模电基础知识教程.doc

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1、 模电基础教程 01 单元 半导体器件基础半导体的导电特性导体、绝缘体和半导体本征半导体的导电特性杂质半导体的导电特性PN 结晶体二极管二极管的结构与伏安特性半导体二极管的主要参数半导体二极管的等效电路 与开关特性稳压二极管 晶体三极管三极管的结构与分类三极管内部载流子的运动规律、电流分配关系和放大作用三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的开关特性 场效应管结型场效应管绝缘栅型场效应管特殊半导体器件发光二极管光敏二极管和光敏三极管02 单元 基本放大电路基本放大电路的工作原理基本放大电路的组成直流通路与静态工作点交流通路与放大原理放大电路的性能指标放大电路的图解分析法放大电路的静态图解分析放

2、大电路的动态图解分析输出电压的最大幅度与非线性失真分析微变等效电路分析法晶体管的 h 参数晶体管的微变等效电路用微变等效电路法分析放大电路静态工作点的稳定温度变化对静态工作点的影响工作点稳定的电路场效应管放大电路场效应管放大电路的静态分析多级放大电路多级放大电路的级间耦合方式 多级放大电路的分析方法放大电路的频率特性单级阻容耦合放大电路的频率特性 多级阻容耦合放大电路的频率特性 03 单元 负反馈放大电路反馈的基本概念和分类反馈的基本概念和一般表达式反馈放大电路的类型与判断负反馈放大电路基本类型举例电压串联负反馈放大电路电流并联负反馈放大电路电流串联负反馈放大电路电压并联负反馈放大电路负反馈对

3、放大电路性能的影响降低放大倍数提高放大倍数的稳定性展宽通频带减小非线性失真改变输入电阻和输出电阻负反馈放大电路的分析方法深度负反馈放大电路的近似计算*方框图法分析负反馈放大电路04 单元 功率放大器功率放大电路的基本知识概述甲类单管功率放大电路互补对称功率放大电路OCL 类互补放大电路OTL 甲乙类互补对称电路复合互补对称电路变压器耦合推挽功率放大电路05 单元 直接耦合放大电路概述直接耦合放大电路中的零点漂移基本差动放大电路的分析基本差动放大电路基本差动放大电路抑制零点漂移的原理基本差动放大电路的静态分析基本差动放大电路的动态分析差动放大电路的改进 06 单元 集成运算放大器集成电路基础知识

4、集成电路的特点集成电路恒流源有源负载的基本概念集成运放的典型电路及参数典型集成运放 F007 电路简介集成运放的主要技术参数集成运放的应用概 述运放的基本连接方式集成运放在信号运算方面的应用集成运放在使用中应注意的问题07 单元 直流电源整流电路半波整流电路全波整流电路桥式整流电路倍压整流电路滤波电路电容滤波电路电感滤波电路复式滤波电路有源滤波电路稳压电路并联型硅稳压管稳压电路串联型稳压电路的稳压原理带有放大环节的串联型稳压电路稳压电源的质量指标提高稳压电源性能的措施 08 单元 正弦波振荡电路自激振荡原理自激振荡的条件自激振荡的建立和振幅的稳定正弦波振荡电路的组成LC 正弦波振荡电路变压器反

5、馈式振荡电路三点式 LC 振荡电路三点式 LC 振荡电路的构成原则电感三点式振荡电路电容三点式振荡电路克拉泼与席勒振荡电路（改进型电容三点式振荡电路）石英晶体振荡器石英晶体的基本特性和等效电路石英晶振：并联型晶体振荡电路石英晶振：串联型晶体振荡电路RC 振荡电路RC 相移振荡电路文氏电桥振荡电路09 单元 调制、解调和变频调制方式调幅调幅原理调幅波的频谱调幅波的功率调幅电路检 波小信号平方律检波大信号直线性检波调 频调频的特点调频波的表达式调频电路：变容二极管调频电路调频与调幅的比较鉴 频对称式比例鉴频电路不对称式比例鉴频电路变 频变频原理变频电路10 单元 无线广播与接受无线电广播与接收无线

6、电波的传播 超外差收音机超外差收音机方框图超外差收音机性能指标LC 谐振回路LC 串联谐振回路LC 并联谐振回路输入回路统 调中频放大电路自动增益电路整机电路分析本征半导体的导电特性常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。一、本征半导体的原子结构半导体锗和硅都是四价元素，其原子结构示意图如图 Z0102 所示。它们的最外层都有 4 个电子，带 4 个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一半导体导电特性导体、绝缘体和半导体自然界的各种物质就其导电性能来说、可以分为导体、绝缘体和半导体三大类

