模擬電子技術基礎(第四版)課程1.1-1.2

1、一、課程特點 1、工程性工程性 強調定性分析。強調定性分析。允許有一定誤差。允許有一定誤差。 電子電路的定量分析稱為電子電路的定量分析稱為“估算估算”。 電子電路歸根結底是電路。電子電路歸根結底是電路。建模后，可用電路的基本理論分析模擬電路。建模后，可用電路的基本理論分析模擬電路。2. 實踐性實踐性 實用的模擬電子電路幾乎都需要進行調試實用的模擬電子電路幾乎都需要進行調試才能達到預期的目標，因而要掌握以下方法：才能達到預期的目標，因而要掌握以下方法： 常用電子儀器的使用方法常用電子儀器的使用方法 電子電路的測試方法電子電路的測試方法 故障的判斷與排除方法故障的判斷與排除方法二、如何學習這門課程

2、 基本概念基本概念：概念是不變的概念是不變的, ,應用是靈活的應用是靈活的: “: “萬變不離其宗萬變不離其宗” 基本電路基本電路：構成的原則是不變的，具體電路多種多樣構成的原則是不變的，具體電路多種多樣 基本方法基本方法：在基本概念指導下，基本電路的基本分析步驟在基本概念指導下，基本電路的基本分析步驟重基礎！重基礎！3 多級放大電路多級放大電路1 常用半導體器件常用半導體器件2 基本放大電路基本放大電路4 集成運算放大電路集成運算放大電路5 放大電路的頻率響應放大電路的頻率響應6 放大電路中的反饋放大電路中的反饋7 信號的運算與處理信號的運算與處理8 波形的發(fā)生和信號的轉換波形的發(fā)生和信號的

3、轉換9 功率放大電路功率放大電路10 直流電源直流電源第一章半導體器件第一章半導體器件1.1半導體基礎知識半導體基礎知識1.2半導體二極管半導體二極管1.3晶體晶體(雙極型雙極型)三極管三極管( (BJT) )1.4場效應管場效應管1.1半導體基礎知識半導體基礎知識1. 導體：導體：電阻率電阻率 109 cm 物質。如橡膠、物質。如橡膠、塑料等。塑料等。3. 半導體：半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物導電性能介于導體和絕緣體之間的物質。半導體器件所用的主要材料是硅質。半導體器件所用的主要材料是硅( (Si) )和鍺和鍺( (Ge) )。半導體導電性能是由其原子結構決定的。半導體導電性能是

4、由其原子結構決定的。硅原子結構硅原子結構 硅原子結構硅原子結構( (a) )硅的原子結構圖硅的原子結構圖最外層電子稱最外層電子稱價電子價電子 價電子價電子鍺原子也是鍺原子也是 4 價元素價元素4 價元素的原子用帶有價元素的原子用帶有+4電荷的電荷的正離子和周圍正離子和周圍 4個價電子表示個價電子表示+4( (b) )簡化模型簡化模型1.1.1本征半導體本征半導體 +4+4+4+4+4+4+4+4+4完全純凈的、不含其他雜質且具有晶體結構的半導完全純凈的、不含其他雜質且具有晶體結構的半導體稱為體稱為本征半導體本征半導體。 通過特殊工藝，通過特殊工藝，可可使硅或鍺材料形成使硅或鍺材料形成晶體結構，

5、每個原子晶體結構，每個原子與周圍的與周圍的4個原子以個原子以共價鍵的形式緊密結共價鍵的形式緊密結合著，并排列成整齊合著，并排列成整齊的晶格結構。的晶格結構。價價電電子子共共價價鍵鍵 單晶體中的共價鍵結構單晶體中的共價鍵結構當溫度當溫度 T = 0 K 時，半導時，半導體不導電，如同絕緣體。體不導電，如同絕緣體。+4+4+4+4+4+4+4+4+4 本征半導體中的本征半導體中的 自由電子和空穴自由電子和空穴自由電子自由電子空穴空穴若若 T ，由于本征激發(fā)，由于本征激發(fā)，將有少數(shù)價電子克服共價將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為鍵的束縛成為自由電子自由電子，在原來的共價鍵中留下一在原來的共價鍵中留下

6、一個空位個空位空穴空穴T 自由電子自由電子和和空穴空穴使使本征半導本征半導體具有導電能力：很微弱體具有導電能力：很微弱空穴可看成帶正電的載流子空穴可看成帶正電的載流子1. 半導體中兩種載流子半導體中兩種載流子帶負電的帶負電的自由電子自由電子帶正電的帶正電的空穴空穴 2. 本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為稱為 電子電子 - 空穴對。空穴對。3. 本征半導體中本征半導體中自由電子自由電子和和空穴空穴的濃度的濃度用用 ni 和和 pi 表示，顯然表示，顯然 ni = pi 。4. 自由電子和空穴不斷產生、不斷復合。自由電子和空穴不斷產生、不斷復

