模拟电子技术基础 (2).ppt

模拟电子技术基础模拟电子技术基础主讲主讲 ：xxxxxx第一讲第一讲绪绪 论论1.1.电子技术的现状与发展趋势电子技术的现状与发展趋势2.电子技术的应用范围3.3.本课程与其它专业课的关系本课程与其它专业课的关系4.4.电子技术基础学习特点电子技术基础学习特点参考书：1.模拟电子技术基础模拟电子技术基础（第四版）：（第四版）：清华大学童诗白、华成英主编清华大学童诗白、华成英主编2.电子技术基础（模拟部分第四版）：电子技术基础（模拟部分第四版）：华中理工大学康华光主编华中理工大学康华光主编1.1 半导体的基本知识1.2 PN结1.3 半导体二极管第一章第一章 晶体二极管晶体二极管1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.1.1 本征半导体及其导电性1.1.2 杂质半导体1.1.3 半导体的温度特性 根根据据物物体体导导电电能能力力(电电阻阻率率)的的不不同同，来来划划分分导导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。半半导导体体的的电电阻阻率率为为1010-3-310109 9 cm。典典型型的的半半导导体有硅体有硅Si和锗和锗Ge以及砷化镓以及砷化镓GaAs等。等。1.1.1 1.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性 本本征征半半导导体体化化学学成成分分纯纯净净的半导体晶体。的半导体晶体。制制造造半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%，常常称称为为“九九个个9”。它它在在物物理理结结构构上上呈呈单单晶晶体形态。体形态。(1）本征半导体的共价键结构 硅硅和和锗锗是是四四价价元元素素，在在原原子子最最外外层层轨轨道道上上的的四四个个电电子子称称为为价价电电子子。它它们们分分别别与与周周围围的的四四个个原原子子的的价价电电子子形形成成共共价价键键。共共价价键键中中的的价价电电子子为为这这些些原原子子所所共共有有，并并为为它它们们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图这种结构的立体和平面示意图见图01.01。图图01.01 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(a)硅硅晶晶体体的的空空间间排排列列 (b)共共价价键键结结构构平平面面示示意意图图(c)（2）电子空穴对）电子空穴对 当当导导体体处处于于热热力力学学温温度度0K时时，导导体体中中没没有有自自由由电电子子。当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，价价电电子子能能量量增增高高，有有的的价价电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而参与导电，成为而参与导电，成为自由电子自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。可可见见因因热热激激发发而而出出现现的的自自由由电电子子和和空空穴穴是是同同时时成成对对出出现现的的，称称为为电电子子空空穴穴对对。游游离离的的部部分分自自由由电电子子也也可能回到空穴中去，称为可能回到空穴中去，称为复合，复合，如图如图01.02所示。所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。图图01.02 本征激发和复合的过程本征激发和复合的过程（动画动画1-1）(3)(3)空穴的移动空穴的移动 自自由由电电子子的的定定向向运运动动形形成成了了电电子子电电流流，空空穴穴的的定定向向运运动动也也可可形形成成空空穴穴电电流流，它它们们的的方方向向相相反反。只只不不过过空空穴穴的的运运动动是是靠靠相相邻邻共共价价键键中中的的价价电电子子依依次次充充填填空空穴穴来来实实现现的的，因因此此，空空穴穴的的导导电电能能力力不不如如自自由由电电子子（见见图图01.0301.03的的动画演示）动画演示）。（动画1-2）图图01.03 空穴在晶格中的移动空穴在晶格中的移动1.1.2 杂质半导体(1)(1)N型半导体型半导体(2)(2)P型半导体型半导体 在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入某某些些微微量量元元素素作作为为杂杂质质，可可使使半半导导体体的的导导电电性性发发生生显显著著变变化化。掺掺入入的的杂杂质质主主要要是是三三价价或或五五价价元元素素。