模电数电ch2-1_yy

1、主讲教师：杨云联系方式：学院：信息工程学院班级：网络工程1101/02班第二部分第二部分 模拟电子技术模拟电子技术课程内容：课程内容：2-1 半导体器件基础半导体器件基础2-2 放大电路基础放大电路基础2-3 放大电路中的反馈放大电路中的反馈2-4 集成运算放大器集成运算放大器2-5 正弦波振荡电路正弦波振荡电路2-6 直流稳压电源直流稳压电源重点和难点：重点和难点：重点：晶体二极管，晶体三极管，场效应管，基本共射放大电路以及分析，集成运算放大器难点：放大电路的静态和动态分析方法，集成运放的基本运算电路2-1 半导体器件基础半导体器件基础1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识本征和杂质半导体

2、，本征和杂质半导体，PN结及其单向导电性结及其单向导电性1.2 晶体二极管晶体二极管二极管的特性，二极管的特性，VAR和等效电路，主要参数，和等效电路，主要参数，温度特性，应用温度特性，应用1.4 场效应管场效应管场效应管的特性，主要参数场效应管的特性，主要参数1.3 晶体三极管晶体三极管三极管的特性，电流分配与放大作用，三极管的特性，电流分配与放大作用，VAR和等和等效电路，主要参数效电路，主要参数1. 1. 二极管的特性与应用二极管的特性与应用3. 3. 场效应管的特性场效应管的特性l 重点重点：2. 2. 三极管的特性三极管的特性基本要求：基本要求：了解PN结的单性导电性原理，掌握二极管

3、的电流方程、伏安特性，理解温度对它们的影响。学会分析二极管应用电路的方法，了解稳压管。了解三极管放大的内部原因和外部条件，掌握三极管的共射输入、输出特性，了解温度对它们的影响。理解晶体管三个工作区的特点，学会判断电路中晶体管工作状态的方法。与三极管比较，了解场效应管的特性，掌握场效应管三个工作区域的特点。难难 点：点：二极管的应用，三极管的放大作用1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：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的物质称为导体导体，金属金属一般都是导体一般都是导体。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，如橡如橡

4、皮、陶瓷、塑料和石英皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘处于导体和绝缘体之间，称为半导体体之间，称为半导体，如，如锗、硅、锗、硅、砷化镓砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。1.1 半导体的特性半导体半导体的导电机理不同于其它物质，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不同于其它物质的特点特点。例如：。例如： 当受外界当受外界热和光热和光的作用时，它的的作用时，它的导电能导电能 力明显变化力明显变化。 往纯净的半导体中往纯净的半导体中掺入某些杂质掺入某些杂质，会使，会使 它的它的导电能力明显改变

5、导电能力明显改变。1.1.2 本征半导体本征半导体本征半导体的结构特点本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗硅和锗，它们，它们的最外层电子（价电子）都是的最外层电子（价电子）都是四个四个。本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的

6、顶点，每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能

7、力很弱本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+41.1.3 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中在本征半导体中掺入某些微量的杂质掺入某些微量的杂质，就会，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体

8、，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷掺入少量的五价元素磷（或锑），（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成

9、为自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓

10、度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼掺入少量的三价元素，如硼（或铟），（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼

11、的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。1.1.4 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造

12、P 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动

13、最终达到平衡，所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV01.1.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（都是少都是少），），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

14、成的电流很小。注意注意: :1.1.5 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是： P 区区加正、加正、N 区加负电压。区加负电压。 PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。总结：正向偏置时呈导通状态，反向偏置时呈截止状态+RE一、一、PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_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。二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内

15、电场外电场外电场变厚变厚NP+_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。RE1.2.1 半导体二极管半导体二极管一、基本结构一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号二极管的电路符号VDVD：1.2 半导体二极管 二、伏安特性二、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降