7、合。在一定在一定T下下,產生與復合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了產生與復合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了5.本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。載載流子濃度與流子濃度與T密切相關：密切相關：T升高，其按指數(shù)規(guī)律增加。升高，其按指數(shù)規(guī)律增加。本征半導體的特性本征半導體的特性-小結：小結：1.1.2雜質半導體雜質半導體雜質半導體：雜質半導體：N 型半導體型半導體P 型半導體型半導體一、一、 N 型半導體型半導體在硅或鍺的晶體中摻入少量的在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價價雜質元素，如磷、雜質元素，如磷、銻、砷等，即構成銻、砷等，即構成 N 型

8、半導體型半導體( (或稱電子型半導體或稱電子型半導體) )。 本征半導體摻入本征半導體摻入 5 價元價元素后，原來晶體中的某些硅素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質原子代替。雜原子將被雜質原子代替。雜質原子最外層有質原子最外層有 5 個價電子，個價電子，其中其中 4 個與硅構成共價鍵，個與硅構成共價鍵，多余一個電子只受自身原子多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為核吸引，在室溫下即可成為自由電子。自由電子。5 價雜質原子稱為價雜質原子稱為施主原子；施主原子；自由電子濃度遠大于空穴的濃度，即自由電子濃度遠大于空穴的濃度，即 n p ：電子稱為多電子稱為多數(shù)載流子數(shù)載流子( (簡稱多子簡

9、稱多子) )，空穴稱為少數(shù)載流子空穴稱為少數(shù)載流子( (簡稱少子簡稱少子) )。二、二、 P 型半導體型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3 價價雜質元素，如雜質元素，如硼、鎵、銦等，即構成硼、鎵、銦等，即構成 P 型半導體型半導體。+3空穴濃度大于電子濃度，空穴濃度大于電子濃度，即即 p n。空穴為多數(shù)空穴為多數(shù)載流子載流子，電子為少數(shù)載，電子為少數(shù)載流子。流子。3 價雜質原子稱為價雜質原子稱為受主原子。受主原子。受主受主原子原子空穴空穴 P 型半導體的晶體結構型半導體的晶體結構說明：說明：1. 摻入雜質的濃度決定多數(shù)載流子濃度；

10、溫度決摻入雜質的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度定少數(shù)載流子的濃度。 3. 雜質半導體的簡化表示方法：雜質半導體的簡化表示方法：2. 雜質半導體雜質半導體載流子的數(shù)目載流子的數(shù)目要遠遠高于本征半導要遠遠高于本征半導體，因而其導電能力大大改善。體，因而其導電能力大大改善。( (a) )N 型半導體型半導體( (b) ) P 型半導體型半導體 雜質半導體的的簡化表示法雜質半導體的的簡化表示法1.1.3PN 結及其單向導電性結及其單向導電性 在一塊半導體的一側摻雜成為在一塊半導體的一側摻雜成為 P 型半導體，另一側型半導體，另一側摻雜成為摻雜成為 N 型半導體，兩個區(qū)域的交界處就形成

11、了一個型半導體，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，特殊的薄層，稱為稱為 PN 結結。 PNPN結結 PN 結的形成結的形成 一、一、PN 結中載流子的運動結中載流子的運動耗盡層耗盡層空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN1. 擴散運動擴散運動2. 擴散運動擴散運動形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)電子和空穴濃度電子和空穴濃度差形成差形成多數(shù)載流多數(shù)載流子的擴散運動。子的擴散運動。PN 結，耗盡層結，耗盡層PN3. 空間電荷區(qū)產生內電場空間電荷區(qū)產生內電場PN空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內電場內電場UD空間電荷區(qū)正負離子之間電位差空間電荷區(qū)正負離子之間電位差 UD 電位壁壘電位壁壘； 內電場內電場；內電場阻止多子的擴

12、散；內電場阻止多子的擴散 阻擋層阻擋層。4. 漂移運動漂移運動內電場有利于少內電場有利于少子運動子運動漂移。漂移。少子的運動與多少子的運動與多子相反子相反 阻擋層阻擋層5. 擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減?。粩U散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減?。浑S著內電場的增強，漂移運動逐漸增加；隨著內電場的增強，漂移運動逐漸增加；空間電荷區(qū)的寬度約為幾微米空間電荷區(qū)的寬度約為幾微米 幾十微米；幾十微米；擴散運動最終與漂移運動達到動態(tài)平衡。擴散運動最終與漂移運動達到動態(tài)平衡。電壓壁壘電壓壁壘 UD，硅材料約為，硅材料約為( (0.6 0.8) ) V,