掺掺入入杂杂质质后后的的本征半导体称为本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。(1）N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成形成 N型半导体型半导体,也称也称电子型半导体电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在在N型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因提供自由电子的五价杂质原子因自由电子自由电子脱离而脱离而带正电荷成为带正电荷成为正离子正离子，因此，五价杂质原子也被称为，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。施主杂质。N型半导体的结构示意图如图型半导体的结构示意图如图01.04所示。所示。图01.04 N型半导体结构示意图(2)P型半导体型半导体 本本征征半半导导体体中中掺掺入入三三价价杂杂质质元元素素，如如硼硼、镓镓、铟铟等等形形成成 P型型半半导导体体，也也称称为为空空穴穴型型半半导导体体。因因三三价价杂杂质质原原子子与与硅硅原原子子形形成成共共价价键键时时，缺缺少少一一个个价价电电子子而在共价键中留下一个空穴。而在共价键中留下一个空穴。P型型半半导导体体中中空空穴穴是是多多数数载载流流子子，主主要要由由掺掺杂杂形形成；成；电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。P型半导体的结构示型半导体的结构示意图如图意图如图01.05所示。所示。图01.05 P型半导体的结构示意图 图01.05 P型半导体的结构示意图1.1.3 1.1.3 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3杂质半导体简化模型杂质半导体简化模型1.2 PN结结1.2.1 PN结的形成1.2.2 PN结的单向导电性1.2.3 PN结的电容效应 PN结的形成 在在一一块块本本征征半半导导体体两两侧侧通通过过扩扩散散不不同同的的杂杂质质,分分别别形形成成 N 型型半半导导体体和和 P 型型半半导导体体。此此时时将将在在N型型半半导体和导体和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子杂质离子形成空间电荷区形成空间电荷区 空间电荷区空间电荷区形成形成 内电场内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内内电电场场阻阻止止多多子子扩扩散散 最最后后多多子子扩扩散散和和少少子子的的漂漂移移达达到到动动态态平平衡衡。对对于于P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体结结合合面面，离离子子薄薄层层形形成成的的空间电荷区空间电荷区称为称为 P N 结结,在空间在空间电荷区，由于缺电荷区，由于缺少多子，所以也少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。图图01.06 PN结的形成过程结的形成过程（动画动画1-3）PN 结结形形成成的的过过程程可可参参阅阅图图01.06。PN结的单向导电性 如如果果外外加加电电压压使使PN结结中中：P区区的的电电位位高高于于 N 区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压，正向电压，简称简称正偏；正偏；PN结结具具有有单单向向导导电电性性，若若外外加加电电压压使使电电流流从从 P 区区流流到到 N 区区，PN结结呈呈低低阻阻性性，所所以以电电流流大；反之是高阻性，电流小。大；反之是高阻性，电流小。P 区区的的电电位位低低于于 N 区区的的电电位位，称称为为加加反反向向电电压，压，简称简称反偏。反偏。(1)PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外外加加的的正正向向电电压压有有一一部部分分降降落落在在 PN 结结区区，方方向向与与PN结结内内电电场场方方向向相相反反，削削弱弱了了内内电电场场。内内电电场场对对多多子子扩扩散散运运动动的的阻阻碍碍减减弱弱，扩扩散散电电流流加加大大。扩扩散散电电流流远远大大于于漂漂移移电电流流，可可忽忽略略漂漂移移电电流流的的影响影响,PN 结呈现低阻性结呈现低阻性。