辽宁石油化工大学-powerpointpresenta.pptx

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模拟电子技术基础,FundamentalsofAnalogElectronics童诗白、华成英主编多媒体教学课件辽宁石油化工大学信息与控制工程学院电工电子系主讲人：

穆克E-mail:

第一章半导体器件,本课程的性质是一门技术基础课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。

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。

绪论（第一讲）,第一章半导体器件,学习方法重点掌握基本概念、基本电路的分析、计算及设计方法。

成绩评定标准理论：

作业、考勤、提问、课外读书论文30%期终考试70%教学参考书童诗白主编，模拟电子技术基础第二版，高教出版社康华光主编，电子技术基础模拟部分第三版，高教出版社陈大钦主编，模拟电子技术基础问答：

例题试题，华工出版社,第一章半导体器件,课外阅读教材：

第三版童诗白,目录,常用半导体器件基本放大电路多级放大电路集成运算放大电路放大电路的频率响应放大电路中的反馈信号的运算和处理波形的发生和信号的转换功率放大电路直流稳压电源模拟电子电路读图,第三版童诗白,第一章常用半导体器件,半导体基础知识半导体二极管双极型晶体管场效应管单结晶体管和晶闸管集成电路中的元件,第三版童诗白,本章重点和考点：

二极管的单向导电性、稳压管的原理。

三极管的电流放大原理，如何判断三极管的管型、管脚和管材。

3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。

本章教学时数：

8学时,第三版童诗白,本章讨论的问题：

4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？

它为什么具有单向性？

在PN结中另反向电压时真的没有电流吗？

5.晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？

场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的？

为什么它们都可以用于放大？

为什么采用半导体材料制作电子器件？

空穴是一种载流子吗？

空穴导电时电子运动吗？

什么是N型半导体？

什么是P型半导体？

当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？

第一章半导体器件,引子：

电子技术的发展,47年58年69年75年,贝尔实验室制成第一只晶体管集成电路大规模集成电路超大规模集成电路,u,第一片集成电路只有4个晶体管，而97年一,片集成电路上有40亿个晶体管。

科学家预测集成度按10倍/6年的速度还将继续到2015或2020年，将达到饱和。

第一章半导体器件,1.1半导体的基础知识,1.1.1本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体一、导体、半导体和绝缘体导体：

自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。

绝缘体：

有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。

半导体：

另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。

第一章半导体器件,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。

例如：

当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。

光敏器件往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。

二极管,+4,+4,+4,+4,+4,+4,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体+4+4+4,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。

价电子,共价键,图1.1.1,本征半导体结构示意图,二、本征半导体的晶体结构,当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。

+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,图1.1.2,本征半导体中的自由电子和空穴,自由电子+4,空穴,T,若T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。

空穴可看成带正电的载流子。

三、本征半导体中的两种载流子,（动画1-1）（动画1-2）,第一章半导体器件,四、本征半导体中载流子的浓度,在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。

本征半导体中载流子的浓度公式：

T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.431010/cm3本征锗的电子和空穴浓度:

n=p=2.381013/cm3,本征激发,复合,动态平衡,带负电的自由电子带正电的空穴,本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。

本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni=pi。

由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。

在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。

载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。

小结：

1.半导体中两种载流子,1.1.2杂质半导体,杂质半导体有两种,N型半导体P型半导体,一、N型半导体（Negative）在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体（或称电子型半导体）。

常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。

本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。

杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。

自由电子浓度远大于空穴的浓度，即np。

电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。

5价杂质原子称为施主原子。

+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+5,+4自由电子,施主原子,图1.1.3,N型半导体,二、P型半导体,+4,+4+4+4,+4,+4,+4,+4,在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。

+34,空穴浓度多于电子浓度，即pn。

空穴为多数载流子，电子为少数载流子。

3价杂质原子称为受主原子。

受主原子,空穴,图1.1.4,P型半导体,说明：

1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。

杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。

杂质半导体总体上保持电中性。

杂质半导体的表示方法如下图所示。

（a）N型半导体,（b）P型半导体,图杂质半导体的的简化表示法,P,N,PN结,图PN结的形成,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。

一、PN结的形成,1.1.3PN结,PN结中载流子的运动,耗尽层空间电荷区,P,N,2.扩散运动形成空间电荷区PN结，耗尽层。

P1.扩散运动电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。

N,（动画1-3）,3.空间电荷区产生内电场,P,N,内电场,Uho,空间电荷区正负离子之间电位差Uho电位壁垒；内电场；内电场阻止多子的扩散阻挡层。

4.漂移运动内电场有利于少子运动漂移。

少子的运动与多子运动方向相反,阻挡层空间电荷区,5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；,当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。

