模擬電子技術(shù)精品課程課件

模擬電子技術(shù)精品課程課件第一頁，共六十七頁，2022年，8月28日1.1半導體的基本知識

在物理學中。根據(jù)材料的導電能力，可以將他們劃分導體、絕緣體和半導體。典型的半導體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。第二頁，共六十七頁，2022年，8月28日

本征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。一.本征半導體

本征半導體——化學成分純凈的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。第三頁，共六十七頁，2022年，8月28日

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。第四頁，共六十七頁，2022年，8月28日

可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。

外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。

動畫演示

與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復合在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對第五頁，共六十七頁，2022年，8月28日自由電子帶負電荷電子流動畫演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－＋總電流載流子空穴帶正電荷空穴流本征半導體的導電性取決于外加能量：溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。導電機制第六頁，共六十七頁，2022年，8月28日二.雜質(zhì)半導體

在本征半導體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導體稱為雜質(zhì)半導體。1.

N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。

第七頁，共六十七頁，2022年，8月28日N型半導體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導體施主離子自由電子電子空穴對第八頁，共六十七頁，2022年，8月28日

在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導體受主離子空穴電子空穴對2.

P型半導體第九頁，共六十七頁，2022年，8月28日雜質(zhì)半導體的示意圖++++++++++++N型半導體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與溫度無關(guān)第十頁，共六十七頁，2022年，8月28日內(nèi)電場E因多子濃度差形成內(nèi)電場多子的擴散空間電荷區(qū)

阻止多子擴散，促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴散電流少子漂移電流耗盡層三.PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)的形成

第十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日

動畫演示少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層動態(tài)平衡：擴散電流＝漂移電流總電流＝0勢壘UO硅0.5V鍺0.1V第十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。

外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流

第十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。

外電場加強內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關(guān)。

第十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日

PN結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導通；

PN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。動畫演?

動畫演示2第十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日3.PN結(jié)的伏安特性曲線及表達式

根據(jù)理論推導，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏IF（多子擴散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結(jié)電擊穿——可逆第十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日

根據(jù)理論分析：u為PN結(jié)兩端的電壓降i為流過PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q

稱為溫度的電壓當量其中k為玻耳茲曼常數(shù)

1.38×10－23q

為電子電荷量1.6×10－9T為熱力學溫度對于室溫（相當T=300K）則有UT=26mV。當u>0u>>UT時當u<0|u|>>|UT

|時第十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日4.PN結(jié)的電容效應(yīng)

當外加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，即PN結(jié)中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。

(1)勢壘電容CB第十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日(2)擴散電容CD

當外加正向電壓不同時，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當電容的充放電過程。電容效應(yīng)在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來極間電容（結(jié)電容）第十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日1.2半導體二極管二極管=PN結(jié)+管殼+引線NP結(jié)構(gòu)符號陽極+陰極-第二十頁，共六十七頁，2022年，8月28日

二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：(1)點接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。第二十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日(3)平面型二極管

用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。第二十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。第二十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日

一、半導體二極管的V—A特性曲線

硅：0.5V

鍺：

0.1V(1)正向特性導通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR實驗曲線uEiVmAuEiVuA鍺硅：0.7V鍺：0.3V第二十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日二.二極管的模型及近似分析計算例：IR10VE1kΩD—非線性器件iuRLC—線性器件第二十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日二極管的模型DU串聯(lián)電壓源模型UD二極管的導通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。理想二極管模型正偏反偏導通壓降二極管的V—A特性第二十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日二極管的近似分析計算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串聯(lián)電壓源模型測量值9.32mA相對誤差理想二極管模型RI10VE1kΩ相對誤差0.7V第二十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日例：二極管構(gòu)成的限幅電路如圖所示，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入信號為ui。

(1)若ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、理想二極管串聯(lián)電壓源模型計算電流I和輸出電壓uo解：（1）采用理想模型分析。

采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。第二十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日（2）如果ui為幅度±4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。解：①采用理想二極管模型分析。波形如圖所示。0-4V4Vuit2V2Vuot第二十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V

