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1、模拟电子技术基础,清华大学 华成英,绪 论,一、电子技术的发展,二、模拟信号与模拟电路,三、电子信息系统的组成,四、模拟电子技术基础课的特点,五、如何学习这门课程,六、课程的目的,七、考查方法,一、电子技术的发展 电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之“无孔不入”，应用广泛！,广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机 网络：路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器 工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床 交通：飞机、火车、轮船、汽车 军事：雷达、电子导航 航空航天：卫星定位、监测 医学：刀、CT、B超、微创手术 消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、
2、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统,电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管半导体管集成电路,1904年 电子管问世,电子管、晶体管、集成电路比较,半导体元器件的发展,1947年 贝尔实验室制成第一只晶体管 1958年 集成电路 1969年 大规模集成电路 1975年 超大规模集成电路,第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。,学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！,第一只晶体管的发明者 （by John Bardeen , William Scho
3、ckley and Walter Brattain in Bell Lab）,第一个集成电路及其发明者 （ Jack Kilby from TI ）,1958年9月12日，在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年以后， 2000年获诺贝尔物理学奖。 “为现代信息技术奠定了基础”。,他们在1947年11月底发明了晶体管，并在12月16日正式宣布“晶体管”诞生。1956年获诺贝尔物理学奖。巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖。,值得纪念的几位科学家！,二、模拟信号与模拟电路,1. 电子电路中信号的分类 数字信号：离散性,模拟信号：连续性。大多
4、数物理量为模拟信号。,2. 模拟电路 模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。 最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。 其它模拟电路多以放大电路为基础。,“1”的电压当量,介于K与K+1之间时需根据阈值确定为K或K+1,任何瞬间的任何值均是有意义的,三、电子信息系统的组成,模拟电子电路,数字电子电路（系统）,传感器接收器,隔离、滤波、放大,运算、转换、比较,功放,四、模拟电子技术基础课的特点,1、工程性 实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。,实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存 在一定的误差范围的。 定量分析为“估算”。,近似分析要“合理”。 抓主要矛盾和矛盾的主要方
5、面。,电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。,2. 实践性 常用电子仪器的使用方法 电子电路的测试方法 故障的判断与排除方法 EDA软件的应用方法,五、如何学习这门课程,1. 掌握基本概念、基本电路和基本分析方法 基本概念：概念是不变的，应用是灵活的， “万变不离其宗”。 基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。 基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。,2. 注意定性分析和近似分析的重要性 3. 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题 根据需求，最适用的电路才是最好的电路。 要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。,4. 注意电路中常
6、用定理在电子电路中的应用,六、课程的目的,1. 掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。 2. 具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。,本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。,注重培养系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识，学习科学的思维方法。提倡快乐学习！,清华大学 华成英 ,七、考查方法,1. 会看：读图，定性分析 2. 会算：定量计算,考查分析问题的能力,3. 会选：电路形式、器件、参数,4. 会调：
7、仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA,考查解决问题的能力设计能力,考查解决问题的能力实践能力,第一章 半导体二极管和三极管,第一章 半导体二极管和三极管,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 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结的形成及其单向导电性,四、PN结的电容效应,一、本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1、什么是半导体？什么是本征半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子
8、受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,2、本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。,为什么要将半导体变成导电性很差
9、的本征半导体？,3、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,二、杂质半导体 1. N型半导体,磷（P）,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,多数载流子,空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,2. P型半导体,硼（B）,多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,三、PN结的形成及其单向导电性,物质因浓度差
10、而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。,PN 结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽
11、，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,PN 结的单向导电性,必要吗？,清华大学 华成英 ,四、PN 结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,问题,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又
12、将其掺杂，改善导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？ 为什么半导体器件有最高工作频率？,2 半导体二极管,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,五、稳压二极管,一、二极管的组成,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,一、二极管的组成,点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。,面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。,二
13、、二极管的伏安特性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的 电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,利用Multisim测试二极管伏安特性,从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性,2. 伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,三、二极管的等效电路,理想 二极管,近似分析中最常用,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1. 将伏安特性折线化,？,100V？5V？1V？,2. 微变等效电路,Q越高，rd越小
14、。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,四、二极管的主要参数,最大整流电流IF：最大平均值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率fM：因PN结有电容效应,第四版P20,讨论：解决两个问题,如何判断二极管的工作状态？ 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？,uD=ViR,ID,UD,V与uD可比，则需图解：,实测特性,对V和Ui二极管的模型有什么不同？,五、稳压二极管,1. 伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向
15、击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2. 主要参数,稳定电压UZ、稳定电流IZ,最大功耗PZM IZM UZ,动态电阻rzUZ /IZ,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻,斜率？,1.3 晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,一、晶体管的结构和符号,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,二、晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电
16、流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配： IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,为什么UCE增大曲线右移？,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？,1. 输入特性,2. 输出特性,是常数吗？什么是理想晶体管？什