7、。导体具有良好的导电特性，常温下，其内部存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下做定向运动形成较大的电流。因而导体的电阻率很小，只有 金属一般为导体，如铜、铝、银等。绝缘体几乎不导电，如橡胶、陶瓷、塑料等。在这类材料中，几乎没有自由电子，即使受外电场作用也不会形成电流，所以，绝缘体的电阻率很大，在 以上。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒等，它们的电阻率通常在之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为 ，若按百万分之一的比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为 ，几乎降低了一百万倍。半导体具

8、有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。个整体，称为惯性核，如图 Z0101 所示。惯性核带有 4 个单位正电荷，最外层有 4 个价电子带有 4 个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。二、本征激发一般来说，共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子。理论和实验表明：在常温（T300K）下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能 EG（= 1.1eV ）的能量便可激发成为自由电子。本征锗的电离能更小，只有 0.72 eV。当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电

9、子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称为“空穴“。当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正点荷的载流子。 电子一空穴对本征激发复合：当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个“电子一空穴“对，这一相反过程称为复合。动态平衡：在一定温度条件下，

10、产生的“电子一空穴对“和复合的“电子一空穴对“数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时“电子一空穴对“维持一定的数目。可见，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子，这也是半导体与导体导电方式的不同之处。杂质半导体的导电特性本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为 N型半导体和 P 型半导体两种。一、N 型半导体在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的 5 价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占

11、据晶格上的某些位置。如图 Z0103 所示。由图可见，磷原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个价电子分别与邻近 4 个硅原子形成共价键结构，多余的 1 个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原PN 结一 、 PN 结 的 形 成在 一 块 完 整 的 硅 片 上 ， 用 不 同 的 掺 杂 工 艺 使 其 一 边 形 成 N型 半 导 体 ， 另 一 边 形 成 P 型 半 导 体 ， 那 么 在 两 种 半 导 体 交 界面 附 近 就 形 成 了 PN 结 ， 如 图 Z0105 所 示 。

12、 由 于 P 区 的 多 数载 流 子 是 空 穴 ， 少 数 载 流 子 是 电 子 ； N 区 多 数 载 流 于 是 电 子 ，少 数 载 流 子 是 空 穴 ， 这 就 使 交 界 面 两 侧 明 显 地 存 在 着 两 种 载流 子 的 浓 度 差 。 因 此 ， N 区 的 电 子 必 然 越 过 界 面 向 P 区 扩 散 ，并 与 P 区 界 面 附 近 的 空 穴 复 合 而 消 失 ， 在 N 区 的 一 侧 留 下 了一 层 不 能 移 动 的 施 主 正 离 子 ； 同 样 ， P 区 的 空 穴 也 越 过 界 面 向N 区 扩 散 ， 与 N 区 界 面 附 近 的

13、 电 子 复 合 而 消 失 ， 在 P 区 的 一侧 ， 留 下 一 层 不 能 移 动 的 受 主 负 离 子 。 扩 散 的 结 果 ， 使 交 界面 两 侧 出 现 了 由 不 能 移 动 的 带 电 离 子 组 成 的 空 间 电 荷 区 ， 因而 形 成 了 一 个 由 N 区 指 向 P 区 的 电 场 ， 称 为 内 电 场 。 随 着 扩散 的 进 行 ， 空 间 电 荷 区 加 宽 ， 内 电 场 增 强 ， 由 于 内 电 场 的 作用 是 阻 碍 多 子 扩 散 ， 促 使 少 子 漂 移 ， 所 以 ， 当 扩 散 运 动 与 漂 移 运 动 达 到 动 态 平 衡

14、时 ， 将 形 成 稳 定 的 空 间电 荷 区 ， 称 为 PN 结 。 由 于 空 间 电 荷 区 内 缺 少 载 流 子 ， 所 以 又 称 PN 结 为 耗 尽 层 或 高 阻 区 。二 、 PN 结 的 单 向 导 电 性PN 结 在 未 加 外 加 电 压 时 ， 扩 散 运 动 与 漂 移 运 动 处 于 动 态 平 衡 ， 通 过 PN 结 的 电 流 为 零 。 当 电 源 正 极接 P 区 ， 负 极 接 N 区 时 ， 称 为 给 pN 结 加 正 向 电 压 或 正 向 偏 置 ， 如 图 Z0106 所 示 。 由 于 PN 结 是 高 阻 区 ，而 P 区 和 N

