FAP第五章集成运算放大器.ppt

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1、模拟电子技术理论部分：理论部分：50课时课时实操部分：实操部分：40课时（分班）课时（分班）教师：吴楚珊教师：吴楚珊TEL：（：（674032）E-MAIL：理论部分：理论部分：50课时课时实操部分：实操部分：40课时（分班）课时（分班）教师：吴楚珊教师：吴楚珊TEL：（：（674032）E-MAIL：第一章第一章 半导体器件基础半导体器件基础1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 半导体三极管半导体三极管1.4 BJT1.4 BJT模型模型1.5 1.5 场效应管场效应管导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电

2、的物质称为导体导体绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一些硫化物、氧化物等。1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识金属一般都是导体。金属一般都是导体。在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、导体、绝缘体和半导体。绝缘体和半导体。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体半导体的导电机理不同

3、于其它物质，所以它具有的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。硅原子硅原子锗原子锗原子硅硅和和锗锗最最外外

4、层层轨轨道道上上的的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱，征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。接近绝缘体。一.本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。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%，常常称为称为“九个九个9”。这一现象称为这一现象称为本征

5、激发本征激发，也称也称热激发热激发。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，束束缚缚电电子子能能量量增增高高，有有的的电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自自由由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。外加能量越高（外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多。自由电子自由电子+

6、4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对动画演示自由电子和空穴本征激发本征激发与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：锗：锗：自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流导电机制导电机制动画演示动画演示空穴的移动空穴的移动本征半导体的导

7、电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制二二.杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.1.N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为如磷，砷等，称为N型半导体型半导体。N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体自由电子自由

8、电子电子空穴对电子空穴对 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子多数载流子多数载流子 空穴（多子）空穴（多子）少数载流子少数载流子自由电子（少子）自由电子（少子）2.2.P型半导体型半导体杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散

9、，促使少子漂移。PNPN结合结合空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层三三.PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1.PN结的形成结的形成 PN结结少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，E动态平衡：动态平衡：扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0 电子电子flash/%E7%94%B5%E5%AD%90FLASH/PN%E7%BB%93%E7%9A%84%E5%BD%A2%E6%88%90%5b5%5d.avi:PN结的结的形成形成1 1

10、、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2 2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴、中的空穴、N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3 3、P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少子都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。，数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意:+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0势垒势垒 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V2.PN结的单向导电性结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负

11、极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F正向电流正向电流 内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。(2)加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形

12、成反向电流I I R RPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外加基本上与外加反压的大小无关反压的大小无关，所以称所以称为为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温与温度有关。度有关。内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。PN结加正向电压时，具有较结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电大的正

13、向扩散电流，呈现低电阻，阻，PN结导通；结导通；PN结加反向电压时，具有结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现很小的反向漂移电流，呈现高电阻，高电阻，PN结截止。结截止。3.PN结结的伏安特性曲线及表达式的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，根据理论推导，PNPN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管 二极管二极管=PN结结+管壳管壳+引线引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极-半导体二极管的型号半导体二极管

14、的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge，C为为N型型Si，D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。一一、半导体二极管的、半导体二极管的VA特性曲线特性曲线 硅：硅：0.5 V 锗：锗：0.1 V(1)正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2)反向特性反向特性死区死区电压

15、电压击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3V二二.二极管的模型及近似分析计算二极管的模型及近似分析计算例：例：IR10VE1kD非线性器件非线性器件iuRLC线性器件线性器件二极管的模型二极管的模型DU串联电压源模型串联电压源模型U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。理想二极管模型理想二极管模型正偏正偏反偏反偏导通压降导通压降二极管的二极管的VA特性特性二极管的近似分析计算二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：例：串联电压源模型串联电压源模型测量值测量值 9.32m

16、A相对误差相对误差理想二极管模型理想二极管模型RI10VE1k相对误差相对误差0.7V例例：二二极极管管构构成成的的限限幅幅电电路路如如图图所所示示，R1k，UREF=2V，输入信号为，输入信号为ui。(1)若若 ui为为4V的的直直流流信信号号，分分别别采采用用理理想想二二极极管管模模型型、理理想二极管串联电压源模型计算电流想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。（2）如如果果ui为为幅幅度度4V的的交交流流三三角角波波，波波形形如如图图（b）所所示示，分分别

17、别采采用用理理想想二二极极管管模模型型和和理理想想二二极极管管串串联联电电压压源源模模型分析电路并画出相应的输出电压波形。型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：解：采用理想二极管采用理想二极管模型分析。波形如图所示。模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采采用用理理想想二二极极管管串串联联电电压压源源模模型型分分析析，波波形形如图所示。如图所示。三三.二极管的主要参数二极管的主要参数(1)最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。电流的平均

18、值。(2)反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。(3)反向电流反向电流I IR R 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管级；锗二极管在微安在微安(A)级。级。当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在反向击穿状态下反向击穿状态下,工作工作电流电流IZ在在Izmax和和Izmin之间变化时之间变化时,其两端电其两端电压近似为常数压近似为常数稳定稳定电压电压四、稳压二极

19、管四、稳压二极管(P17)稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管正向同正向同二极管二极管反偏电压反偏电压UZ 反向击穿反向击穿UZ限流电阻限流电阻 稳压二极管的主要稳压二极管的主要 参数参数(1)稳定电压稳定电压UZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。rZ=U/I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)(3)最小稳定工作最小稳定工作 电流电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若保证稳压管击穿所对应的电流，若IZI

20、Zmin则不能稳压。则不能稳压。(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流IZmax 超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压二极管应用注意事项：稳压二极管应用注意事项：（1）稳压二极管接反向电压，保证其工作在反向稳压二极管接反向电压，保证其工作在反向 击穿区击穿区（2）应用时应串接限流电阻，防止管子被击穿）应用时应串接限流电阻，防止管子被击穿（3）因稳定值不同，稳压管不能并联使用）因稳定值不同，稳压管不能并联使用负载电阻负载电阻 。要求要求当输入电压由正常值发当输入电压由正常值发生生 20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应

21、用举例稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为流为Izmax。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。方程方程1令输入电压降到下限时，令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为流过稳压管的电流为Izmin。方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：五、光电二极管五、光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加五、发光二极管五、发光二极管有正向电流流过有正向电流

22、流过时，发出一定波长范时，发出一定波长范围的光，目前的发光围的光，目前的发光管可以发出从红外到管可以发出从红外到可见波段的光，它的可见波段的光，它的电特性与一般二极管电特性与一般二极管类似。类似。小结小结1半半导导体体材材料料中中有有两两种种载载流流子子：电电子子和和空空穴穴。电电子子带带负负电电，空空穴穴带带正正电电。在在纯纯净净半半导导体体中中掺掺入入不不同同的的杂杂质，可以得到质，可以得到N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。2采采用用一一定定的的工工艺艺措措施施，使使P型型和和N型型半半导导体体结结合合在在一一起起，就就形形成成了了PN结结。PN结结的的基基本本特特点点是是单单向向导导电电性。性。3二二极极管管是是由由一一个个PN结结构构成成的的。其其特特性性可可以以用用伏伏安安特特性性和和一一系系列列参参数数来来描描述述。在在研研究究二二极极管管电电路路时时，可可根据不同情况，使用不同的二极管模型。根据不同情况，使用不同的二极管模型。