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1、模拟电路基础 讲 稿自动化工程学院谭峰 课程基本要求：授课学时：64 学分：4授课时间：周二78节；周五12节成绩构成：平时（20分）+期中（30分）+期末（50分） 作业：每周一次教 材： 华成英，童诗白，模拟电路基础，高教出版社，第4版 吴援明，唐军， 模拟电路分析与设计基础，科学出版社，2006.8辅导材料： 吴援明，唐军，曲健，模拟电路分析与设计基础学习指导书，科学出版社，2007.8参考教材： 刘光祜,饶妮妮 ，模拟电路基础，电子科技大学出版社，2003.1引入模拟电路与其它几门课程的关系，突出该课程的基础性和重要性模拟电路、数字电路的不同内容模拟电路：处理和分析模拟信号的电路，关注
2、模拟信号的放大电路原理、结构和分析方法。数字电路：处理和分析数字信号的电路，是模拟电路的后续课程。低频模拟电路、高频模拟电路、微波毫米波电路本课程属于低频模拟电路范畴，高频模拟电路和微波毫米波电路是分析更高频率的涉及模拟信号的相关电路。在高频模拟电路和微波毫米波电路中要考虑电抗元件对电路的影响，而低频模拟电路在分析时基本不设计电抗元件，即电路特性与频率无关（除第5章）。本课程的主要内容： 本课程是讲解中低频率下模拟放大电路的基本知识，是最基础、应用最广泛的电路。主要介绍BJT及FET放大电路的基本知识，以基本放大电路为基础的差放、功放、恒流源电路及运放，还要重点介绍负反馈对放大电路的作用。 基
3、础知识：半导体二极管、三极管（BJT、MOSFET）。应用电路：电流源电路、差动放大电路、功率放大电路、负反 馈电路，集成运放。基本要求： 掌握半导体晶体管（BJT和MOSFET）放大电路的基本概念、基本结构及基本分析方法，在此基础上掌握基本放大电路的应用电路（恒流源电路、差动放大电路、功率放大电路和集成运放），熟悉放大电路的频率特性及重要的电路结构负反馈放大电路。能运用所学知识进行相关电路的分析、设计。常见的模拟电路器件如上图，通过这些具体器件的介绍引入模拟电路及半导体材料知识。第一章 半导体材料及二极管概述 自然界中的物质从其电结构和导电性能上区分，可分为导体、绝缘体和半导体。导体具有良好
4、的导电性，绝缘体具有良好的绝缘性，而半导体的导电性能介于导体与绝缘体之间。半导体在不同情况下，导电能力会有很大差别，有时犹如导体，现代电子电路所用的器件绝大多数都是半导体器件。1.1 半导体材料及其特性 半导体材料类型： 族元素硅（Si）、锗（Ge）；III-V族元素的化合物砷化嫁（GaAs）等。半导体材料的三大特性：温度；光照；掺杂。在以上条件下导电能力显著增强。一、 本征半导体本征半导体是纯净的具有晶体结构的半导体。晶格是在本征Si和Ge的单晶中，原子在空间形成排列整齐的空间点阵。 本节介绍以下四个方面的知识： 共价键结构；本征激发；本征半导体中的两种载流子；本征浓度。硅、锗都有四个价电子
5、，故都是四价元素。其简化图如图所示。 硅和锗的四个价电子 本征半导体的共价键结构1.共价键结构 当硅、锗等半导体材料被制成单晶时，原子靠的非常紧密，价电子在受自身原子核的束缚的同时，还受受相邻四个原子的影响，形成共价键结构。2.本征激发 在绝对零度OK=-237时，本征半导体中没有可移动带电粒子，但半导体在外界（热或光或其他）激发下，会产生自由电子空穴对，这一现象叫本征激发，如下图所示。3.本征半导体中的两种载流子 本征激发 电子和空穴的运动可以自由运动的带电粒子称为载流子。本征激发会产生自由电子和空穴两种载流子。原子因失去一个价电子而带正电，这个带正电的“空位”叫空穴。 导体导电只有一种载流
6、子，即自由电子导电。半导体具有极性相反的两种载流子自由电子和空穴 空穴导电：当有电场作用时，价电子定向填补空位，使空位作相反方向的移动，这与带正电荷的粒子作定向运动的效果完全相同。为了区别于自由电子的运动，我们就把价电子的运动虚拟为空穴运动（方向相反），认为空穴是一种带正电荷的载流子。4.本征浓度本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度载流子复合：自由电子与空穴在热运动中相遇，使自由电子空穴对消失的现象。载流子的动态平衡：在一定温度下，单位时间内本征激发所产生地自由电子空穴对的数目与复合而消失的自由电子空穴对的数目相等，就达到了载流子的动态平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。本征载流子的浓
7、度表示如下。 室温下本征载流子浓度和原子密度如下表所示 本征载流子浓度 原子密度 Si 1.431010 cm-3 5.01022 cm-3Ge 2.381013 cm-3 4.41022 cm-3得出两个结论：Ge的热稳定性比Si差（Ge的本征载流子浓度高，导电能力强）；本征半导体导电性能很差（载流子浓度很低）。 问题：如何提供半导体的导电能力？ 掺杂！二、杂质半导体 掺入杂质的半导体称为杂质半导体。掺杂后可以大幅提高半导体的导电能力。杂质半导体中两种：N型半导体和P型半导体。1.N型半导体掺入少量的族元素（如磷、砷、锑等）后，形成的杂质半导体称为N型半导体。多出一个价电子只能位于共价键之外
