华中师范大学模电(9).ppt

课程名称：模拟电子技术 课程类型：本科生必修课(专业基础课) 学生专业：物理学 学时学分：51学时，3学分 主讲教师：刘时进 办公地址：理科楼5楼，518室. 联系电话：62073358 预备知识：高等数学，电路分析，大学物理等,书山有路勤为径 学海无崖苦作舟,本课程的性质和任务 本课程是物理类、电子类专业在电子技术方面的入门性质的技术基础课。它的任务是使学生获得电子技术方面的基本理论、基本知识、基本技能，培养学生分析和解决问题的能力，为以后深入学习电子技术某些领域中的内容，以及为电子技术在专业中的应用打好基础。,课 程 介 绍,2. 本课程的特点 在学习本课程时，应注意以下几方面的特点： 规律性 电子电路是由电子器件和电阻、电容等电路元件按照一定的规律组合而成的，各种复杂的电子电路也都是由若干种基本电子电路组合而成，因此学习时要求熟记一些基本电子电路的结构和特性，并掌握它们的组合规律。 非线性 由于电子线路具有非线性特性，所以必须采用非线性电路的分析方法来分析电子线路。常用的有图解分析法和模型分析法。,课 程 介 绍,2. 本课程的特点 工程性 对于电子线路的分析与设计，采用精确的分析计算难度较大，往往不必要。因为电子器件的特性和参数分散性较大，而电路元件的参数也有一定的误差，因此工程上通常是先采用近似计算法对电路进行粗略的估算，然后通过实验调试来达到预定的设计要求。因此，该课程偏重工程应用，纯理论性的问题很少研究。,课 程 介 绍,工程实践的观点：相对于数学、物理等理论基础课来说，它更强调理论与实际的结合。正由于它着眼于解决错综复杂的实际问题，就有其独特的工程分析方法：,课 程 介 绍,近似法为突出主要矛盾，简化实际问题常采用的方法。如果对问题不作必要的近似忽略，片面追求“严密”， 那么必然使问题复杂化，甚至无法解决。而且由于电子 器件性能的分散和实际电路中各种寄生因素的影响，任何严格的计算都不能得到与实际完全相符的精确结果。,课 程 介 绍,等效法 一定条件下为转化矛盾采用的方法。如，将非线性器件在一定情况下等效为线性电路； 复杂的线性网络等效为电压源等等。 图解法 为直观形象地分析全局，确定工作状态或研究变化趋势所采用的方法。,2. 本课程的特点 实践性 电子技术是一门实践性很强的课程，这主要是因为影响电子电路工作的因素往往非常复杂，难以用简单的模型加以全面而精确的模拟。 因此，电子线路实验也是学生学习的重要环节，它对于培养和提高独立工作、解决实际问题的能力起着十分重要的作用。通过实验的学习，不仅能使学生具有进行科学实验的动手能力，而且还能培养出一丝不苟、严谨求实的科学研究作风。,课 程 介 绍,2. 本课程的特点 综上所述，由于实际的电子电路都不能靠单纯理论分析解决问题，最后解决问题的决定性步骤是实验调整。因此，电子学所采用的分析方法是：定性分析、定量估算、实验调整相结合。 对于“模拟电子技术”课程的这一特点，我们学习者要有充分的认识。,课 程 介 绍,3. 教学目标 能够对一般性的、常用的电子电路进行分析和计算，具有较强的读图能力和简单电子电路设计的能力。,课 程 介 绍,4. 课程内容 以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。,课 程 介 绍,5. 学习方法 课前预习，课堂理解，课后练习，温故知新； 把握重点，突破难点，注重特点，融会贯通； 重视实践，勤思多练，善于归纳，勇于创新。,6. 成绩考核 平时成绩：50% （其中，作业15%、期中测验20、考勤15） 考试成绩：50%,课 程 介 绍,7. 学习资源推荐 参考资料： 康华光 主编，电子技术基础（模拟部分） 第四版，北京：高等教育出版社，1999 童诗白主编，模拟电子技术基础 第二版，北京：高教出版社，1988 张畴先 主编，模拟电子技术常见题型解析及模拟题，西安：西北工业大学出版社，1998,课 程 介 绍,. 辅导答疑 时间：待定 地点：理科楼5楼 518室 EMAI：,7. 学习资源推荐 学习网站： /mdl/md0/mdindex.htm 18/dzdl/index.asp 0/course/43/43/ElecCAI/index.htm /netcollege/analog/index.htm,课 程 介 绍,. 辅导答疑 时间：待定 地点：理科楼5楼 518室 EMAI：,7. 学习资源推荐 学习网站： /mdl/md0/mdindex.htm /kejian/modian/11.htm 0/course/43/43/ElecCAI/index.htm /netcollege/analog/index.htm,基本概念,绪 论,电子线路： 指由各种电子元器件构成的、并能对电信号实现某种处理功能的电路。,电路组成：电子器件 + 外围电路,电子器件：二极管、三极管、场效应管、 集成电路。,外围电路：直流电源、电阻、电容、电流源电路等。,电子技术发展的四个阶段 ： 11906年电子管的问世和1948年晶体管的发明，揭开了电子电路的设计阶段； 电子管是电子器件的第一代，在晶体管发明以前的近半个世纪里，电子管几乎是各种电子设备中唯一可用的电子器件。电子技术随后取得的许多成就，如电视、雷达、计算机的发明，都是和电子管分不开的。 但电子管在体积、功耗、寿命等方面存在局限性。1948年，贝尔实验室宣布研制成晶体三极管。初期的晶体管是点触式的，制造比较困难，稳定性较差，但它毕竟是时代的标志。