華中科技大學(xué)模擬電子技術(shù)課件

模擬電子技術(shù)機(jī)電學(xué)部魯艷旻目錄第1章半導(dǎo)體器件第2章放大電路分析第3章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路第4章負(fù)反饋放大電路第5章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用第6章信號(hào)產(chǎn)生電路第7章功率放大電路第8章直流電源第1章半導(dǎo)體器件第1章半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管1.3半導(dǎo)體三極管1.4光電器件半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體材料根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)硅Si和鍺Ge半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)硅Si和鍺Ge硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)硅Si和鍺Ge化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體，物理結(jié)構(gòu)呈單晶體形態(tài)?？昭ā矁r(jià)鍵中的空位。電子--空穴對(duì)——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)?？昭ǖ囊苿?dòng)——空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。硅Si和鍺Ge半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。硅Si和鍺Ge半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.N型半導(dǎo)體

2.P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)原子因而也稱為受主雜質(zhì)。硅Si和鍺Ge本節(jié)中的有關(guān)概念本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體自由電子、空穴

N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子、少數(shù)載流子施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)PN結(jié)PN結(jié)的形成PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的電容效應(yīng)半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管載流子的漂移與擴(kuò)散PN結(jié)的形成漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。P型材料：多數(shù)載流子為空穴，少子為自由電子；N型材料：多數(shù)載流子為自由電子，少子為空穴。PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)摻入不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過(guò)程:因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

PN結(jié)的形成對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少載流子，形成高阻狀態(tài)，所以也稱耗盡層或阻擋層。PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位,稱為加正向電壓,簡(jiǎn)稱正偏;反之稱為加反向電壓,簡(jiǎn)稱反偏。

1.PN結(jié)外加正向電壓低電阻大的正向擴(kuò)散電流2.PN結(jié)外加反向電壓高電阻很小的反向漂移電流由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)的單向?qū)щ娦砸欢囟认?，由本征激發(fā)決定的少子濃度一定，故少子形成的漂移電流恒定，基本與所加反向電壓大小無(wú)關(guān)，稱為反向飽和電流。PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆PN結(jié)的伏安特性3.PN結(jié)的擊穿PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)勢(shì)壘電容CBPN結(jié)的空間電荷區(qū)的電荷量隨外加電壓變化而變化。(2)擴(kuò)散電容CDPN結(jié)外加正向電壓，多數(shù)載流子在擴(kuò)散過(guò)程中引起的空間電荷區(qū)的電荷量的變化。(3)結(jié)電容CJPN結(jié)正偏時(shí)，結(jié)電容以擴(kuò)散電容為主；PN結(jié)反偏時(shí)，結(jié)電容基本等于勢(shì)壘電容。PN結(jié)PN結(jié)的形成PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的電容效應(yīng)半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型二極管結(jié)構(gòu)示意圖

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。半導(dǎo)體二極管1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號(hào)

(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，一般用于工頻、大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管2.二極管的伏安特性1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)半導(dǎo)體二極管2.二極管的伏安特性①二極管的正向?qū)顟B(tài)門坎電壓UON：硅二極管0.5V，鍺二極管0.1V。導(dǎo)通后電壓：硅二極管0.7V，鍺二極管0.2V。②二極管的反向截止?fàn)顟B(tài)反向飽和電流IS：電流值很小，基本不變。③二極管的反向擊穿狀態(tài)反向擊穿電壓UBR：普通二極管會(huì)因擊穿過(guò)熱，不可逆。1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)半導(dǎo)體二極管2.二極管的伏安特性1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)3.二極管的溫度敏感性二極管對(duì)溫度反映敏感。溫度升高時(shí)，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移。4.二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓UBR(4)最大反向工作電流IR(3)最高反向工作電壓UR半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.二極管伏安特性的建模將指數(shù)模型線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型二極管是一種非線性器件，因而電路分析常采用模型分析法。半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.二極管伏安特性的建模（2）恒壓模型半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用2.限幅電路分析方法：先斷開二極管，分析P極和N極電位，判斷二極管的狀態(tài)（正偏或反偏），再用模型分析。電路如圖：VDD=10V，R=10k