即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。

P,N,对称结不对称结,二、PN结的单向导电性,V,内电场方向外电场方向R,I,空间电荷区变窄，有利,1.PN结外加正向电压时处于导通于状扩态散运动，电路中有较大的正向电流。

又称正向偏置，简称正偏。

耗尽层,图1.1.6,P,N,什么是PN结的单向导电性？

有什么作用？

在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。

2.PN结外加反向电压时处于截止状态（反偏）反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。

耗尽层,图1.1.7PN结加反相电压时截止反向电流又称反向饱和电流。

对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。

P,N,内电场方向外电场方向,V,R,IS,（动画1-4）（动画1-5）,综上所述：

当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。

可见，PN结具有单向导电性。

三、PN结的电流方程,PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为,IS：

反向饱和电流UT：

温度的电压当量在常温（300K）下，UT26mV公式推导过程略,四、PN结的伏安特性,604020,00.51.0,25,50,i=f（u）之间的关系曲线。

i/mA,u/V,正向特性,死区电压,0.002击穿电压反向特性U（BR）0.004,图1.1.10,PN结的伏安特性,反向击穿齐纳击穿雪崩击穿,五、PN结的电容效应,当PN上的电压发生变化时，PN结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。

电容效应包括两部分,势垒电容扩散电容,1.势垒电容Cb是由PN结的空间电荷区变化形成的。

（a）PN结加正向电压,（b）PN结加反向电压,空间电荷区,V,R,I+,U,N,空间电荷区,PNP,R,I,+,-,U,V,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。

曲线如图示。

u,势垒电容的大小可用下式表示：

半导体材料的介电比系数；S：

结面积；l：

耗尽层宽度。

Cb由于PN结宽度l随外加电压u而变化，因此势垒电容Cb不是一个常数。

其Cb=f（U）,O图1.1.11（b）,2.扩散电容Cd是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。

在某个正向电压下，P区中的电子浓度np（或N区的空穴浓度,pn）分布曲线如图中曲线1所示。

当电压加大，np（或pn）会升高，如曲线2所示（反之浓度会降低）。

O,x,nP,Q,2,Q1,正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程扩散电容效应。

当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。

x=0处为P与耗尽层的交界处图1.1.12,NP,PN结,综上所述：

PN结总的结电容Cj包括势垒电容Cb和扩散电容Cd两部分。

一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为CjCd；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为CjCb。

Cb和Cd值都很小，通常为几个皮法几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。

在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。

第一章半导体器件,1.2半导体二极管（第二讲）,二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型,图1.2.1二极管的几种外形,第一章半导体器件,1点接触型二极管,（a）点接触型,二极管的结构示意图,1.2.1半导体二极管的几种常见结构,PN结面积小，结,电容小，用于检波和变频等高频电路。

第一章半导体器件,3平面型二极管,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。

4二极管的代表符号,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,（c）平面型,D,第一章半导体器件,1.2.2二极管的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性硅二极管2CP10的伏安特性,开启电压：

0.5V导通电压：

0.7,一、伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示,锗二极管2AP15的伏安特性,U（BR）,Uon开启电压：

0.1V导通电压：

0.2V,第一章半导体器件,二、温度对二极管伏安特性的影响,在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反,向特性将下移。

二极管的特性对温度很敏感。

50,I/mA,U/V,0.20.4,25,15105,0.010.02,0,温度增加,第一章半导体器件,1.2.3二极管的参数,最大整流电流IF反向击穿电压U（BR）和最高反向工作电压URM,（3）反向电流IR,（4）最高工作频率f,M,（5）极间电容Cj,在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。

第一章半导体器件,1.2.4二极管等效电路,一、由伏安特性折线化得到的等效电路1.理想模型2.恒压降模型,3.折线模型,第一章半导体器件,二、二极管的微变等效电路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。

即根据得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,图1.2.7二极管的微变等效电路,第一章半导体器件,应用举例,二极管的静态工作情况分析VDD=10V时（R=10k）理想模型恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设,第一章半导体器件,例1.2.1,电路如图所示，UD=0.7V，试估算开关断开和闭合输出电压UO。