15、区 的 电 阻 很 小 ， 所 以 正 向 电 压 几 乎 全 部 加 在 PN 结 两 端 。 在 PN 结 上 产 生 一 个 外 电 场 ， 其 方子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放 1 个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。在本征半导体中每掺入 1 个磷原子就可产生 1 个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称 N 型半导体。二、P 型半导体在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的 3 价元素

16、，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占据晶格上的某些位置，如图 Z0104 所示。由图可知，硼原子的 3 个价电子分别与其邻近的3 个硅原子中的 3 个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另 1 个硅原子的共价键中则缺少 1 个电子，出现了 1 个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使 3 价的硼原子获得了 1 个电子而变成负离子。同时，邻近共价键上出现 1 个空穴。由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。在本征半导体中每掺入 1 个硼原子就可以提供 1 个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流于

17、，而电子则成为少数载流子。显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称 P型半导体。向 与 内 电 场 相 反 ， 在 它 的 推 动 下 ， N 区 的 电 子 要 向 左 边 扩 散 ， 并 与 原 来 空 间电 荷 区 的 正 离 子 中 和 ， 使 空 间 电 荷 区 变 窄 。 同 样 ， P 区 的 空 穴 也 要 向 右 边 扩散 ， 并 与 原 来 空 间 电 荷 区 的 负 离 子 中 和 ， 使 空 间 电 荷 区 变 窄 。 结 果 使 内 电 场减 弱 ， 破 坏 了 PN 结 原 有 的 动 态 平 衡 。 于 是 扩 散 运 动 超 过 了 漂 移

18、 运 动 ， 扩 散又 继 续 进 行 。 与 此 同 时 ， 电 源 不 断 向 P 区 补 充 正 电 荷 ， 向 N 区 补 充 负 电 荷 ，结 果 在 电 路 中 形 成 了 较 大 的 正 向 电 流 IF。 而 且 IF 随 着 正 向 电 压 的 增 大 而 增大 。当 电 源 正 极 接 N 区 、 负 极 接 P 区 时 ， 称 为 给 PN 结 加 反 向 电 压 或 反 向 偏 置 。反 向 电 压 产 生 的 外 加 电 场 的 方 向 与 内 电 场 的 方 向 相 同 ， 使 PN 结 内 电 场 加 强 ，它 把 P 区 的 多 子 （ 空 穴 ） 和 N 区

19、的 多 子 （ 自 由 电 子 ） 从 PN 结 附 近 拉 走 ， 使PN 结 进 一 步 加 宽 ， PN 结 的 电 阻 增 大 ， 打 破 了 PN 结 原 来 的 平 衡 ， 在 电 场 作用 下 的 漂 移 运 动 大 于 扩 散 运 动 。 这 时 通 过 PN 结 的 电 流 ， 主 要 是 少 子 形 成 的漂 移 电 流 ， 称 为 反 向 电 流 IR。 由 于 在 常 温 下 ， 少 数 载 流 子 的 数 量 不 多 ， 故 反向 电 流 很 小 ， 而 且 当 外 加 电 压 在 一 定 范 围 内 变 化 时 ， 它 几 乎 不 随 外 加 电 压 的变 化 而

20、变 化 ， 因 此 反 向 电 流 又 称 为 反 向 饱 和 电 流 。 当 反 向 电 流 可 以 忽 略 时 ，就 可 认 为 PN 结 处 于 截 止 状 态 。 值 得 注 意 的 是 ， 由 于 本 征 激 发 随 温 度 的 升 高而 加 剧 ， 导 致 电 子 一 空 穴 对 增 多 ， 因 而 反 向 电 流 将 随 温 度 的 升 高 而 成 倍 增 长 。反 向 电 流 是 造 成 电 路 噪 声 的 主 ， 要 原 因 之 一 ， 因 此 ， 在 设 计 电 路 时 ， 必 须 考虑 温 度 补 偿 问 题 。综 上 所 述 ， PN 结 正 偏 时 ， 正 向 电 流

