天津工业大学模拟电子技术

电气工程及其自动化学院电子教研室—多媒体教学课件模拟电子技术基础FundamentalsofAnalogElectronics童诗白、华成英主编1常用半导体器件(5次)2基本放大电路(5次)3多级放大电路(3次)4集成运算放大电路(不讲)5放大电路的频率响应(不讲)6放大电路中的反馈(4次)7信号的运算和处理(3次)8波形的发生和信号的转换(3次)9功率放大电路(1次)10直流稳压电源(3次)目录第一章常用半导体器件1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3双极型晶体管1.4场效应管本章重点和考点：1.二极管的单向导电性、稳压管的原理。2.三极管的电流放大原理，如何判断三极管的管型、管脚和管材。3.场效应管的工作原理本章教学时数：10学时半导体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：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。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。光敏器件二极管1.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结纯净的具有晶体结构的半导体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一、导体、半导体和绝缘体PNJunction1.1.1本征半导体GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。二、本征半导体的晶体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4价电子共价键当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴T自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。三、本征半导体中的两种载流子T自由电子和空穴形成两种电流：电子电流和空穴电流四、本征半导体中载流子的浓度在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。本征半导体中载流子的浓度公式：T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.43×1010/cm3本征锗的电子和空穴浓度:n=p=2.38×1013/cm3ni=pi=K1T3/2e-EGO/(2KT)本征激发复合动态平衡1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。4.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni=pi。3.在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。小结1.1.2杂质半导体杂质半导体有两种N型半导体P型半导体一、N型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。施主原子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5图1.1.3N型半导体自由电子自由电子浓度远大于空穴的浓度，即np。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。二、P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3空穴浓度多于电子浓度，即pn。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。3价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴图1.1.4P型半导体说明：1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N型半导体(b)P型半导体在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结一、PN结的形成1.1.3PN结PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。PN3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差Uho——电位壁垒；——内电场；内电场阻止多子的扩散——阻挡层。4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。阻挡层5.扩散与漂移的动态平衡二、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRIPN什么是PN结的单向导电性？有什么作用？空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。耗尽层PN外电场方向内电场方向VRIS2.PN结外加反向电压时处于截止状态(反偏)反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。当PN结正向偏置时，PN结呈低阻性，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，PN结呈高阻性，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。综上所述：可见，PN结具有单向导电性。)1e(STUuIiIS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300K)下，UT26mV三、PN结的电流方程PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为)1e(SktuqIi公式推导过程略四、PN结的伏安特性i=f(u)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性)1e(STUuIi若|VBR|≥7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|≤4V时,则主要是齐纳击穿。反向击穿齐纳击穿雪崩击穿PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd五PN结的电容效应1.2半导体二极管二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管1点接触型二极管(a)点接触型二极管的结构示意图1.2.1半导体二极管的几种常见结构PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。3平面型二极管往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。2面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底4二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极aD1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的伏安特性+iDvD-R正向特性反向特性反向击穿特性开启电压：0.5V导通电压：0.7)1e(STUuIi一、伏安特性0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的伏安特性UonU(BR)开启电压：0.1V导通电压：0.2V二、温度对二极管伏安特性的影响在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。–50I/mAU/V0.20.4–2551015–0.01–0.020温度增加1.2.3二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压U（BR）和最高反向工作电压URM二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。(3)反向电流IR(4)最高工作频率fM在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。二极管未被击穿时的反向电流。IR越小，二极管的单向导电性越好，IR对温度非常敏感二极管的上限截至频率，超过此值，由于结电容的存在，就不能很好的体现单向导电性了1.理想模型•理想二极管：（1）正向导通，导通压降为零，正向导通电流为无穷大。（2）反向截至，反向电流为零。1.2.4二极管等效电路2开关等效模型（恒压降模型）•恒压降模型的二极管：（以硅为例）（1）U0.7V，二极管导通，导通压降为0.7V，导通电流无穷大（2）U0.7V，二极管反向截止，反向电流为零。3折线模型4.微变等效模型iDuDIDUDQiDuDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：DDDiur显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。应用举例二极管的静态工作情况分析（R=10k）VDD=10V时V0DVmA1/DDDRVI理想模型恒压模型mA93.0/)(DDDDRVVIV7.0DV（硅二极管典型值）RLuiuouiuott补充：半导体二极管的应用1.二极管整流电路(理想模型)2.限幅电路（恒压降模型）导通导通0.7V导通截止0.7V截止导通0.7V导通导通3.7VUA(V)UB(V)D1D2UO(V)00033033功能：二极管与门注意：压差大的二极管导通3.门电路如何判断二极管是否导通呢？电路如图，二极管的管压降为0.7V,求：UABV阳=－6V，V阴=－12V，V阳V阴，二极管导通，UAB=－6.7V。例1：取B点作为参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V阳V阴,二极管导通,否则，二极管截至D6V12V3kBAUAB+–ui8V二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo波形。Vsin18tuiu2t18V8V例3D8VRuoui++––1.2.5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，反向电压应大于稳压电压。UIIZminIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。UZ稳压二极管加正向电压，相当于普通二极管稳压二极管的应用解：ui和uo的波形如图所示（UZ＝3V）uiuODZR(a)(b)uiuORDZ稳压二极管的工作电流IZminIIZmax，超过此围，稳压管不能正常工作，所以稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流，故称这个电阻为限流电阻。1.必须工作在反向击穿状态（利用其正向特性除外）电源电压稳压管稳压值2.流过管子的电流必须介于稳定电流和最大电流之间。注意：稳压管正常工作的两个条件：稳压管的一种实物图黑头一侧为阴极，即k端稳压值分别为6V，8V的两个稳压管的不同连接，可以得到哪些电压值？思考：1.光电管ak可用来作为光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。2.发光管ak(发光)最常见的有红、黄、绿等颜色。实际中，二者配合使用的情况很多，如遥控电视机、光缆传输电信号等。(接收光)1.2.6其它类型的二极管几种普通发光二极管实物图长脚为正极大头为负极1.3双极型晶体管(BJT)又称半导体三极管、晶体三极管，或简称晶体管。(BipolarJunctionTransistor)三极管的外形如下图所示。三极管有两种类型：NPN型和PNP型。主要以NPN型为例进行讨论。1.3.1晶体管的结构及类型常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。图1.3.2a三极管的结构(a)平面型(NPN)(b)合金型(PNP)NecNPb二氧化硅becPNP发射区集电区基区基区发射区集电区图1.3.2(b)三极管结构示意图和符号NPN型ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c(collector)基极b(base)发射极e(emitter)NNP箭头方向：由P区→N区集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极bcbe符号NNPPN图1.3