V1=6V,DSV1=12V,R,第一章半导体器件,应用举例,例1：

P66习题1.3解：

采用理想电路模型ui和uo的波形如图所示例2：

P66习题1.5解：

采用恒压降电路模型二个二极管共阳极接法输入电压小者先导通ui和uo的波形如图所示,第一章半导体器件,1.2.5稳压二极管,（a）符号,（b）2CW17伏安特性,一、稳压管的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，反向电压应大于稳压电压。

DZ,第一章半导体器件,二、稳压管的主要参数稳定电压UZ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。

动态电阻rZrZ=VZ/IZ最大耗散功率PZM最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin,（5）温度系数,VZ,第一章半导体器件,稳压电路正常稳压时UO=UZ,#不加R可以吗？

如电路参数变化？

（1）设电源电压波动（负载不变）UIUOUZIZUOURIR,UO,UI,第一章半导体器件,稳压电路正常稳压时UO=UZ,#上述电路UI为正弦波，且幅值大于UZ，UO的波形是怎样的？

IZ=-ILIR基本不变,如电路参数变化？

（2）设负载变化（电源不变）,UO,UI,RLUOUZIZ,IR,L,R,II,第一章半导体器件,例1：

稳压二极管的应用,ui,uO,R,DZ,iLizUZRL,若负载电阻变化范围为1.5k压？

i,稳压二极管技术数据为：

稳压值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200，求iZ。

-k，是否还能稳,ui,uO,R,DZ,i,iz,i,L,UZ,ui=12V,第一章半导体器件UZ=10VR=200RL,zmax,I=12mA,zmin,I=2mA,k,RL=2kkiL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）,RL=1.5kiL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4kiL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用,第一章半导体器件,例2：

稳压二极管的应用（P67习题1.11）,解：

ui和uo的波形如图所示,（UZ3V）,ui,uO,DZ,R,（a）,（b）,ui,uO,R,DZ,第一章半导体器件,一、发光二极管LED（LightEmittingDiode）,1.符号和特性,工作条件：

正向偏置,一般工作电流几十mA，导通电压（12）V,符号,u/V,i/mA,O,2,特性,1.2.6其它类型的二极管,第一章半导体器件,发光类型：

可见光：

红、黄、绿不可见光：

红外光显示类型：

普通LED，七段LED,点阵LED,第一章半导体器件,二、光电二极管符号和特性,符号,特性,u,i,O,E=200lx,E=400lx,工作原理：

无光照时，与普通二极管一样。

有光照时，分布在第三、四象限。

三、变容二极管四、隧道二极管（请同学们上网查找有关资料，写在作业本上）五、肖特基二极管（请同学们上网查找有关资料，写在作业本上）,1.3双极型晶体管（BJT）第三讲,又称半导体三极管、晶体三极管，或简称晶体管。

（BipolarJunctionTransistor）三极管的外形如下图所示。

X：

低频小功率管D：

低频大功率管G：

高频小功率管A：

高频大功率管图1.3.1三极管的外形三极管有两种类型：

NPN型和PNP型。

主要以NPN型为例进行讨论。

我国晶体管得型号命名方法,1.3.1晶体管的结构及类型,常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。

（b）合金型（PNP）,eb,b,e,N,PP,e发射极，b基极，c集电极。

N,c（a）平面型（NPN）图1.3.2a三极管的结构,二氧化硅,集电区,N发射区P基区,基区,发射区,集电区c,图1.3.2（b）,NPN型,e,c,b,符号,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极c,基极b,发射极e三极管结构示意图和符号,N,N,P,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极c,发射极e,基极b,c,b,e符号,N,NP,P,N,图1.3.2,三极管结构示意图和符号,（b）PNP型,1.3.2晶体管的电流放大作用,以NPN型三极管为例讨论,c,N,N,P,e,b,b,e,c,表面看,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。

不具备放大作用,三极管内部结构要求：

N,b,c,N,PP,1.发射区高掺杂。

2.基区做得很薄。

通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。

3.集电结面积大。

e三极管放大的外部条件：

外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。

实验,共射极放大电路,UBB,U,CC,b+uBE,i,C,i,B,c+uCE-e-iE,表1-1,电流单位：

mA,e,c,Rc,一、晶体管内部载流子的运动,IE,IBbRb,2.,1.发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流IE（基区多子数目较少，空穴电流可忽略）。

2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ibn，复合掉的空穴由VBB补充。

多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。

晶体管内部载流子的运动,e,c,IE,IBbRc,Rb,3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic,集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流Icn。

