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1、模拟电子技术基 础 邢丽娟 青岛理工大学自动化工程学院 1. 本课程的性质和任务 介绍电子器件、电子电路和电子技术应用的一门技术基础课 2. 研究内容 电子元器件的工作原理（二极管、三极管和集成运放） 基本单元电路放大器的构成原理及互联 电子电路的分析方法 以器件为基础、以“放大”为主线，以传递“模拟信号”为目的，研 究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。 3. 教学目标 能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单 元电路进行设计。 工程性质、实 践性很强 任务是获得电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能，培养 学生分析问题和解决问题的能力，为后续课程打好基础。 4
2、. 学习方法 特点是将电路理论扩展到包含有源器件（晶体管、场效应管、集 成运放等）的电子电路中。重点掌握基本概念、基本电路、基本方法 。抓住“模电”的几个特点，可以事半功倍： 5. 参考书 康华光主编，模拟电子技术基础 第二版，高教出版社 陈大钦主编，模拟电子技术基础学习与解题指南，华工出版社 线性要求和非线性器件的矛盾（概念、分析方法） 器件少、电路多（找出各电路之间的规律，可举一反三） 工程估算(工程上简化分析的条件与处理方法,10% 准则) 分立是基础、集成是应用 6. 教学计划 理论学时48 实验学时16 学时:总学时64 目 录 第一章 常用半导体器件 第二章 基本放大电路 第三章
3、多级放大电路 第四章 集成运算放大电路 第五章 放大电路的频率响应 第六章 放大电路中的反馈 第七章 信号的运算和处理 第八章 信号的发生和信号的转换 第九章 功率放大电路 第十章 直流电源 管 路 信号单方向传 输 信号双向传输 小信号放大电路 大信号 微变等效法 图解分析法 单级放大电路 多级放大电路 分立元件电路 提供能源的电路 信号源 0 导言 0.1 电信号 0.2 电子信息系统 0.3 电子技术的课程体系 0.1 电信号 温度波动曲线 声音、图像、亮度、温度等等物理信息，都可 以用信号波形来表示。 电子系统处理的是电信号，它由相应的物理量 通过传感器转换而得到。 信号：信息的载体
4、是研究电子器件、电子电路及其应用的 电子技术 模拟电子技术： 数字电子技术： 研究模拟信号 研究数字信号 模拟信号：在时间上和幅值上都是连续变化的信号 数字信号：在时间上和幅值上都是离散的信号 （模拟信号） （数字信号） （数值 的变化总是发生在一系列离散的瞬间； 电子技术： 数值的大 小及增减总是某一个最小单位的整数倍。） 科学技术。 返回 温度传感 （输入） 信号放大 信号滤波 控制执行 （输出） 功率放大 数模转换 数字逻辑 电路 模数转换 恒温 装置 模拟小信号电路 数字电路 非电子物理 系统 模拟大信 号电路 电子系统 0.2 电子信息系统 返回 0.3 电子技术的课程体系 模拟电子
5、技术和数字电子技术是电子信息类各专业的重要的技 术基础课程，对于继续学习有关专业课程有着重要的影响。 理论基础：电路理论 同步课程：数字电子技术 后续课程：微机原理等 返回 1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 晶体三极管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件 本章要求 掌握：二极管、三极管的外特性及主要参数的 物理意义 理解：PN结 、二极管的单向导电性、稳压管的 稳压作用 及三极管的放大作用 了解：二极管、三极管的选用原则 1.1 半导体基础知识 1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体 1.1.3 PN结 半导体的导 电机制 1.典
6、型的半导体材料 元素硅（Si）、锗（Ge） 化合物砷化镓（GaAs） 掺杂元素或化合物硼（B）、磷（P） 半导体 3. 半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。 2.导体、绝缘体和半导体的划分 根据物体导电能力，来划分导体和绝缘体。 导体 绝缘体 导电能力用电阻率(或电导率）来描述： 导体 10-4cm 绝缘体109cm 半导体半导体 4. 半导体的共价键结构 14 原子核 电子 价电子 硅的原子结构 硅 14 1s2，2s2，2p6，3s2，3p2 锗 32 1s2，2s2，2p6，3s2，3p6，3d10， 4s2，4p2 1. 本征半导体 (导体 10-4cm , 半导体 常见材料 硅(Si
7、) 锗(Ge) 1.1.1 Ge和Si原子的简化模型 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 绝缘体 109cm) 10-4cm 109cm 1.1.1 本征半导体 2. 本征半导体晶体结构 图1.1.2 本征半导体晶体结构示意图 共价键结合力强 本征半导体导力弱 晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式 3. 本征半导体中的两种载流子 热力学零度 （T=0K）,半导体中没有自由电子,相当于 绝缘体。本征半导体不导电。 常温（T=300K） 热激发（本征激发）： 共价键中的价电子 能量 自由电子空穴 + (+)(-) 在电场的作用下 空穴运动： 价电子填补空穴的运动 晶体共价键结构平面示意
8、图图1.1.3 本征半导体中的自由电子和空穴 +4+4+4 +4 +4 +4+4 +4+4 空穴 自由电子 当温度升高或受到光的照 射时(T 0K)，价电子能量 增高，有的价电子可以挣 脱原子核的束缚，由价带 进入导带，而参与导电， 成为自由电子。 自由电子产生的同时，在其 原来的共价键中就出现了一 个空位，原子的电中性被破 坏，呈现出正电性，其正电 量与电子的负电量相等，人 们常称呈现正电性的这个空 位为空穴。 图1.1.4 自由电子进入空穴产生复合运动 复合：自由电子和空穴相遇 温度T一定, ni（自由电子浓度） T =pi(空穴浓度） ni =pi 半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，