PN结加正向电压时的导电情况如图结加正向电压时的导电情况如图01.07 （动画动画1-4）图01.07 PN结加正向电压时的导电情况(2)PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结结区的少子在内电场的作用区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本身就很，由于漂移电流本身就很小，小，PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。在一定温度条件下，在一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大本上与所加反向电压的大小无关小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。PN结加反向电压时的导电情况如图结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。所示。图图 01.08 PN 结加反向电压时的结加反向电压时的导电情况导电情况 PN结结外外加加正正向向电电压压时时，呈呈现现低低电电阻阻，具具有有较较大大的的正正向向扩扩散散电电流流；PN结结加加反反向向电电压压时时，呈呈现现高高电电阻阻，具具有有很很小小的的反反向向漂漂移移电电流流。由由此此可可以以得得出出结结论论：PN结结具具有有单向导电性。单向导电性。（动画动画1-5）图图 01.08 PN结加反向电压结加反向电压时的导电情况时的导电情况 1.在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 （a.掺杂浓度、掺杂浓度、b.温度）有关。温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 。（a.掺杂浓度、掺杂浓度、b.温度）有关。温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量 。（a.减少、减少、b.不变、不变、c.增多）增多）abc 4.在在外外加加电电压压的的作作用用下下，P 型型半半导导体体中中的的电电流流主主要要是是 ，N 型型半半导导体体中中的的电电流流主主要要是是 。（a.电子电流、电子电流、b.空穴电流）空穴电流）ba思考题：思考题：1.2.3 PN结的电容效应 PN结结具具有有一一定定的的电电容容效效应应，它它由由两两方方面的因素决定。面的因素决定。一是势垒电容一是势垒电容CB 二是扩散电容二是扩散电容CD(1)势垒电容势垒电容CB 势势垒垒电电容容是是由由空空间间电电荷荷区区离离子子薄薄层层形形成成的的。当当外外加加电电压压使使PN结结上上压压降降发发生生变变化化时时，离离子子薄薄层层的的厚厚度度也也相相应应地地随随之之改改变变，这这相相当当PN结结中中存存储储的的电电荷荷量量也也随随之之变变化化，犹犹如如电电容的充放电。势垒电容的示意图见图容的充放电。势垒电容的示意图见图01.09。图 01.09 势垒电容示意图 扩扩散散电电容容是是由由多多子子扩扩散散后后，在在PN结结的的另另一一侧侧面面积积累累而而形形成成的的。因因 PN 结结正正偏偏时时，由由N区区扩扩散散到到 P 区区的的电电子子，与与外外电电源源提提供供的的空空穴穴相相复复合合，形形成成正正向向电电流流。刚刚扩扩散散过过来来的的电电子子就就堆堆积积在在 P 区区内内紧紧靠靠PN结结的的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。(2)扩散电容扩散电容CD 反反之之，由由P区区扩扩散散到到N区区的的空空穴穴，在在N区区内内也也形形成成类类似似的的浓浓度度梯梯度度分分布布曲曲线线。扩扩散散电电容容的的示示意意图图如如图图01.10所示。所示。图图 01.10 01.10 扩散电容示意图扩散电容示意图 当当外外加加正正向向电电压压不不同同时时，扩扩散散电电流流即即外外电电路路电电流流的的大大小小也也就就不不同同。所所以以PN结结两两侧侧堆堆积积的的多多子子的的浓浓度度梯梯度度分分布布也也不不相相同同，这这就就相相当当电电容容的的充充放放电电过过程程。势势垒垒电电容容和和扩扩散散电电容容均是非线性电容。均是非线性电容。半导体元件及其特性半导体元件及其特性1-1 1-1 半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管1-2 1-2 半导体三极管半导体三极管半导体三极管半导体三极管1-1 半导体二极管半导体二极管1PN结的结的形成形成 在半导体材料(硅、锗)中掺入不同杂质可以分别形成N型和P型两种半导体。