华中科技大学模拟电子技术课件

模拟电子技术机电学部鲁艳旻目录第1章半导体器件第2章放大电路分析第3章场效应管放大电路第4章负反馈放大电路第5章集成运算放大器及其应用第6章信号产生电路第7章功率放大电路第8章直流电源第1章半导体器件第1章半导体器件1.1半导体基础知识1.2PN结及半导体二极管1.3半导体三极管1.4光电器件半导体材料半导体的共价键结构本征半导体杂质半导体1.1半导体基础知识半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。1.1半导体基础知识硅Si和锗Ge半导体材料半导体的共价键结构1.1半导体基础知识硅Si和锗Ge硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构半导体材料半导体的共价键结构本征半导体1.1半导体基础知识硅Si和锗Ge化学成分纯净的半导体，物理结构呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。电子--空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。半导体材料半导体的共价键结构本征半导体杂质半导体1.1半导体基础知识在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。硅Si和锗Ge半导体材料半导体的共价键结构本征半导体杂质半导体1.1半导体基础知识1.N型半导体N型半导体中自由电子是多数载流子，由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，五价杂质原子也称为施主杂质。硅Si和锗Ge半导体材料半导体的共价键结构本征半导体杂质半导体1.1半导体基础知识1.N型半导体

2.P型半导体P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，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。三价杂质原子因而也称为受主杂质。硅Si和锗Ge本节中的有关概念本征半导体、杂质半导体自由电子、空穴

N型半导体、P型半导体多数载流子、少数载流子施主杂质、受主杂质PN结PN结的形成PN结的单向导电性PN结的电容效应半导体二极管半导体二极管半导体二极管的应用1.2PN结及半导体二极管载流子的漂移与扩散PN结的形成漂移运动：在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。P型材料：多数载流子为空穴，少子为自由电子；N型材料：多数载流子为自由电子，少子为空穴。PN结的形成在一块本征半导体两侧掺入不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动

由杂质离子形成空间电荷区

PN结的形成对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少载流子，形成高阻状态，所以也称耗尽层或阻挡层。PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏;反之称为加反向电压,简称反偏。

1.PN结外加正向电压低电阻大的正向扩散电流2.PN结外加反向电压高电阻很小的反向漂移电流由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结的单向导电性一定温度下，由本征激发决定的少子浓度一定，故少子形成的漂移电流恒定，基本与所加反向电压大小无关，称为反向饱和电流。PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆

雪崩击穿

齐纳击穿

电击穿——可逆PN结的伏安特性3.PN结的击穿PN结的电容效应(1)势垒电容CBPN结的空间电荷区的电荷量随外加电压变化而变化。(2)扩散电容CDPN结外加正向电压，多数载流子在扩散过程中引起的空间电荷区的电荷量的变化。(3)结电容CJPN结正偏时，结电容以扩散电容为主；PN结反偏时，结电容基本等于势垒电容。PN结PN结的形成PN结的单向导电性PN结的电容效应半导体二极管半导体二极管半导体二极管的应用1.2PN结及半导体二极管半导体二极管1.半导体二极管的结构和符号在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管结构示意图

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。半导体二极管1.半导体二极管的结构和符号（a）面接触型（b）集成电路中的平面型（c）代表符号

(2)面接触型二极管PN结面积大，一般用于工频、大电流整流电路。半导体二极管2.二极管的伏安特性1.半导体二极管的结构和符号半导体二极管2.二极管的伏安特性①二极管的正向导通状态门坎电压UON：硅二极管0.5V，锗二极管0.1V。导通后电压：硅二极管0.7V，锗二极管0.2V。②二极管的反向截止状态反向饱和电流IS：电流值很小，基本不变。③二极管的反向击穿状态反向击穿电压UBR：普通二极管会因击穿过热，不可逆。1.半导体二极管的结构和符号半导体二极管2.二极管的伏安特性1.半导体二极管的结构和符号3.二极管的温度敏感性二极管对温度反映敏感。温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。4.二极管的主要参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压UBR(4)最大反向工作电流IR(3)最高反向工作电压UR半导体二极管的应用1.二极管伏安特性的建模将指数模型线性化，得到二极管特性的等效模型。（1）理想模型二极管是一种非线性器件，因而电路分析常采用模型分析法。半导体二极管的应用1.二极管伏安特性的建模（2）恒压模型半导体二极管的应用2.限幅电路分析方法：先断开二极管，分析P极和N极电位，判断二极管的状态（正偏或反偏），再用模型分析。电路如图：VDD=10V，R=10k