8、，成为“自由电子”，使本征半导体中除了本征激发产生的电子空穴对之外，又多出一部分自由电子，使自由电子数量超过了空穴数量。杂质原子称为施主原子，带正电，不能自由移动，不能参与导电。自由电子在N型半导体中成为多数载流子（简称多子），空穴在N型半导体中成为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故N型半导体又称电子型半导体。2.P型半导体在本征半导体硅（或锗）中掺入二价元素，如硼，就可构成P型半导体。在这种半导体中，共价键结构中多出一个空穴，很容易接受自由电子的填充，使空穴游离在晶格之间，使本征半导体中除了本征激发产生的电子空穴对之外，又多出一部分空穴，使空穴数量超过了自由电子数量，我们
9、说，空穴在P型半导体中成为多数载流子（简称多子），自由电子在P型半导体中成为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是空穴，故P型半导体又称空穴型半导体。3.杂质半导体的载流子浓度 在一定条件下，掺杂半导体的两种载流子浓度与本征半导体本征浓度有如下关系。 其中，多子浓度与杂质浓度近似相等，与温度无关，而少子浓度是温度的敏感函数。三、半导体中的电流 1.漂移电流在外电场作用下，半导体中的载流子受电场力作宏观定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体内的传导电流。电子的漂移电流密度为 其中，n是电子的迁移率,表征电子在半导体中运动容易度的参数。空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流
10、，空穴的漂移电流密度为 是空穴的迁移率。所以和的方向是一致的，均为空穴流动的方向。因此，半导体中的总的漂移电流为两者之和，总的漂移电流密度为 其中 ，式中是半导体的电导率，与载流子浓度及迁移率有关。2.扩散电流因载流子浓度差而产生的载流子宏观定向运动形成的电流叫扩散电流。半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差（即浓度梯度），而与该处的浓度值无关。即扩散电流与载流子在扩散方向上的浓度梯度成正比，浓度差越大，扩散电流也越大。 注意扩散电流和漂移电流的不同：漂移电流是由于外电场而产生的载流子的定向运动，而扩散电流与外电场无关，只与载流子的浓度差有关。1.2 PN结 问题：半导体材料如何使
11、用？半导体器件的基本结构是PN结。一、 PN结的形成及特点1.PN结的形成 多子扩散：扩散的结果，在交界面附近，N区出现带正电的离子，P区出现带负电的离子，从而形成空间电荷区和内建电场，方向从N区指向P区如图1.5所示。少子漂移: 少数载流子将在内建电场的作用下产生运动。当扩散与漂移达到一个动态平衡时，空间电荷区也就达到了一个平衡状态，这就形成了PN结。内建电场的作用： 阻止多子扩散，促进少子漂流2.PN结的特点 内建电场的表达式如下 内建电位0的典型值（Si：0.7V Ge: 0.3V）空间电荷区的另外三个名称：耗尽层、阻挡层和势垒层，具体表征了空间电荷区的不同特性。实际使用中大多数PN结都
12、是不对称PN结，P区和N区掺杂浓度不一样。 思考：高掺杂和低掺杂PN结，其空间电荷区的宽度和内建电场的大小有何区别？二、PN结的单向导电特性 提出偏置的概念，强调偏置的重要性。PN结两端外接直流电压称为偏置工作点1.正向偏置的PN若PN结外加直流电压使P区电位高于N区电位，称PN结加正向电压或正向偏置（简称正偏）。 PN结正偏时空间层和势垒的变化及正向电流方向如图所示。 正向偏置时减小了内建电场的大小，正偏电流实质是多子的扩散电流，因此电流较大。正偏PN结呈现低阻态，即正偏PN结是导通的2.反向偏置的PN 若外加直流电压使P区电位低于N区电位，称PN结加反向电压或反向偏置（简称反偏）。反向偏置
13、时增大了内建电场的大小，反偏电流实质是少子的漂移电流，仅有很小的反向饱和电流。Is很小（Si：皮安量级；Ge：微安量级），通常可忽略，即反偏PN结是截至的。如图所示。 PN结正偏 PN结反偏 PN结的重要特性：单向导电特性，即正偏导通，反偏截止。3.PN结的伏安特性 伏安特性方程如下v正偏电压,为负值时即反偏。i从正极经过PN结流向负极的电流，与v为关联参考方向。伏安特性方程验证了PN结的单向导电性。简介PN结的伏安特性曲线，强调PN结单向导电性在半导体器件中的特殊作用。1.3 晶体二极管及其应用二极管的核心是一个PN结，其结构如图所示。先介绍二极管的不同分类，重点说明二极管的两种不同结果类型：点接触和面接触型。 二极管的结构和电路符 二极管的两种结构点接触型：PN结面积小，工作电流小，PN结电容小，工作频率高。面接触型：PN结面积大，工作电流大，PN结电容大，工作频率低。 一、晶体二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指流过二极管中的电流 与其端电压之的关系。和PN结的伏安特性一样，简要重复。1.正偏伏安特性二极管的正向电流随正偏电压的增大呈指数规律增加。 2.反偏伏安特性二极管反向电流不随反向偏压而变化，仅有很小的反向饱和电流Is。 二极管的伏安特性曲线如图所示。提示两个问