9、那么，电子空穴 对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？ +4+4+4 +4 +4 +4+4 +4+4 温度越高，载流子的浓度越高。 因此本征半导体的导电能力越强 ，温度是影响半导体性能的一个 重要的外部因素，这是半导体的 一大特点。 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对 出现的，称为电子空穴对。在外电场作用下，空穴 可以自由在晶体中运动，从而和自由电子一样可以 参加导电，载流子为自由电子和空穴，载流子越多 ，导电能力越强，但不如导体。 1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中人为掺入微量的杂质，称为 杂质半导体。 掺杂是为了显著改变半导体中的自由电子浓 度或空穴浓度，以明显提
10、高半导体的导电性能。 1. 半导体的掺杂 在硅（锗）单晶中掺 入少量三价元素（硼 ），则三价元素原子 在晶格中缺少一个价 电子，从而产生一个 空穴。 空穴原因：掺杂（90 以上）本征激发 （空穴、自由电子） 2. 三价元素掺杂P(空穴) 型半导体 P 型半导体 这一现象称为受主电离。 空位很容易俘获邻近四价原子的价电子，即在 邻近产生一个空穴，空穴可以参与导电。 空位俘获电子后，使杂质原子成为负离子。三 价杂质 因而也称为受主杂质。 负离子束缚于晶格中，不参与导电。 掺杂后 P 型半导体中的空穴浓度等于掺杂浓度 。 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，它主要由 掺杂形成；自由电子是少数载流子，
11、它仍由热 激发形成。 3. 五价元素掺杂N(电子) 型半导体 在硅（锗）单晶中掺 入少量五价元素(磷) ，则五价元素原子在 晶格中多余一个价电 子。 1000个自由电子掺 杂900个本征激发 100个（100个空穴） + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体 多余价电子容易成为自由电子，可以参与导电。 提供自由电子后的五价杂质原子因带正电荷而成 为正离子，因此五价杂质原子称为施主杂质。 正离子束缚于晶格中，不参与导电。 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度等于掺杂浓 度。 在 N 型半导体中自由电子是多数载流子，它主要 由掺杂
12、形成；空穴是少数载流子，它仍由热激发形 成。 P 型半导体和N 型半导体掺入微量杂质元素后,导电 能力大大提高,但并不用来导电。呈电中性? 这一现象称为施主电离 在N型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴 数之和，自由电子带负电，空穴和正离子带正电， 整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。 杂质半导体的示意表示法： P(空穴) 型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N (电子)型半导体 杂质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，起导电作用的主要是多子。近 似认为多子与杂质浓度相等。 N型半导体P型半导体
13、自由电子（掺杂形成）多子空穴（掺杂形成） 空穴（热激发形成）自由电子（热激发形成）少子 呈电中性 综综上所述 ： 4.载流子的产生与复合 产生：价电子获得额外的能量（激发能），从价 带跃迁到导带，而产生载流子的过程。 产生的形式：本征激发（电子空穴对）、施主 电离、受主电离。 复合：自由电子与空穴相遇，重新填入共价键中 空穴的过程，复合使自由电子和空穴成对地消失 。复合与产生是半导体的一对矛盾，在一定温度 下，二者处于一定的动态平衡中。 P型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N型半导体 在一块完整的本征硅（或锗）片上，用不同
14、的 掺杂工艺一边形成N型半导体，一边形成P型半导体 。在这两种半导体交界面附近形成的一个特殊性质的 薄层，称为PN结。 1.1.3 PN结 1. PN结的形成 漂移运动：在电场作用下，载流子的运动。 漂移电流 扩散运动：同类载流子由于浓度差引起的运动 。扩散电流 内电场 少子的漂移运动 P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体 内电场越强，漂内电场越强，漂 移运动越强，而漂移运动越强，而漂 移使空间电荷区变移使空间电荷区变 薄。薄。 扩散的结果使空间 电荷区变宽。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间电荷区 P(N)区中同
15、类载流子浓度差 多子的扩散 产生空间电荷区（内电场）促进少子漂移 扩散与漂移运动达到 态平衡时，PN结形成 阻止 PN结的形成过程 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 (0.5m0.75mm) , 也称耗尽层,阻挡层,势垒区,内电场区,离子区。 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 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。平 衡 PN 结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向 相反，所以无外加电场或其他激发因素时， PN 结中没有电流。 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 小 结 考虑外加电压于PN结上，根据外加电压的极性有两种情况 1.PN结加正向偏置电压（正偏）： PN结加正向电压时的导电情况 2 PN结的特点 外加电压使内电场减小 以致 阻挡层变窄 多子形成的扩散电流 增加 漂移电流减小 从电源正极有流入P 区 的正向电流 P 区接电源正极 PN结加反向电压时的导电情况 由于在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度 是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的
