N型导电沟道。 当uDS0时，有一个较大的漏极电流ID。 当UGS

29、 0 时，沟道变宽，ID 增大。,下页,上页,首页,耗尽型： UGS = 0 时有导电沟道。 增强型： UGS = 0 时无导电沟道。,特性曲线,IDSS,UGS(off),预夹断轨迹,恒流区,IDSS,3. 场效应管工作原理总结,（1）P沟道MOS场效应管的工作原理与N沟道的类似；符号也与N沟道的类似，但B上箭头的方向相反。 （2）说明：结型场效应管（JFET）与绝缘栅场效应管（ MOSFET ）的工作原理是不同的。 JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。 而MOSFET则是利用栅源电压来控制半导体表面感应电荷的多少，以改变由这些感应电

30、荷形成的导电沟道的状况，从而控制漏极电流的大小。 （3）各种场效应管的符号与特性曲线见教材P28页表1-1。要求能够根据符号和特性曲线的特点判断出场效应管的类型。,例1.4.1,已知某FET的输出特性如图所示，试判别它的类型（ P沟道或N沟道，增强型或耗尽型，结型(JFET)或绝缘栅型(MOSFET) ）。,答案：（1）N沟道耗尽型MOSFET,例1.4.2,下图所示的FET的转移特性，请分别说明各属于何种类型（ P沟道或N沟道，增强型或耗尽型，结型(JFET)或绝缘栅型(MOSFET) ） 。如果是增强型，说明它的开启电压UGS(th) (VT)？如果是耗尽型，说明它的夹断电压UGS(off

31、) (VP)？（图中iD的假定正向为流进漏极）。,答案：P沟道增强型MOSFET，其UGS(th) (VT)-4V。,UGS(th),三、 场效应管的主要参数,1. 直流参数,. 饱和漏极电流 IDSS 是耗尽型场效应管的一个重要参数。 它的定义是当栅源之间的电压uGS等于零， 而漏源之间的电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。,. 夹断电压 UGS(off) 是耗尽型场效应管的一个重要参数。 其定义是当uDS一定时， 使iD减小到某一个微小电流时所需的uGS值。,下页,上页,首页,. 开启电压 UGS(th) UGS(th)是增强型场效应管的一个重要参数。 其定义是当uDS一定时， 使漏极电流达到某一数值时所需加的uGS值。,. 直流输入电阻 RGS 栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。 由于栅极基本不取电流，因此其输入电阻很高。 结型场效应管的RGS一般在107以上， 绝缘栅场效应管的RGS更高，一般大于109。,下页,上页,首页,2. 交流参