13、鍺材料約為鍺材料約為( (0.2 0.3) ) V。1. 外加正向電壓外加正向電壓又稱正向偏置，簡稱正偏。又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向外電場方向內電場方向內電場方向空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)VRI外電場將多子推向空間電外電場將多子推向空間電荷區(qū)荷區(qū),使其變窄使其變窄,消弱內電消弱內電場場,破壞原平衡破壞原平衡,加劇擴散加劇擴散運動運動,產生較大正向電流產生較大正向電流PN在在 PN 結加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的結加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，接入電阻正向電流，為防止電流過大，接入電阻 R。2. 外加反向電壓外加反向電壓( (反偏反偏) )空間電荷區(qū)

14、空間電荷區(qū)PN外電場方向外電場方向內電場方向內電場方向VRIS 反相偏置的反相偏置的 PN 結結反向電流又稱反向電流又稱反向飽和電流反向飽和電流。對溫度十分敏對溫度十分敏感感，隨著溫度升高，隨著溫度升高， IS 將急劇增大將急劇增大。結論：結論：PN結具有單向導電性結具有單向導電性反向接法時，外電場與內電場的方向一致，增強了內反向接法時，外電場與內電場的方向一致，增強了內電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產生反向電流散電流，電路中產生反向電流 I ；由

15、于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。cPN 結總的結電容結總的結電容 Cj 包括勢壘電容包括勢壘電容 Cb 和擴和擴散電容散電容 Cd 兩部分。兩部分。高頻時呈現(xiàn)電容效應。高頻時呈現(xiàn)電容效應。1.21.21.2半導體二極管半導體二極管將將 PN 結封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，再從結封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，再從 P 區(qū)和區(qū)和 N 區(qū)分別焊出兩根引線作正、負極。區(qū)分別焊出兩根引線作正、負極。1.2.1 二極管的結構：二極管的結構：( (a) )外形圖外形圖半導體二極管又稱晶體二極管。半導體二極管又稱晶體二極管。( (b) )符號符號 二極管

16、的外形和符號二極管的外形和符號二極管類型：二極管類型：按按 PN 結結構結結構分：分：有點接觸型和面接觸型二極管。有點接觸型和面接觸型二極管。按用途分：按用途分：有整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極有整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、開關二極管、發(fā)光二極管、變容二極管等。管、開關二極管、發(fā)光二極管、變容二極管等。按半導體材料分：按半導體材料分：有硅二極管、鍺二極管等。有硅二極管、鍺二極管等。1.2.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性在二極管的兩端加上電壓，測量流過管子的電流，在二極管的兩端加上電壓，測量流過管子的電流，I = f ( (U ) )之間的關系曲線之間的關系曲線。604020 0

17、.002 0.00400.5 1.02550I / mAU / V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死區(qū)電壓死區(qū)電壓擊穿電壓擊穿電壓U(BR)反向特性反向特性 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.02鍺管的伏安特性鍺管的伏安特性0 二極管的伏安特性二極管的伏安特性1. 正向特性正向特性當正向電壓比較小時，正向電流很小，幾乎為零。當正向電壓比較小時，正向電流很小，幾乎為零。只有當正向電壓超過一定值時，只有當正向電壓超過一定值時，電流才快速增長，相應的電壓叫電流才快速增長，相應的電壓叫死區(qū)死區(qū)電壓電壓。范圍稱。范圍稱死區(qū)。死區(qū)電壓死區(qū)。死區(qū)電壓與材料與材料和

18、溫度有關，硅管約和溫度有關，硅管約 0.5 V 左右，鍺左右，鍺管約管約 0.1 V 左右左右。正向特性正向特性死區(qū)死區(qū)電壓電壓60402000.4 0.8I / mAU / V當正向電壓超過死區(qū)電壓后，隨當正向電壓超過死區(qū)電壓后，隨著電壓的升高，正向電流迅速增大。著電壓的升高，正向電流迅速增大。2. 反向特性反向特性 0.02 0.0402550I / mAU / V反向特性反向特性當電壓超過零點幾伏后，當電壓超過零點幾伏后，反向電流不隨電壓增加而增反向電流不隨電壓增加而增大，即飽和；大，即飽和；二極管加反向電壓，反二極管加反向電壓，反向電流很??；向電流很小；如果反向電壓繼續(xù)升高，大到一定數(shù)

19、值時，反向電如果反向電壓繼續(xù)升高，大到一定數(shù)值時，反向電流會突然增大；流會突然增大；反向飽反向飽和電流和電流 這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱擊穿擊穿，對應電壓叫，對應電壓叫反向擊穿電壓反向擊穿電壓。擊穿并不意味管子損壞，若控制擊穿電流，電壓降擊穿并不意味管子損壞，若控制擊穿電流，電壓降低后，還可恢復正常。低后，還可恢復正常。擊穿擊穿電壓電壓U(BR)3. 伏安特性表達式伏安特性表達式( (二極管方程二極管方程) )1e (S- - TUUIIIS ：反向飽和電流：反向飽和電流UT ：溫度的電壓當量：溫度的電壓當量在常溫在常溫( (300 K) )下，下， UT 26 mV二極管加反向電壓，即二極管加反向

