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1、模拟电子电路,电气工程学院,电工电子基地,教师：,模拟电子电路,电气工程学院 电工电子基地,张晓冬 王 昕,Office: 电气308,Tel: 7108；8346(O),5573(H),E: win_,1 康华光: 电子技术基础 2 冯民昌: 模拟集成电路基础 3 童诗白: 模拟电子技术基础 4 Donald A. Neamen: Electronic Circuit Analysis and Design (2nd Edition) 电子电路分析与设计（清华影印版）,参考书：,课程信息：,模拟电子电路,电气工程学院 电工电子基地,教学大纲,学习环节：,教学进度,教学方法,实验安排,考核（题
2、例 ）,听课(强力推荐),完成作业,完成实验,自由发挥,参加竞赛(自愿),题例,Ch0 电子学与 模拟电子技术概述,Ch0 电子学与模拟电子技术概述,学科发展,物理与电子学,器件的发展,理论的发展,应用的发展,现状与展望,我国的发展,电子学的地位,模拟电子技术,数字电子技术,最新发展例1,最新发展例2,研究处理连续信号的电路。 模拟analog,研究处理离散信号的电路。 数字digital,模拟电子电路,电气工程学院,电工电子基地,Ch1 半导体和基本半导体器件,1.1 半导体理论基础,1.2 PN结与二极管,1.3 各类二极管,1.4 双极型三极管,1.5 场效应管,1.6 运放模型,1.1
3、 半导体基础,半导体特性,本征半导体,杂质半导体,半导体特性,物质分类,导体, 导电率为105S.cm-1，量级，如金属,绝缘体, 导电率为10-22-10-14 S.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。, 导电能力随条件变化。 如：硅、锗、砷化镓等。,半导体,半导体特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,温度特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,光照特性,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,Sect,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在
4、物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,Si,+14,Ge,+32,+4,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,本征半导体,本征半导体的原子结构和共价键:,共价键内的电子 称为束缚电子,挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子,价带中留下的空位 称为空穴,外电场E,自由电子定向移动 形成电子流,束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,1. 本征半导体中有两种载流子, 自由电子和空穴,它们是成对出现的,2. 在外电场的作用下，产生电流, 电子流和空穴流,电子流,自由电子
5、作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,本征半导体中的载流子：,本征半导体载流子的浓度：,电子浓度ni :表示单位体积的自由电子数 空穴浓度pi :表示单位体积的空穴数。,B与材料有关的常数 Eg禁带宽度 T绝对温度 k玻尔曼常数,1. 本征半导体中 电子浓度ni = 空穴浓度pi,2. 载流子的浓度与T、Eg有关,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,载流子的产生与复合:,g载
6、流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。 R载流子的复合率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。 当达到动态平衡时 g =R,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入的三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体,掺入的五价元素如P、Se等， 形成N型半导体,杂质半导体,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,N型半导体:,在本征半导体中掺入的五价元素如P。,自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元
7、素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,P型半导体:,在本征半导体中掺入的三价元素如B。,自由电子是少数载流子,空穴是多数载流子,杂质原子提供,由本征激发形成,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,Sect,讨论：,若使P型半导体和N型半导体“亲密接触”，,会发生什么现象
8、？,1.2 PN结与二极管,PN结,半导体二极管,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动,扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡,Sect,PN结的形成,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,内电场阻止多子扩散,载流子浓度差,多子扩散,杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域运动，称为扩散。 扩散运动产生扩散电流。,漂移运动,少子向对方运动，称为漂移。 漂移运动
9、产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流为0。,PN 结,稳定的空间电荷区，,又称为高阻区、,耗尽层，,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,PN结的接触电位, 内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V, 接触电位V决定于材料及掺杂浓度 锗： V=0.20.3 硅： V=0.60.7,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,1. PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂
10、移电流的影响。 PN结呈现低电阻。,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,PN结的单向导电性,2. PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。 PN结呈现高电阻。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,内,外,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,结论：PN结具有单向导电性。,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向
11、扩散 电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,式中 Is 饱和电流; VT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数； T=300K（室温）时 VT= 26mV,PN结电流方程,由半导体物理可推出：, 当加反向电压时：, 当加正向电压时：,(vVT),Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识, 势垒电容CB,由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放
12、电。,PN结电容效应,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。, 扩散电容CD,当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度 梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电 过程。势垒电容和扩 散电容均是非线性电 容。,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,
13、PN结的反向击穿,反向击穿,PN结上反向电压达到某一数值，反向电流激增。, 雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。, 齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿可逆。 掺杂浓度小的 二极管容易发生,击穿可逆。 掺杂浓度大的 二极管容易发生,不可逆击穿, 热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识, 晶体二极管的结构
14、类型,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,点接触型,面接触型,平面型,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路,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。,半导体二极管,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识, 二极管的伏安特性,是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线,1.当加正向电压时,PN结电流方程为：,2.当加反向电压时,I 随U，呈指数规率,I = - Is,基本不变,Ch1 Semiconducto
15、r1.2 PN junc,基础知识, 晶体二极管的伏安特性,1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。 硅：Ur=0.5-0.6v; 锗：Ur=0.1-0.2v 2.加反向电压时，反向电流很小 即Is硅(nA)Is锗(A) 硅管比锗管稳定 3.当反压增大UB时再增加，反向激增，发生反向击穿， UB称为反向击穿电压。,实测伏安特性,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,晶体二极管, 晶体二极管的电阻,非线性电阻,直流电阻R,(也称静态电阻）,交流电阻r,（又称动态电阻或微变电阻）,一、直流电阻及求解方法,定义,二极管两端的直流电压UD与电流ID之比,D,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,晶体二极管, 晶体二极管的电阻,直流电阻的求解方法：,借助于静态工作点来求,1. 首先确定电路的静态工作点Q：,借助于图解法来求,由电路可列出方程：,UD=ED-IDRL,直流负载线,UD=0 ID=ED,ID=0 UD=ED/RL,ED/RL,ED,Q,2.,直流负载线与伏安 特性曲线的交点,由Q得ID和UD，从而求出直流电阻R,Ch1 Semiconductor1