21、 较 大 ， 相 当 于 PN 结 导 通 ， 反 偏 时 ，反 向 电 流 很 小 ， 相 当 于 PN 结 截 止 。 这 就 是 PN 结 的 单 向 导 电 性 。 三 、 PN 结 的 击 穿 特 性当 PN 结 上 加 的 反 向 电 压 增 大 到 一 定 数 值 时 ， 反 向 电 流 突 然 剧 增 ， 这 种 现 象 称 为 PN 结 的 反 向 击 穿 。PN 结 出 现 击 穿 时 的 反 向 电 压 称 为 反 向 击 穿 电 压 ， 用 VB 表 示 。 反 向 击 穿 可 分 为 雪 崩 击 穿 和 齐 纳 击 穿 两类 。 1 雪 崩 击 穿当 反 向 电 压

22、较 高 时 ， 结 内 电 场 很 强 ， 使 得 在 结 内 作 漂 移 运 动 的 少 数 载 流 子 获 得 很 大 的 动 能 。 当 它 与 结内 原 子 发 生 直 接 碰 撞 时 ， 将 原 子 电 离 ， 产 生 新 的 “电 子 一 空 穴 对 “。 这 些 新 的 “电 子 一 空 穴 对 “， 又 被 强 电场 加 速 再 去 碰 撞 其 它 原 子 ， 产 生 更 多 的 “电 子 一 空 穴 对 “。 如 此 链 锁 反 应 ， 使 结 内 载 流 子 数 目 剧 增 ， 并 在反 向 电 压 作 用 下 作 漂 移 运 动 ， 形 成 很 大 的 反 向 电 流 。

23、 这 种 击 穿 称 为 雪 崩 击 穿 。 显 然 雪 崩 击 穿 的 物 理 本 质是 碰 撞 电 离 。2 齐 纳 击 穿齐 纳 击 穿 通 常 发 生 在 掺 杂 浓 度 很 高 的 PN 结 内 。 由 于 掺 杂 浓 度 很 高 ， PN 结 很 窄 ， 这 样 即 使 施 加 较 小的 反 向 电 压 （ 5V 以 下 ） ， 结 层 中 的 电 场 却 很 强 （ 可 达 左 右 ） 。 在 强 电 场 作 用 下 ， 会 强行 促 使 PN 结 内 原 子 的 价 电 子 从 共 价 键 中 拉 出 来 ， 形 成 “电 子 一 空 穴 对 “， 从 而 产 生 大 量 的

24、载 流 子 。 它 们在 反 向 电 压 的 作 用 下 ， 形 成 很 大 的 反 向 电 流 ， 出 现 了 击 穿 。 显 然 ， 齐 纳 击 穿 的 物 理 本 质 是 场 致 电 离 。采 取 适 当 的 掺 杂 工 艺 ， 将 硅 PN 结 的 雪 崩 击 穿 电 压 可 控 制 在 8 1000V。 而 齐 纳 击 穿 电 压 低 于 5V。在 5 8V 之 间 两 种 击 穿 可 能 同 时 发 生 。晶体二极管二极管的结构与伏安特性 晶 体 二 极 管 也 称 半 导 体 二 极 管 ， 它 是 在 PN 结 上 加 接 触 电 极 、 引 线 和 管 壳 封 装 而 成 的

25、 。 按其 结 构 ， 通 常 有 点 接 触 型 和 面 结 型 两 类 。 常 用 符 号 如 图 Z0107 中 V、 VD（ 本 资 料 用 D） 来表 示 。 点 接 触 型 适 用 于 工 作 电 流 小 、 工 作 频 率 高 的 场 合 ；（ 如 图 Z0108）面 结 合 型 适 用 于 工 作 电 流 较 大 、 工 作 频 率 较 低 的场 合 ； （ 如 图 Z0109）平 面 型 适 用 于 工 作 电 流 大 、 功 率 大 、 工 作 频 率 低的 场 合 。 （ 如 图 Z0110）按 使 用 的 半 导 体 材 料 分 ， 有 硅 二 极 管 和 锗 二 极

26、管 ；按 用 途 分 ， 有 普 通 二 极 管 、 整 流 二 极 管 、 检 波 二 极管 、 混 频 二 极 管 、 稳 压 二 极 管 、 开 关 二 极 管 、 光 敏 二 极 管 、 变 容 二 极 管 、 光 电 二 极 管 等 。 二 极 管 是 由 一 个 PN 结 构 成 的 ， 它 的 主 要 特 性 就 是 单 向 导 电 性 ， 通 常 主 要 用 它 的 伏 安 特 性来 表 示 。二 极 管 的 伏 安 特 性 是 指 流 过 二 极 管 的 电 流 iD 与 加 于 二 极 管 两 端 的 电 压 uD 之 间 的 关 系 或曲 线 。 用 逐 点 测 量 的