②采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析，波形如圖所示。第三十頁，共六十七頁，2022年，8月28日三.二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓UBR———

二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。

(3)反向電流IR——

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。第三十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時,其兩端電壓近似為常數(shù)穩(wěn)定電壓四、穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管正向同二極管反偏電壓≥UZ

反向擊穿＋UZ－限流電阻第三十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日

穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ——(2)動態(tài)電阻rZ——

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。

rZ=U

/I

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

(3)最小穩(wěn)定工作電流IZmin——

保證穩(wěn)壓管擊穿所對應(yīng)的電流，若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。

(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax——

超過Izmax穩(wěn)壓管會因功耗過大而燒壞。第三十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日

1.3半導體三極管半導體三極管，也叫晶體三極管。由于工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，因此，還被稱為雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor,簡稱BJT）。

BJT是由兩個PN結(jié)組成的。第三十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日一.BJT的結(jié)構(gòu)NPN型PNP型符號:三極管的結(jié)構(gòu)特點:（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度＞＞集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。--NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極--PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極第三十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日二．BJT的內(nèi)部工作原理（NPN管）

三極管在工作時要加上適當?shù)闹绷髌秒妷?。若在放大工作狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏：+UCE

－＋UBE－＋UCB－集電結(jié)反偏：由VBB保證由VCC、

VBB保證UCB=UCE-UBE>0共發(fā)射極接法c區(qū)b區(qū)e區(qū)第三十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日

（1）因為發(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成了擴散電流IEN

。同時從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴散運動，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。所以發(fā)射極電流IE≈

IEN。

（2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復合掉，形成IBN。所以基極電流IB≈

IBN。大部分到達了集電區(qū)的邊緣。1．BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程第三十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日（3）因為集電結(jié)反偏，收集擴散到集電區(qū)邊緣的電子，形成電流ICN

。

另外，集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。第三十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日2．電流分配關(guān)系三個電極上的電流關(guān)系:IE=IC+IB定義：(1)IC與IE之間的關(guān)系:所以:其值的大小約為0.9～0.99。

第三十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日(2)IC與IB之間的關(guān)系：聯(lián)立以下兩式：得：所以：得：令：第四十頁，共六十七頁，2022年，8月28日三.BJT的特性曲線（共發(fā)射極接法）(1)輸入特性曲線

iB=f(uBE)

uCE=const（1）uCE=0V時，相當于兩個PN結(jié)并聯(lián)。（3）uCE≥1V再增加時，曲線右移很不明顯。

（2）當uCE=1V時，集電結(jié)已進入反偏狀態(tài)，開始收集電子，所以基區(qū)復合減少，在同一uBE

電壓下，iB

減小。特性曲線將向右稍微移動一些。死區(qū)電壓硅0.5V鍺0.1V導通壓降硅0.7V鍺0.3V第四十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日

(2)輸出特性曲線iC=f(uCE)

iB=const

現(xiàn)以iB=60uA一條加以說明。

（1）當uCE=0

V時，因集電極無收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic

↑

。（3）當uCE

＞1V后，收集電子的能力足夠強。這時，發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不變。同理，可作出iB=其他值的曲線。

第四十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日

輸出特性曲線可以分為三個區(qū)域:飽和區(qū)——iC受uCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)uCE＜0.7

V。此時發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)也正偏。截止區(qū)——iC接近零的區(qū)域，相當iB=0的曲線的下方。此時，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大區(qū)——

曲線基本平行等距。此時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。該區(qū)中有：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)第四十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日四.BJT的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)（2）共基極電流放大系數(shù)：

iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之間2.31.5（1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)：第四十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日

2.極間反向電流

（2）集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO

基極開路時，集電極到發(fā)射極間的電流——穿透電流。其大小與溫度有關(guān)。

（1）集電極基極間反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開路時，在其集電結(jié)上加反向電壓，得到反向電流。它實際上就是一個PN結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。鍺管：ICBO為微安數(shù)量級，硅管：ICBO為納安數(shù)量級。++ICBOecbICEO第四十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日

3.極限參數(shù)