20、電壓，即 U UT ，則，則 I - - IS二極管加正向電壓，即二極管加正向電壓，即 U 0，且，且 U UT ，則，則，可得，可得 ，說明電流，說明電流 I 與電壓與電壓 U 基本上成指數(shù)關系。基本上成指數(shù)關系。1eTUUTUUIIeS 1.2.3二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)1. 最大整流電流最大整流電流 IF 二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。2. 最高反向工作電壓最高反向工作電壓UR 工作時允許加在二極管兩端的反向電壓值工作時允許加在二極管兩端的反向電壓值。通常將。通常將擊穿電壓擊穿電壓 UBR 的一半定義為的一半定義為 U

21、R 。3. 反向電流反向電流 IR 二極管未擊穿時的反向電流。二極管未擊穿時的反向電流。IR 值愈小愈好。值愈小愈好。4. 最高工作頻率最高工作頻率 fMfM 值主要決定于值主要決定于 PN 結結電容的大小。結結電容的大小。結電容愈大，結電容愈大，二極管允許的最高工作頻率愈低。二極管允許的最高工作頻率愈低。BRUU21R 使用要特別要注意不能超過使用要特別要注意不能超過IF和和UR，否則容易損壞管子。，否則容易損壞管子。 1） 理想開關模型理想開關模型1.2.4 二極管的等效模型二極管的等效模型 （電路）（電路）1、直流模型、直流模型 （由伏安特性折線化得到的等效模型）（由伏安特性折線化得到的

22、等效模型） 2） 恒壓源模型恒壓源模型3） 折線模型折線模型uDIDIDuDUOnIDuD例：例：電路如圖示，電路如圖示，R1k，UREF=2V，輸入信號為，輸入信號為ui (1)若若 ui為為4V的直流信號，分別采用的直流信號，分別采用理想開關模型理想開關模型、恒壓源恒壓源模型模型計算電流計算電流I和輸出電壓和輸出電壓uo+-+UIuREFRiuO解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。 采用恒壓源模型分析。采用恒壓源模型分析。mA2k12VV4REFi-RUuIV2REFoUumA31k1V702VV4DREFi.RUUuI-2.7V0.7VV2DREFoUUu繼續(xù)（2）如果）如

23、果ui為幅度為幅度4V的交流三角波，波形如圖（的交流三角波，波形如圖（b）所示，）所示，分別采用分別采用 兩種兩種模型模型 分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。+-+UIuREFRiuO解：解：采用理想模型。波形如圖采用理想模型。波形如圖0-4V4Vuit2V2Vuot繼續(xù)02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用恒壓源模型，波形如圖采用恒壓源模型，波形如圖+-+UIuREFRiuO繼續(xù)rd 即為工作點處的交流電阻即為工作點處的交流電阻 當二極管的工作點上疊加有交流當二極管的工作點上疊加有交流小信號小信號電壓電壓ud時，可將局時，可將局部伏安特性曲線看成直

24、線部伏安特性曲線看成直線(線性化線性化)：交流電壓與電流之間的關交流電壓與電流之間的關系可用一個線性電阻系可用一個線性電阻rd來近似。來近似。2、交流模型、交流模型 （微變等效電路）（微變等效電路）DiDuDUDIQdidudDDiIi dDDuUu +-didr+-DTdIUr/ 穩(wěn)壓一種特殊的面接觸型半一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。導體硅二極管。I/mAU/VO+ - -正向正向- - +反向反向 U( (b) )穩(wěn)壓管符號穩(wěn)壓管符號( (a) )穩(wěn)壓管伏安特性穩(wěn)壓管伏安特性+ I1.2.5 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管正常情況下，穩(wěn)壓管應該工正常情況下，穩(wěn)壓管應該工作在作在反向電擊穿反向電擊穿 狀態(tài)。狀態(tài)。 穩(wěn)壓管的參數(shù)：穩(wěn)壓管的參數(shù)：1. 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ3. 動態(tài)電阻動態(tài)電阻 rZ2. 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZ（即（即IZmin)ZZZIUr 穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。 正常工作的參考電流。正常工作的參考電流。I 7 V, U 0；UZ 4 V， U 0； ( (2) ) UZ 在在 4 7 V 之間，之間， U 值比較小，性能比較穩(wěn)定值比較小，性能比較穩(wěn)定 VDZR使用穩(wěn)壓管需要注意的幾個問題：使用穩(wěn)壓管需要注意的幾個問題： 穩(wěn)壓管電路穩(wěn)壓管電路UOIO+