27、方 法 测 绘 出 来 或 用 晶 体 管 图 示 仪 显 示 出 来 的 U I 曲 线 ， 称 二 极 管 的 伏安 特 性 曲 线 。 图 Z0111 是 二 极 管 的 伏 安 特 性 曲 线 示 意 图 ， 依 此 为 例 说 明 其 特 性 。一 、 正 向 特 性由 图 可 以 看 出 ， 当 所 加 的 正 向 电 压 为 零 时 ， 电 流 为 零 ； 当 正 向 电 压 较 小 时 ， 由 于 外 电 场 远 不足 以 克 服 PN 结 内 电 场 对 多 数 载 流 子 扩 散 运 动 所 造 成 的 阻 力 ， 故 正 向 电 流 很 小 （ 几 乎 为 零 ） ，二

28、极 管 呈 现 出 较 大 的 电 阻 。 这 段 曲 线 称 为 死 区 。 当 正 向 电 压 升 高 到 一 定 值 U（ Uth ） 以 后 内 电 场 被 显 著 减 弱 ， 正 向 电 流 才 有 明 显 增 加 。U 被 称 为 门 限 电 压 或 阀 电 压 。 U 视 二 极 管 材 料 和 温 度 的 不 同 而 不 同 ， 常 温 下 ， 硅 管 一 般 为0.5V 左 右 ， 锗 管 为 0.1V 左 右 。 在 实 际 应 用 中 ， 常 把 正 向 特 性 较 直 部 分 延 长 交 于 横 轴 的 一 点 ，定 为 门 限 电 压 U 的 值 ， 如 图 中 虚

29、线 与 U 轴 的 交 点 。当 正 向 电 压 大 于 U 以 后 ， 正 向 电 流 随 正 向 电 压 几 乎 线 性 增 长 。 把 正 向 电 流 随 正 向 电 压 线性 增 长 时 所 对 应 的 正 向 电 压 ， 称 为 二 极 管 的 导 通 电 压 ， 用 UF 来 表 示 。 通 常 ， 硅 管 的 导 通 电压 约 为 0.6 0.8V （ 一 般 取 为 0.7V） ， 锗 管 的 导 通 电 压 约 为 0.1 0.3V （ 一 般 取 为 0.2V） 。二 、 反 向 特 性当 二 极 管 两 端 外 加 反 向 电 压 时 ， PN 结 内 电 场 进 一 步

30、 增 强 ， 使 扩 散 更 难 进 行 。 这 时 只 有 少数 载 流 子 在 反 向 电 压 作 用 下 的 漂 移 运 动 形 成 微 弱 的 反 向 电 流 IR。 反 向 电 流 很 小 ， 且 几 乎 不 随反 向 电 压 的 增 大 而 增 大 （ 在 一 定 的 范 围 内 ） ， 如 图 Z0111 中 所 示 。 但 反 向 电 流 是 温 度 的 函数 ， 将 随 温 度 的 变 化 而 变 化 。 常 温 下 ， 小 功 率 硅 管 的 反 向 电 流 在 nA 数 量 级 ， 锗 管 的 反 向 电流 在 A 数 量 级 。三 、 反 向 击 穿 特 性当 反 向

31、电 压 增 大 到 一 定 数 值 UBR 时 ， 反 向 电 流 剧 增 ， 这 种 现 象 称 为 二 极 管 的 击 穿 ，UBR（ 或 用 VB 表 示 ） 称 为 击 穿 电 压 ， UBR 视 不 同 二 极 管 而 定 ， 普 通 二 极 管 一 般 在 几 十 伏 以上 且 硅 管 较 锗 管 为 高 。击 穿 特 性 的 特 点 是 ， 虽 然 反 向 电 流 剧 增 ， 但 二 极 管 的 端 电 压 却 变 化 很 小 ， 这 一 特 点 成 为 制作 稳 压 二 极 管 的 依 据 。四 、 二 极 管 伏 安 特 性 的 数 学 表 达 式由 理 论 分 析 可 知 ， 二 极 管 的 伏 安 特 性 可 近 似 用 下 面 的 数 学 表 达 式 来 表 示 ：