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1、模拟电子技术基础第四版清华大学 华成英 童诗白 主编,前 言,自然界中的两大类信息，模拟信息和数字信息都可以通过物理或化学的转换方式变成电信号。那么如何处理，应用这两类信息，用什么器件和电路来完成这些任务？怎样能够系统地分析和设计这两类电路？这就是电类专业学生所必须要掌握的知识。模拟电子技术基础和数字电子技术基础课程也正是你建筑电子信息系统大厦的最佳基石。,处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。,模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。,数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。,1. 本课程的性质,是一门技术基础课,2. 特点,非纯理论性课程,实践性很强,以工程实践的观点来处理电路中的一些问题,
2、3. 研究内容,以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。,4. 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。,5. 学习方法,重点掌握基本概念、基本电路、基本方法。,6. 参考书,(1) 康华光主编，电子技术基础 模拟部分 第四版，高教出版社,(2) D.A.Neamen，Electronic Circuit Analysis and Design Second Edition， McGrawHill,7.考核方式 期末闭卷笔试；平时成绩占30，期末考核占70。,第一章 常用半导体器件,1.1 半导体的基本知识,1.2
3、 半导体二极管,1.3 晶体三极管,1.4 场效应管,1.1 半导体的基本知识,在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,一. 本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升
4、高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子,空穴,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，称为空穴。,可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温300K时：,电子空穴对,自由电子 带负电荷 电子流,总电流,空穴 带正电荷 空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量： 温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制,二. 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素
5、后的半导体称为杂质半导体。,1.N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,2.P型半导体,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关,多子浓度与温度无关,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽
6、层,三. PN结及其单向导电性,1 . PN结的形成,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流0,2. PN结的单向导电性,(1) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,(2) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩
7、散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,3. PN结的伏安特性曲线及表达式,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF（多子扩散）,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,根据理论分析：,u 为PN结两端的电压降,i 为流过PN结的电流,IS 为反向饱和电流,UT =kT/q 称为温度电压当量,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023 q 为电子电荷量1.6109 T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K） 则有UT=26
8、 mV。,当 u0 uUT时,当 u|U T |时,4. PN结的电容效应,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1) 势垒电容CB,(2) 扩散电容CD,当外加正向电压 不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构,1.2.2 二极管的伏安特性与参数,1.2.3 二极管的等效电路,1.2.5 其它半导体二极管,半导体二极管图片一,半导体二极管图片二,半导体二极管图片三,1.
9、2.1 半导体二极管的结构,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、面接触型和平面型三大类。,(1) 点接触型二极管,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造艺中。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,(4) 二极管的代表符号,二极管与PN结伏安特性曲线的区别： 1.二极管存在串连电阻R. 2.二级管存在反向漏电.,1.2.2 二极管的伏安特性与参数,D,E,反向漏电,开启电压 Uon,导通电压,二极管的伏安特性仍可由,近似描述。,IS：反向饱和电流UT：电压当量，室温下
10、26mV,IR,二极管伏安特性与温度T的关系：,由于IS随T 的增加而增加，所以二极管的正向压降VF随T 的增加而降低。一般线性减少22.5mV/C （利用该特性，可以把二极管作为温度传感器）,二极管参数：,(1) 最大整流电流IF,(2) 反向击穿电压UBR和最大反向工作电压UR,(3) 反向电流IR UR下的反向电流,(4) 最高工作频率fM 1N4000系列整流管：3kHz；1N4148开关管：MHz,1.2.3 二极管的等效电路,2、开关模型：正向导通时。相当于理想二极管串联一个0.7伏（导通电压，非UON）的恒定电压源，特性曲线如图（b)所示。由于该模型比较简单，在模拟电路里用得比较
11、多。,1、理想二极管模型：正向工作时二极管导通电压等于0。反向时，二极管开路，特性曲线如图（a)所示。一般适用于大信号工作状态。例如逻辑电路、整流电路中。,理想二极管符号,开关模型等效电路,3、折线模型：正向导通时。相当于理想二极管串联一个等效电阻rD和一个电压源UON ，特性曲线如图（c)所示。,（c） 折线模型,4、微变等效模型：二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻rd 。,（c） 折线模型,（d）微变等效模型,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,微变电阻rd 计算,二极管的近似分析计算,例：,串联电压源模型,测量值 9.32mA,相
12、对误差,理想二极管模型,相对误差,0.7V,例：二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。 (1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo,解：（1）采用理想模型分析。,(2) 采用理想二极管串联电压源模型分析。,（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：采用理想二极管 模型分析。波形如图所示。,采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。,1.2.5 其它半导体二极管,1. 稳压二极管,(a)符号,(
13、b) 伏安特性,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。,符号及稳压特性,(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,(5)稳定电压温度系数VZ,稳压二极管主要参数,PZM UZ IZmax,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,雪崩击穿：VZ 0；齐纳击穿：VZ 0,# 稳压条件是什么？,2、发光二极管,电致发光器件，将电信号转换成光信号。,通常由磷砷化镓（GaAsP)、磷化镓（GaP)制成,光的波长（颜色）与材料有关,正偏导
14、通时发光。,发光二极管的开启电压和正向导通电压比普通二极管大，正向电压一般为1.32.4V。亮度与正向电流成正比，一般需要几个毫安以上。,3、光电二极管,通常由硅材料制成，管壳有接收光照的透镜窗口。正常工作在反偏状态。无光照时，只有很小的反向饱和电流，称为暗电流；有光照时，PN结受光激发，产生大量电子空穴对，形成较大的光电流。光电二极管的电流与照度成正比，用于信号检测、光电传感器、电机转速测量等。,4、变容二极管,反向偏置时，PN结的等效电阻很大，等效电容与所加反向电压的大小有关。,变容二极管的电容很小，一般为pF数量级，通常用于高频电路，如电视机高频头中的压控可变电容器。,1.3 晶体三极管
15、,1.3.1 晶体管的结构及类型,1.3.2 晶体管的电流放大作用,1.3.3 晶体管的共射特性曲线,1.3.4 晶体管的主要参数,1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响,NPN型,PNP型,符号:,三极管的结构特点: （1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。 （2）基区要制造得很薄且浓度很低。,1.3.1 晶体管的结构及类型,若在放大工作状态： 发射结正偏：由VBB保证,+ UCE , UBE , UCB ,集电结反偏：,由VCC、 VBB保证,UCB=UCE - UBE, 0,1.3.2 晶体管的电流放大作用,三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。,（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区
16、注入电子 ，形成了扩散电流IEN 。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流I E I EN 。,一、晶体管内部载流子的运动,（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流I B I BN 。大部分到达了集电区的边缘。,（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN 。,另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。,二、晶体管的电流分配关系,三个电极上的电流关系:,IE =IC+IB,定义：,(1)IC与I E之间的关系:,所以:,其值的大小约为0.90.99。,(2) IC与I B之间的关系：,联立以下两式：,得：,所以：,得：,令：,1.3.3. 晶体管的共射特性曲线,一、 输入特性曲线 iB=f(uBE) uCE=const,（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。,（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。,（2）当uCE=1V时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少， 在同一uBE 电压
