模拟电子技术基础教程课件

1、多媒体教学课件,模拟电子技术基础 Fundamentals of Analog Electronics 童诗白、华成英 主编,第四版童诗白,1. 本课程的性质,电子技术基础课,2. 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,3. 研究内容,以器件为基础、以电信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。,4. 教学目标,能够对一般性的、常用的模拟电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。,导 言,第四版童诗白,5. 学习方法,重点掌握基本概念；基本电路的结构、性能特点；基本分析估算方法。,6. 课时及成绩评定标准,课时：80学时=64(理论）+16（实验） 平时10%+实验30%+卷面60%,7. 教学参考书,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， 华科大出版社 陈 洁主编， EDA软件仿真技术快速入门- Protel99SE+Multisim10+Proteus 7 中国电力出版社,导 言,第四版童诗白,目录,第四版童诗白,（6学时）,5,第四版童诗白,电子技术:,

2、通常我们把由电阻、电容、三极管、二极管、集成电路等电子元器件组成并具有一定功能的电路称为电子电路，简称为电路。 一个完整的电子电路系统通常由若干个功能电路组成，功能电路主要有：放大器、滤波器、信号源、波形发生电路、数字逻辑电路、数字存储器、电源、模拟/数字转换器等。,电子技术就是研究电子器件及电路系统设计、分析及制造的工程实用技术。目前电子技术主要由模拟电子技术和数字电子技术两部分组成。,在电子技术迅猛发展的今天，电子电路的应用在日常生活中无处不在，小到门铃、收音机、DVD播放机、电话机等，大到全球定位系统GPS（Global Positioning Systems）、雷达、导航系统等。,6,第四版童诗白,模拟电子技术：,模拟电子技术主要研究处理模拟信号的电子电路。 模拟信号就是幅度连续的信号，如温度、压力、流量等。,数字电子技术主要研究处理数字信号的电子电路。 数字信号通常是指时间和幅度均离散的信号，如电报信号、计算机数据信号等等。,时间,时间,幅度,幅度,T 2T 3T 4T 5T 6T,数字电子技术：,第四版童诗白,第一章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二

3、极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6集成电路中的元件,本章讨论的问题：,2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？,3.什么是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？,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？,1.为什么采用半导体材料制作电子器件？,第四版童诗白,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,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。,一、导体、半导体和绝缘体,第四版童诗白,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。,往纯

4、净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,第四版童诗白,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,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 = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,第四版童诗白,第四版童诗白,图 1.1.2 本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子,空穴,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。,T ,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）,第四版童诗白,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=300 K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,ni= pi= K1T3/2 e

5、-EGO/(2KT),本征激发,复合,动态平衡,第四版童诗白,1. 半导体中两种载流子,2. 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。,3. 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 。,4. 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。,5. 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：,第四版童诗白,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。,第四版童诗白,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 n p 。 电子称为多

6、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。,第四版童诗白,第四版童诗白,二、 P 型半导体,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。,空穴浓度多于电子浓度，即 p n。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。,第四版童诗白,19,图 1.1.4 P 型半导体,受主原子,空穴,第四版童诗白,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。,3. 杂质半导体总体上保持电中性。,4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。,2. 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。,(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,第四版童诗白,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。,图 PN 结的形成,一、PN 结的形成,1.1.3 PN结,第四版童诗白,PN 结中载流子的运动,耗尽层,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷

7、区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结，耗尽层。,（动画1-3）,第四版童诗白,3. 空间电荷区产生内电场,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,第四版童诗白,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。,对称结,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,不对称结,第四版童诗白,二、 PN 结的单向导电性,1. PN结 外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置，简称正偏。,图 1.1.6,第四版童诗白,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

8、；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,第四版童诗白,图 1.1.7 PN 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。,第四版童诗白,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。,（动画1-4）,（动画1-5）,综上所述：,可见， PN 结具有单向导电性。,第四版童诗白,IS ：反向饱和电流 UT ：温度的电压当量 在常温(300 K)下， UT 26 mV,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,公式推导过程略,第四版童诗白,四、PN结的伏安特性,i = f (u )之间的关系曲线。,正向特性,反向特性,图 1.1.10 PN结的伏安特性,反向击穿 齐纳击穿 雪崩击穿,第四版童诗白,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

9、荷区变化形成的。,(a) PN 结加正向电压,（b) PN 结加反向电压,第四版童诗白,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。,势垒电容的大小可用下式表示：,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) 曲线如图示。, ：半导体材料的介电比系数； S ：结面积； l ：耗尽层宽度。,第四版童诗白,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。,x = 0 处为 P 与 耗尽层的交界处,当电压加大，np (或 pn)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。,当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。,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。,图 1.1.12,第四版童诗白,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。,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。,当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。,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 Cj Cd；,在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。,第四版童诗白,1.2 半导体二极管,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,第四版童诗白,1 点接触型二极管,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。,第四版童诗白,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。,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,4 二极管的代表符号,D,第四版童诗白,1.2.2二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式

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