N型半导体主要依靠自由电子导电，称自由电子为多数载流子，而空穴数量远少于电子数量，称空穴为少数载流子。P型半导体主要靠空穴导电，称空穴为多数载流子，而自由电子远少于空穴的数量，称自由电子为少数载流子。PN结的形成与特性结的形成与特性 当P型半导体和N型半导体接触以后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样，P 区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散,如图 1.1.1(a)所示。由于扩散运动，在P 区和N区的接触面就产生正负离子层。N区失掉电子产生正离子，P区得到电子产生负离子。通常称这个正负离子层为PN结。在结的区一侧带负电，区一侧带正电。结便产生了内电场，内电场的方向从区指向区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至停止。在界面处形成稳定的空间电荷区。2.PN结的特性结的特性 1）正向导通 给PN结加正向电压，即P区接正电源，N区接负电源，此时称PN结为正向偏置。这时PN结外加电场与内电场方向相反，当外电场大于内电场时，外加电场抵消内电场，使空间电荷区变窄，有利于多数载流子运动，形成正向电流。外加电场越强，正向电流越大，这意味着PN结的正向电阻变小。正向导通反向截止 2）反向截止 给PN结加反向电压，称PN结反向偏置，如图所示。这时外加电场与内电场方向相同，使内电场的作用增强,PN结变厚，多数载流子运动难于进行，有助于少数载流子运动，形成电流IR，少数载流子很少，所以电流很小，接近于零，即PN结反向电阻很大。综上所述，PN结具有单向导电性，加正向电压时，PN结电阻很小，电流IR较大，是多数载流子的扩散运动形成的；加反向电压时，PN结电阻很大，电流IR很小，是少数载流子运动形成的。接在二极管P区的引出线称二极管的阳极，接在N区的引出线称二极管的阴极。二极管有许多类型。从工艺上分，有点接触型和面接触型；按用途分，有整流管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管和开关二极管等。二极管的结构和类型二极管的结构和类型1 二极管伏安特性二极管伏安特性 理论分析指出，半导体二极管电流I与端电压U之间的关系可表示为 I=IS(-1)此式称为理想二极管电流方程。式中，IS称为反向饱和电流，UT称为温度的电压当量，常温下UT26 mV。实际的二极管伏安特性曲线如图所示。图中，实线对应硅材料二极管，虚线对应锗材料二极管。二极管的特性及参数二极管的特性及参数 1）正向特性 当二极管承受正向电压小于某一数值时，还不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区段二极管正向电流IF很小，称为死区。死区电压的大小与二极管的材料有关，并受环境温度影响。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5 V，锗材料二极管的死区电压约为0.2V。当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管正向导通压降UF。一般硅管的UF为0.7V，锗管的UF为0.3V。2）反向特性 当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电流IR极小，一般硅管的IR为几微安以下，锗管IR较大，为几十到几百微安。这时二极管反向截止。当反向电压增大到某一数值时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称二极管反向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。普通二极管发生反向击穿后，造成二极管的永久性损坏，失去单向导电性。2 二极管的主要参数二极管的主要参数 二极管参数是反映二极管性能质量的指标。必须根据二极管的参数来合理选用二极管。二极管的主要参数有4项。1）最大整流电流IFM IFM是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。工作时，管子通过的电流不应超过这个数值，否则将导致管子过热而损坏。2）最高反向工作电压URM URM是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压。超过此值二极管就有被反向击穿的危险。URM通常为反向击穿电压的1/22/3，以确保二极管安全工作。3）最大反向电流IRM IRM是指二极管在常温下承受最高反向工作电压URM时的反向漏电流，一般很小，但其受温度影响较大。