其能量来自外接电源VCC。

IC,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。

I,CBO,晶体管内部载流子的运动,c,ee,Rc,二、晶体管的电流分配关系,IEp,ICBO,IC,IBbRb,IEnIE,IBn,ICn,IC=ICn+ICBO,IE=ICn+IBn+IEp=IEn+IEp,IE=IC+IB,图1.3.4晶体管内部载流子的运动与外部电流,IB=IEP+IBNICBO,II,BNCBO,第一章半导体器件三、晶体管的共射电流放大系数,整理可得：

共发射极接法ICBO称反向饱和电流,ICEO称穿透电流,1、共射直流电流放大系数,2、共射交流电流放大系数,VCC,Rb,VBB,T,IC,C1+IB,R,c,+C2,第一章半导体器件,3、共基直流电流放大系数,或,4、共基交流电流放大系数,直流参数与交流参数但是，对于大多数三极管来说，,、的含义是不同的，与，与的数值,却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。

5.与的关系,+,ICC2,C1+IE,VEE,Re,VCC,Rc,共基极接法,第一章半导体器件,1.3.3晶体管的共射特性曲线,iB=f（uBE）,UCE=const,当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。

当uCE1V时，uCB=uCE-uBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，在同样的uBE下IB减小，特性曲线右移。

一.输入特性曲线,CE,u=0V,u,CE,1V,BE,uuBE/VV,共射极放大电路,UBB,U,CC,b+uBE,iC,i,B,c+uCE-e-,第一章半导体器件,iC=f（uCE）,IB=const,二、输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:

饱和区：

iC明显受uCE控制截放的止大区区区域：

，ii该CC接平区近行域零于内的u，CE轴的,一区区般域域u，相曲0当.线7Vi基B（=硅本0的管平曲）行。

等距。

CE此线此时的时，下，发方发射。

射结此结正时正偏，偏，集集电电u结BE反正小偏于。

或死反区偏电电压压，很小集。

电结反偏。

第一章半导体器件,三极管的参数分为三大类:

直流参数、交流参数、极限参数一、直流参数1.共发射极直流电流放大系数,=（ICICEO）/IBIC/IB,vCE=const,1.3.4晶体管的主要参数,2.共基直流电流放大系数,3.集电极基极间反向饱和电流ICBO,集电极发射极间的反向饱和电流ICEO,ICEO=（1+,）ICBO,第一章半导体器件,二、交流参数,1.共发射极交流电流放大系数,=iC/iB,U=constCE,2.共基极交流电流放大系数,=iC/iE,UCB=const,3.特征频率fT值下降到1的信号频率,第一章半导体器件,PCM=iCuCE,三、极限参数,最大集电极耗散功率PCM最大集电极电流ICM反向击穿电压UCBO发射极开路时的集电结反向击穿电压。

UCEO基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。

UEBO集电极开路时发射结的反向击穿电压。

几个击穿电压有如下关系,UCBOUCEOUEBO,第一章半导体器件,由PCM、ICM和UCEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。

PCM=iCuCE,UCE/VU（BR）CEO输出特性曲线上的过损耗区和击穿区,第一章半导体器件,604020,1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响I/mA,00.40.8U/V,600200,温度升高将导致IC增大,一、温度对ICBO的影响温度每升高100C，ICBO增加约一倍。

反之，当温度降低时ICBO减少。

硅管的ICBO比锗管的小得多。

iC二、温度对输入特性的影响温度升高时正向特性左移，反之右移三、温度对输出特性的影响,uCE,O,iB,200,温度对输入特性的影响600,温度对输出特性的影响,第一章半导体器件三极管工作状态的判断,例1：

测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下，,试判别管子工作在什么区域？

（1）VC6V

（2）VC6V（3）VC3.6V,VB0.7VVE0V,VB4VVB4V,VE3.6VVE3.4V,解：

对NPN管而言，放大时VCVBVE对PNP管而言，放大时VCVBVE放大区截止区饱和区,原则：

截止放大饱和发射结反偏正偏正偏集电结反偏反偏正偏,第一章半导体器件,例2,某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。

IA-2mA,IB-0.04mA,IC+2.04mA,试判断管脚、管型。

解：

电流判断法。

电流的正方向和KCL。

IE=IB+IC,A,B,C,IA,IB,IC,C为发射极,B为基极A为集电极。

管型为NPN管。

管脚、管型的判断法也可采用万用表电阻法。

参考实验。

第一章半导体器件,例3：

测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、,U3分别为：

（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V

（2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V（3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V