，分析電流ID。解：二極管正偏理想模型恒壓模型（硅二極管典型值）半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用2.限幅電路電路如圖，uI=6sin

tV，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅管。分別用理想模型和恒壓模型，繪出相應(yīng)的輸出電壓uO的波形。半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用2.限幅電路電路如圖，uI=5sin

tV，R=1kΩ，E1=1V，E2=2V，用理想模型，繪出輸出電壓uO的波形。uO半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用3.開關(guān)電路Y=A+B分析方法：先判斷多個(gè)二極管的狀態(tài)（正偏或反偏），同時(shí)正偏時(shí)，電壓大的二極管先導(dǎo)通，其它二極管再來(lái)判斷狀態(tài)。Y=A·B導(dǎo)通導(dǎo)通0截止導(dǎo)通5截止導(dǎo)通5導(dǎo)通導(dǎo)通5導(dǎo)通截止0導(dǎo)通導(dǎo)通0導(dǎo)通截止0截止截止5穩(wěn)壓二極管利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。1.符號(hào)及穩(wěn)壓特性穩(wěn)壓二極管(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。rZ=

UZ/

IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax

和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)

2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)穩(wěn)壓二極管3.穩(wěn)壓電路

正常穩(wěn)壓時(shí)UO=UDZ三極管的結(jié)構(gòu)及類型三極管的3種連接方式三極管的放大作用三極管的特性曲線三極管的主要參數(shù)溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響1.3半導(dǎo)體三極管三極管的結(jié)構(gòu)及類型三極管的結(jié)構(gòu)及類型三極管的3種連接方式（c）共集電極接法，集電極作為公共電極，用CC表示。（a）共基極接法，基極作為公共電極，用CB表示；（b）共發(fā)射極接法，發(fā)射極作為公共電極，用CE表示；BJT的三種組態(tài)三極管的放大作用三極管的放大作用，主要是依靠它的發(fā)射極電流能夠通過(guò)基區(qū)傳輸，然后到達(dá)集電極而實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)這一傳輸過(guò)程的兩個(gè)條件是：（1）內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)摻雜多，多子濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)多子濃度；基區(qū)很薄，摻雜少；集電區(qū)面積大，能盡可能收集多子。（2）外部條件：

發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。三極管的放大作用1.內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子；集電區(qū)：收集載流子；基區(qū)：傳送和控制載流子。（以NPN為例）三極管的放大作用2.電流的分配作用根據(jù)傳輸過(guò)程可知:IC=ICN+ICBO通常

IC>>ICBO

、

為電流放大系數(shù)，只與管子結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān)，與外加電壓無(wú)關(guān)。一般

=0.90.99

。一般

>>1。IE=IB+IC三極管的放大作用3.放大作用已經(jīng)制成的三極管，電流放大系數(shù)基本上是一定的。調(diào)節(jié)電阻RB，基極電流IB變化時(shí)，集電極電流IC也隨之變化，其變化量的比值稱為交流電流放大系數(shù)。IB微小的變化會(huì)引起IC較大的變化。三極管的特性曲線1.輸入特性曲線（以共射極放大電路為例）

iB=f(uBE)

uCE=const(2)當(dāng)uCE≥1V時(shí)，uCB=uCE

-uBE>0，集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài)，開始收集電子，基區(qū)復(fù)合減少，同樣的uBE下IB減小，特性曲線右移。(1)當(dāng)uCE=0V時(shí)，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。三極管的特性曲線2.輸出特性曲線飽和區(qū)：iC明顯受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般vCE＜0.7V(硅管)。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很小。iC=f(uCE)

iB=const輸出特性曲線的三個(gè)區(qū)域:截止區(qū)：iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)，vBE小于死區(qū)電壓。放大區(qū)：iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。三極管的主要參數(shù)(1)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICEO）/IB≈IC/IB

uCE=const1.電流放大系數(shù)

(2)共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)

=

IC/

IB

uCE=const(4)共基極交流電流放大系數(shù)α

α=

IC/

IE

UCB=const當(dāng)ICBO和ICEO很小時(shí)，≈

、≈

，可以不加區(qū)分。

(3)共基極直流電流放大系數(shù)

=（IC－ICBO）/IE≈IC/IE

三極管的主要參數(shù)

2.極間反向電流

(1)集電極基極間反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開路時(shí)，集電結(jié)的反向飽和電流。

(2)集電極發(fā)射極間的反向飽和電流ICEO

ICEO=（1+）ICBO

三極管的主要參數(shù)(1)集電極最大允許電流ICM(2)集電極最大允許功率損耗PCM

PCM=ICVCE

3.極限參數(shù)三極管的主要參數(shù)

3.極限參數(shù)(3)反向擊穿電壓

U(BR)CBO——發(fā)射極開路時(shí)的集電結(jié)反