Ic增加時，要下降。當值下降到線性放大區(qū)值的70％時，所對應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。（1）集電極最大允許電流ICM（2）集電極最大允許功率損耗PCM

集電極電流通過集電結(jié)時所產(chǎn)生的功耗，

PC=ICUCE

PCM<PCM第四十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日

（3）反向擊穿電壓

BJT有兩個PN結(jié)，其反向擊穿電壓有以下幾種：

①

U（BR）EBO——集電極開路時，發(fā)射極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般幾伏～十幾伏。②

U（BR）CBO——發(fā)射極開路時，集電極與基極之間允許的最大反向電壓。其值一般為幾十伏～幾百伏。③U（BR）CEO——基極開路時，集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓。在實際使用時，還有U（BR）CER、U（BR）CES等擊穿電壓。--(BR)CEOU(BR)CBOU(BR)EBOU第四十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日

1.4三極管的模型及分析方法iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA非線性器件UD=0.7VUCES=0.3ViB≈0iC≈0一.BJT的模型++++i-uBE+-uBCE+Cibeec第四十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日截止狀態(tài)ecb放大狀態(tài)UDβIBICIBecb發(fā)射結(jié)導通壓降UD硅管0.7V鍺管0.3V飽和狀態(tài)ecbUDUCES飽和壓降UCES硅管0.3V鍺管0.1V直流模型第四十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日二.BJT電路的分析方法（直流）1.模型分析法（近似估算法）(模擬p58~59)VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC例：共射電路如圖，已知三極管為硅管，β=40，試求電路中的直流量IB、

IC、UBE、UCE。第五十頁，共六十七頁，2022年，8月28日+VCC+VBBRbRc(+12V)(+6V)4KΩ150KΩ+UBE—+UCE—IBIC0.7VβIBecbIC+VCCRc(+12V)4KΩ+UBE—IB+VBBRb(+6V)150KΩ+UCE—解：設(shè)三極管工作在放大狀態(tài)，用放大模型代替三極管。UBE=0.7V第五十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.圖解法模擬(p54~56)VCCVBBRbRc12V6V4KΩ150KΩ+uCE—IB=40μAiC非線性部分線性部分iC=f(uCE)

iB=40μAM(VCC,0)(12,0)(0,3)iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB直流負載線斜率：UCEQ6VICQ1.5mAIB=40μAIC=1.5mAUCEQ=6V直流工作點Q第五十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日

半導體三極管的型號第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規(guī)格三極管國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：3DG110B第五十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日

1.5場效應(yīng)管

BJT是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道FET分類：

絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管

場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時，只有一種載流子參與導電，因此它是單極型器件。FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。第五十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日一.絕緣柵場效應(yīng)三極管

絕緣柵型場效應(yīng)管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡稱MOSFET。分為：

增強型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道

1.N溝道增強型MOS管

（1）結(jié)構(gòu)4個電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。符號：第五十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日

當uGS＞0V時→縱向電場→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。（2）工作原理

當uGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。

再增加uGS→縱向電場↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導電溝道，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。①柵源電壓uGS的控制作用第五十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日

定義：開啟電壓（UT）——剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS。

N溝道增強型MOS管的基本特性：

uGS＜UT，管子截止，uGS＞UT，管子導通。uGS越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。第五十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日

②漏源電壓uDS對漏極電流id的控制作用

當uGS＞UT，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。（設(shè)UT=2V，uGS=4V）

（a）uds=0時，id=0。（b）uds↑→id↑；同時溝道靠漏區(qū)變窄。（c）當uds增加到使ugd=UT時，溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預夾斷。（d）uds再增加，預夾斷區(qū)加長，uds增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，id基本不變。第五十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日（3）特性曲線

四個區(qū)：（a）可變電阻區(qū)（預夾斷前）。

①輸出特性曲線：iD=f(uDS)uGS=const（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)。可變電阻區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)第五十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日

②轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f(uGS)uDS=const

可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：UT第六十頁，共六十七頁，2022年，8月28日

一個重要參數(shù)——跨導gm：

gm=iD/uGS

uDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。

在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。第六十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日

2.N溝道耗盡型MO