，分析电流ID。解：二极管正偏理想模型恒压模型（硅二极管典型值）半导体二极管的应用2.限幅电路电路如图，uI=6sin

tV，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅管。分别用理想模型和恒压模型，绘出相应的输出电压uO的波形。半导体二极管的应用2.限幅电路电路如图，uI=5sin

tV，R=1kΩ，E1=1V，E2=2V，用理想模型，绘出输出电压uO的波形。uO半导体二极管的应用3.开关电路Y=A+B分析方法：先判断多个二极管的状态（正偏或反偏），同时正偏时，电压大的二极管先导通，其它二极管再来判断状态。Y=A·B导通导通0截止导通5截止导通5导通导通5导通截止0导通导通0导通截止0截止截止5稳压二极管利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。1.符号及稳压特性稳压二极管(1)稳定电压UZ(2)动态电阻rZ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。rZ=

UZ/

IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大稳定工作电流

IZmax

和最小稳定工作电流IZmin(5)稳定电压温度系数

2.稳压二极管主要参数稳压二极管3.稳压电路

正常稳压时UO=UDZ三极管的结构及类型三极管的3种连接方式三极管的放大作用三极管的特性曲线三极管的主要参数温度对三极管参数的影响1.3半导体三极管三极管的结构及类型三极管的结构及类型三极管的3种连接方式（c）共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。（a）共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示；（b）共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；BJT的三种组态三极管的放大作用三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区掺杂多，多子浓度远大于基区多子浓度；基区很薄，掺杂少；集电区面积大，能尽可能收集多子。（2）外部条件：

发射结正向偏置，集电结反向偏置。三极管的放大作用1.内部载流子的传输过程发射区：发射载流子；集电区：收集载流子；基区：传送和控制载流子。（以NPN为例）三极管的放大作用2.电流的分配作用根据传输过程可知:IC=ICN+ICBO通常

IC>>ICBO

、

为电流放大系数，只与管子结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般

=0.90.99

。一般

>>1。IE=IB+IC三极管的放大作用3.放大作用已经制成的三极管，电流放大系数基本上是一定的。调节电阻RB，基极电流IB变化时，集电极电流IC也随之变化，其变化量的比值称为交流电流放大系数。IB微小的变化会引起IC较大的变化。三极管的特性曲线1.输入特性曲线（以共射极放大电路为例）

iB=f(uBE)

uCE=const(2)当uCE≥1V时，uCB=uCE

-uBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的uBE下IB减小，特性曲线右移。(1)当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。三极管的特性曲线2.输出特性曲线饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE＜0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。iC=f(uCE)

iB=const输出特性曲线的三个区域:截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，vBE小于死区电压。放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。三极管的主要参数(1)共发射极直流电流放大系数

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB

uCE=const1.电流放大系数

(2)共发射极交流电流放大系数

=

IC/

IB

uCE=const(4)共基极交流电流放大系数α

α=

IC/

IE

UCB=const当ICBO和ICEO很小时，≈

、≈

，可以不加区分。

(3)共基极直流电流放大系数

=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

三极管的主要参数

2.极间反向电流

(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，集电结的反向饱和电流。

(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

三极管的主要参数(1)集电极最大允许电流ICM(2)集电极最大允许功率损耗PCM

PCM=ICVCE

3.极限参数三极管的主要参数

3.极限参数(3)反向击穿电压

U(BR)CBO——发射极开路时的集电结反