1957年，贝尔实验室的D.斯帕克斯发明面结型晶体管，克服了点触式晶体管的缺点，使得问世不久的晶体管的地位巩固下来。晶体管的发明将电子技术推向了一个新的阶段。电子技术在以后取得的许多成就，如集成电路、微处理器和微型计算机等，都是从晶体管发展而来的。,绪 论,电子技术发展的四个阶段 ： 21958年集成电路（IC）的诞生，跨入了新一代电路的逻辑设计阶段； 1958年，美国得克萨斯仪器公司宣布一种集成的振荡器问世，首次把晶体管和电阻、电容等集成在一块硅片上，构成了一个基本完整的单片式功能电路。1961年，美国仙童公司宣布制成一种集成的触发器。从此，集成电路获得了飞速的发展。集成电路的发明开创了集电子器件与某些电子元件于一体的新局面，使传统的电子器件概念发生了变化。这种新型的封装好的器件体积和功耗都很小，具有独立的电路功能，甚至具有系统的功能。集成电路的发明使电子技术进入了微电子技术时期，是电子技术发展的一次重大飞跃。,绪 论,电子技术发展的四个阶段 ： 31975年以后超大规模集成电路（VLSI）的推出，将电子技术引向IC的系统设计与相关的软件设计阶段； 4面向21世纪的以微电子为基础、以计算机和通信为媒体的新阶段。,绪 论,两个概念与两个定理 ： 1信号及其分类 信号是信息的载体。由于信号为时间t的函数，故按照t的连续或离散，将信号分为连续信号与离散信号。 对于连续信号，当函数值f(t)连续时，称为模拟信号；而当函数值f(t)离散时，称为量化信号。 对于离散信号，当函数值f(t)连续时，称为抽样信号；而当函数值f(t)离散时，称为数字信号。,绪 论,2线性电路和非线性电路 参数与电压、电流无关的元件称为线性元件（如R、L、C）。 由电源和线性元件组合而成的电路，属于线性电路。线性电路的方程是线性代数方程或线性微分（积分）方程。 不能用线性方程来描述其特性的电路称为非线性电路，例如大部分含电子器件的电路就属于非线性电路。,绪 论,3叠加定理 线性电路中任一支路的电流等于各个源单独作用下所产生的电流之和，称为叠加定理。这里所说的源单独作用，是指对应的其它源应视为零值，即独立电压源短路，独立电流源开路，而全部受控源则必须保留。 叠加定理不仅适用于支路电流，也适用于电路任意两点间的电压，因为任意两点间的电压总是可以表示为支路电流的线性组合。,绪 论,4戴维南定理 1883年，法国人戴维南提出“任一复杂的集总参数含源线性时不变二端网络可等效为一个简单的二端网络“。由于1853年德国人亥姆霍兹也曾提出过，因而又称亥姆霍兹戴维南定理。 任一线性有源一端口网络，对其余部分而言，可以简化为一个电压源Vs和电阻Ro相串联的电路。Vs的大小等于该一端口网络的开路电压，Ro等于该一端口网络内所有独立源均为零值时从端口视入的电阻。,绪 论,使用戴维南定理时，有两个问题必须注意： 1）由戴维南定理所得的等效电路，仅对网络的外部电路等效，亦即只适用于计算外部电路的电压和电流，而不适用于计算网络内部的电压和电流。 2）只要一端口网络内部是线性的，外部电路即使是含有非线性元件的非线性电路，戴维南定理同样适用。,绪 论,叠加定理和戴维南定理是线性电路两个非常重要的定理。,本章学习目标,熟练掌握： （1）普通半导体二极管、稳压管的外特性，及其主要参数； （2）双极型（半导体三极管）、单极型三极管（场效应管） 的外特性，及其主要参数； 正确理解： （1）半导体器件的结构特点； （2）普通二极管、稳压管的PN结； （3）双极型、单极型三极管的工作原理,第一章 常用半导体器件,在了解半导体之前我们首先要知道一些物质导电性的基本知识。物质为什麽会导电？,物质的导电性是由原子结构决定的，一般只有低价元素才导电，像：铁、铜、铝等金属。它们的最外层电子受原子核的束缚力很小，因而很容易脱离原子核的束缚变成自由电子。在外电场的作用下，这些自由电子会产生定向移动，就会产生电流，这样物质就具有了导电性。 高价元素的最外层电子受原子核的束缚力很强，不容易成为自由电子，因此它们的导电性很差。经常被作为绝缘体。 半导体的导电性介于导体与绝缘体之间。,第一章 常用半导体器件,第一章 常用半导体器件,常用的半导体材料有锗和硅，它们都是四价元素。原子结构的最外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。 将锗或硅材料提纯后形成的完全纯净、具有晶体结构的半导体就是本征半导体。,1.1 半导体的基础知识,半导体的导电能力在不同条件下有很大差别。一般来说，本征半导体相邻原子间存在稳固的共价键，导电能力并不强。 但有些半导体在温度增高、受光照等条件下，导电能力会大大增强，利用这种特性可制造热敏电阻、光敏电阻等器件。 更重要的是，在本征半导体中掺入微量杂质后，其导电能力就可增加几十万乃至几百万倍，利用这种特性就可制造二极管、三极管等半导体器件。,第一章 常用半导体器件,第一章 常用半导体器件,半导体的这种与导体和绝缘体截然不同的导电特性是由它的内部结构和导电机理决定的。 在半导体共价键结构中，价电子（原子的最外层电子）不像在绝缘体（8价元素）中那样被束缚得很紧，在获得一定能量（温度增高、受光照等）后，即可摆脱原子核的束缚（电子受到激发），成为自由电子，同时共价键中留下的空位称为空穴。,第一章 常用半导体器件,在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流。