当温度升高时，IRM显著增大。4）最高工作频率fM fM是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。二极管工作频率与PN结的极间电容大小有关，容量越小，工作频率越高。二极管是电子电路中最常用的半导体器件。利用其单向导电性及导通时正向压降很小的特点，可用来进行整流、检波、钳位、限幅、开关以及元件保护等各项工作。1 整流整流 所谓整流,就是将交流电变为单方向脉动的直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路。2 钳位钳位 利用二极管正向导通时压降很小的特性，可组成钳位电路。半导体二极管的应用半导体二极管的应用 若A点UA=0，二极管VD可正向导通，其压降很小，故F点的电位也被钳制在0V左右，即UF0。3 限幅限幅 利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值以内。设输入电压ui=10sint(V),Us1=Us2=5V。当-Us2uiUs1时，VD1处于正向偏置而导通，使输出电压保持在Us1。当uiICM时，可导致三极管损坏。反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极之间最大允许电压为反向击穿电压U（BR）CEO，当UCEU（BR）CEO时，三极管的IC、IE剧增，使三极管击穿。为可靠工作，使用中取 复合三极管是把两个三极管的管脚适当的连接起来使之等效为一个三极管，典型结构如图所示。ic=ic1+ic2=1ib1+2ib2 =1ib1+2(1+1)ib1 1ib1+21 ib1 =1ib1（1+2）12 i b1 复合三极管复合三极管 即 =说明复合管的电流放大系数近似等于两个管子电流放大系数的乘积。同时有 ICEO=ICEO2+2ICEO1表明复合管具有穿透电流大的缺点。第二章第二章 基本放大电路基本放大电路2.1 概述概述2.2 基本共射放大电路的工作原理基本共射放大电路的工作原理2.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法2.4 静态工作点的稳定静态工作点的稳定设置设置Q点的原因点的原因前一节知识的回顾前一节知识的回顾Q点设置的合理性点设置的合理性晶体管工作在放大区晶体管工作在放大区晶体管实现线性放大晶体管实现线性放大基本共射放大电路的基本共射放大电路的Q点分析点分析静态静态Q点通过晶体管的动态电阻点通过晶体管的动态电阻rbe影响影响电压电压放大倍数、输入电阻放大倍数、输入电阻等动态参数。等动态参数。+ECIBQICQUBEQUCEQRBRCC1C2T2.4 静态工作点的稳定静态工作点的稳定1.客观上的不稳定带来客观上的不稳定带来.2.是什么原因使它不稳定是什么原因使它不稳定?3.怎么稳定怎么稳定?4.在稳定的过程中会遇到在稳定的过程中会遇到 Q点的稳定性点的稳定性对于前面的放大电路对于前面的放大电路(即固定偏置电路即固定偏置电路)而言，静态工而言，静态工作点由作点由UBE、和和ICEO 决定，这三个参数随温度而变化，决定，这三个参数随温度而变化，温度对静态工作点的影响主要体现在这些方面。温度对静态工作点的影响主要体现在这些方面。TUBEIBICT、ICEOIC因此因此Q点不稳定会点不稳定会.Q点与点与 电压放大倍数、电压放大倍数、输入电阻、输入电阻、输出信号输出信号是否产生失真是否产生失真 有关。有关。一、首先讨论问题一、首先讨论问题1 1和问题和问题2 2TIC固定偏置电路的固定偏置电路的Q点是不稳定的。怎么稳定？点是不稳定的。怎么稳定？很重要的工程思维方式：以很重要的工程思维方式：以“变化变化”应应“变变化化”从而实现补偿的目的。从而实现补偿的目的。为此，需要改进固定偏置电路，为此，需要改进固定偏置电路，常采用射极分压式偏置电路来稳定静态工作点。常采用射极分压式偏置电路来稳定静态工作点。使得当温度升高使得当温度升高IC增加时，能够自动减少增加时，能够自动减少IB，从，从而抑制而抑制Q点的变化，保持点的变化，保持Q点基本稳定。点基本稳定。提示提示I1I2IB1 静态分析静态分析(2)稳定的原理稳定的原理(1)Q点的估算点的估算TUBEIBICUEIC二、射极分压式偏置电路二、射极分压式偏置电路B点的电点的电位固定位固定BICE2 动态性能分析动态性能分析发射极电阻的引入带来发射极电阻的引入带来？如何解决？如何解决？提示提示rbeRCRLRBRECE的作用：交流通路中，的作用：交流通路中，CE将将RE短路，短路，RE对交流不起作用，放大倍数不受影响。对交流不起作用，放大倍数不受影响。CE