16、: : 硅硅管管0.7V,锗管锗管0.2V。反向击穿反向击穿电压电压UBR(1)TVVsIIe二极管的等效电路 1). 将伏安特性折线化理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止截止时时IS0导通时导通时i与与u成成线性关系线性关系应应根据不同情况选择不同的等效电路！根据不同情况选择不同的等效电路！DTDDdIUiur根据电流方程，Q越高，越高，rd越小。越小。 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等

17、效电路。管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流2). 微变等效电路微变等效电路二极管电路模型二极管电路模型 教材p18-19 图2.8，2.9，2.10二极管的温度特性：温度升高，反向电流呈指数增加。T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移三、主要参数三、主要参数1. 最大整流电流最大整流电流 Ir二极管长期使用时，允许流过二极管的最大二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。正向平均电

18、流。2. 反向击穿电压反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电最高反向工作电压压UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。3. 反向电流反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅温度的

19、影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。保护等等。下面介绍两个交流参数。下面介绍两个交流参数。4. 微变电阻微变电阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工作点作点Q 附近电压的变化与附近电压的变化与电流的变化之比：电流的变化之比：DDDiur显然，显然，rD是对是对Q附近

20、的微小附近的微小变化区域内的电阻。变化区域内的电阻。二极管电路分析方法二极管电路分析方法 1）假设二极管截止（即断开二极管） 2）确定二极管两端的电位差，如果正负极间电压为正，且大于阀值（硅管0.7V,锗管0.2V,理想二极管为0V），则二极管导通，否则二极管截止 3）如果电路中含多个二极管，假设所有二极管断开，确定所有二极管两端电位差，再令电位差最大且为正的二极管优先导通，然后令二极管导通端电压为阀值，重复以上步骤计算其他二极管的端电压，判断其工作状态。二极管：二极管：死区电压死区电压=0 .5V，正向压降正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0

21、，正向压降，正向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管半波整流一、一、 稳压二极管稳压二极管UIIZIZmax UZ IZ稳压稳压误差误差曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。+-UZ动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压越小，稳压性能越好。性能越好。1.2.5 特殊二极管特殊二极管（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗maxZZZMIUP稳压二极管的参数稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/） 稳压

22、值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻ZZIUZr二、二、光电二极管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照度增加照度增加三、三、发光二极管发光二极管有正向电流流过有正向电流流过时，发出一定波长时，发出一定波长范围的光，目前的范围的光，目前的发光管可以发出从发光管可以发出从红外到可见波段的红外到可见波段的光，它的电特性与光，它的电特性与一般二极管类似。一般二极管类似。1.3.1 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型1.3 半导

23、体三极管BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结becIBIEICNPN型三极管型三极管becIBIEICPNP型三极管型三极管三极管的电压与电流方向：+-+-+-+-+VBCVBEVCEVBCVBEVCE1.3.2 三极管的放大原理三极管的放大原理 放大条件：放大条件： 放大内部条件-基区很薄，掺杂浓度低；发射区很厚，掺杂浓度高；集电区浓度更低，集电结面积大。（结构） 放大外部条件：外加电压保证发射结正偏，集电结反偏。（电压） 对NPN型：c B E Si管：BE=0.7V Ge管：BE=0.2V对PNP型：c BIC，UCE 0.3V称为饱和区。称为饱和区。IC

24、(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止区：截止区：发射结反偏，集电结反偏。发射结反偏，集电结反偏。等效为断等效为断开的开关。开的开关。 UBE0时时UGS足够大时足够大时（UGSVT）感感应出足够多电子，应出足够多电子，这里出现以电子这里出现以电子导电为主的导电为主的N型型导电沟道。导电沟道。感应出电子感应出电子VT称为阈值电压称为阈值电压三、增强型三、增强型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSVT输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS0四、四、N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS管的特性曲线管的特性曲线耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。电压才能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSVT输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS=0UGS0场效应管的小结：工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性)0(P)0(N)00(