也就是说，在半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，这是半导体和金属在导电机理上的本质区别。,本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合，在一定温度下达到动态平衡，载流子便维持一定数目。温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。 相对而言，本征半导体中载流子数目极少，导电能力仍然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。,第一章 常用半导体器件,N型半导体中掺入的杂质为磷或其他五价元素，磷原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子。,第一章 常用半导体器件,自由电子,简化模型：,P型半导体中掺入的杂质为硼或其他三价元素，硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子。 应当注意，不论是N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是电中性的。,第一章 常用半导体器件,空穴,简化模型：,由于P型半导体中掺入的杂质是从其他硅原子中夺取价电子，所以掺入的杂质也叫受主杂质。在室温下，受主杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子。,第一章 常用半导体器件,同理，由于N型半导体中掺入的杂质是导电电子的主要来源，所以掺入的杂质也叫施主杂质。在室温下，施主杂质电离为带负电的电子和带正电的施主离子。,第一章 常用半导体器件,P型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。我们通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，在P型和N型半导体的交界面就会形成PN结，而PN结就是构成各种半导体器件的基础。,第一章 常用半导体器件,第一章 常用半导体器件,N 型,E内,为便于理解，图中P区仅画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的三价杂质负离子，N区仅画出自由电子（多数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离子。,根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区，也就是PN结，又叫耗尽层。,第一章 常用半导体器件,正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向P区的电场，称为内电场，它对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。 同时，内电场对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）则可推动它们越过空间电荷区，这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。,第一章 常用半导体器件,扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。,第一章 常用半导体器件,PN结具有单向导电的特性，这也是由其构成的半导体器件的主要工作机理。,第一章 常用半导体器件,如果在PN结上加正向电压，外电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（由P区流向N区的正向电流）。在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻很低，即PN结处于导通状态。,第一章 常用半导体器件,如果在PN结上加反向电压，外电场与内电场的方向一致，扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，于是空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难于进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，PN结的反向电阻很高，即PN结处于截止状态。,第一章 常用半导体器件,由以上我们可以看出： PN结在正向电压作用下，处于导通状态，在反向电压的作用下，处于截止状态，因此PN结具有单向导电性。 它的电流和电压的关系通式为： ID为流过PN结的电流，U为PN结两端的电压，UT=kT/q称为温度电压当量，其中，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电量，在室温下（300K）时UT=26mv，IS为反向饱和电流。 它被称为伏安特性方程，其对应的伏安特性曲线为：,第一章 常用半导体器件,将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。 P区对应的称为阳极（或正极），N区对应的称为阴极（或负极）。 二极管按结构分有点接触型、面