模擬電子技術(shù)

模擬電子技術(shù)第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日1本章目標(biāo)掌握1．半導(dǎo)體二極管的伏安特性和基本應(yīng)用電路分析；2．半導(dǎo)體三極管的輸入、輸出特性；3．場效應(yīng)管的輸出特性、轉(zhuǎn)移特性；4．放大的基本概念及放大電路主要技術(shù)指標(biāo)的含義；5．放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)及動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)的分析方法。理解1．N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體以及PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?．半導(dǎo)體三極管放大電路三種基本組態(tài)的電路組成、工作原理和性能特點(diǎn)；3．場效應(yīng)管共源、共漏基本放大電路的電路組成、工作原理及性能特點(diǎn)；4．二極管應(yīng)用電路（整流、限幅、鉗位）的工作原理。了解1.二極管和三極管的主要性能參數(shù)和測試方法。第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日22.1半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體基本知識

PN結(jié)及其單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及特性二極管的等效電路分析二極管的基本應(yīng)用電路第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日32.1.1半導(dǎo)體（Semiconductor）基本知識半導(dǎo)體—

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。（如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等）本征半導(dǎo)體

—純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料的純度達(dá)到99.9999999%，稱為“九個(gè)9”。物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。半導(dǎo)體材料且具有摻雜和光、熱敏特性。第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日4溫度：溫度上升，電阻率下降。鍺由20℃上升到30℃，電阻率降低一半。摻雜：摻入少量的雜質(zhì)，會使電阻率大大降低。純硅中摻入百萬分之一的硼，電阻率由

2.3×105·cm降至0.4·cm。光照：光照使電阻率降低。利用半導(dǎo)體的這些特性制成了各種各樣的半導(dǎo)體器件。引起導(dǎo)電性能產(chǎn)生很大變化的外界條件有：第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日52.1.1半導(dǎo)體（Semiconductor）基本知識硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)Si284Ge28184半導(dǎo)體原子簡化模型+4慣性核價(jià)電子(束縛電子)+4+4+4+4+4+4+4+4+4價(jià)電子共價(jià)鍵硅(鍺)晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵—本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。相鄰原子共有價(jià)電子所形成的束縛。當(dāng)溫度T=0

K時(shí)，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日6+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征激發(fā)：

在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位(空穴)的過程。2.1.1半導(dǎo)體（Semiconductor）基本知識本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴空穴可看成帶正電的載流子載流子—自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴兩種載流子。自由電子空穴復(fù)合—自由電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中相遇重新結(jié)合成對消失的過程。漂移—自由電子和空穴在電場作用下的定向運(yùn)動(dòng)。第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日7兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運(yùn)動(dòng)自由電子(在共價(jià)鍵以外)的運(yùn)動(dòng)空穴(在共價(jià)鍵以內(nèi))的運(yùn)動(dòng)

結(jié)論：1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；電子和空穴兩種載流子均參與導(dǎo)電；

2.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度和光照激發(fā)有關(guān)。自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱。2.1.1半導(dǎo)體（Semiconductor）基本知識第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日81、N（Negative）型半導(dǎo)體和P(Positive)型半導(dǎo)體N型+5+4+4+4+4+4五價(jià)雜質(zhì)原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)P型+3+4+4+4+4+4三價(jià)雜質(zhì)原子空穴空穴—

多子電子—

少子載流子數(shù)空穴數(shù)2.1.1半導(dǎo)體（Semiconductor）基本知識—摻雜第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日92、P型、N型半導(dǎo)體的簡化圖示負(fù)雜質(zhì)離子多子少子多子少子結(jié)論（1）雜質(zhì)半導(dǎo)體雖有一種載流子占多數(shù),但整個(gè)半導(dǎo)體呈中性。（２）半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決多子的濃度。P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體正雜質(zhì)離子施主離子受主離子2.1.1半導(dǎo)體（Semiconductor）基本知識—摻雜第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日10在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體，兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，稱為PN結(jié)。PNPN結(jié)

PN結(jié)的形成一、PN結(jié)的形成2.1.2PN結(jié)(PNJunction)及其單向?qū)щ娦缘谑豁?，共三十五頁?022年，8月28日111.載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2.復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡區(qū)、勢壘區(qū))

空間電荷區(qū)特點(diǎn):無載流子，阻止擴(kuò)散進(jìn)行，利于少子的漂移。3.擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流等于漂移電流，總電流I=0。內(nèi)建電場2.1.2PN結(jié)(PNJunction)及其單向?qū)щ娦缘谑摚踩屙摚?022年，8月28日12二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.外加正向電壓(正向偏置)P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場+

UR外電場外電場使多子向PN結(jié)移動(dòng),中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流IF2.外加反向電壓(反向偏置)P

區(qū)N

區(qū)

+UR內(nèi)電場外電場外電場使少子背離PN結(jié)移動(dòng)，空間電荷區(qū)變寬。IR正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大;反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流IR于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小IR=I少子

0空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電路中有較大的正向電流。第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日13三、PN結(jié)的伏安特性O(shè)u

/Vi

/mA正向特性UUthi

急劇上升0U

Uth

i=0反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U0i=-IS

U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)1、正向特性2、反向特性第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日143、PN結(jié)的電流方程反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng)T=300(27C)：UT

=26mV第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日15加正向電壓

uD>0幾乎與反向電壓的大小無關(guān)加反向電壓

uD<0第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日16自測題：P23

評測一第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日17一、二、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管(Diode)符號：正極負(fù)極分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金平面型集成電路中平面型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)與特性第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日18一、二、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日19三、二極管的伏安特性O(shè)uD/ViD/mA正向特性

UthUon

開啟電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)UUthiD急劇上升0U

Uth

導(dǎo)通電壓Uon

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)幾十A

(鍺)U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)導(dǎo)通電壓第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日20反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(ZenerBreakdown)反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。

(高摻雜：擊穿電壓<6V，負(fù)溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。—PN結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)?！狿N結(jié)燒毀。(低摻雜：擊穿電壓>6V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在6V左右時(shí)，溫度系數(shù)趨近零。三、二極管的伏安特性(AvalancheMultiplication)第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日21硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020結(jié)論：鍺管比硅管易導(dǎo)通，硅管比鍺管反向飽和電流小得多，所以硅管的單向?qū)щ娦院蜏囟确€(wěn)定性較好。三、二極管的伏安特性第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日22溫度對二極管特性的影響604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT

升高時(shí)，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度增加，導(dǎo)致PN結(jié)內(nèi)建電位差UB減小。UD(on)以

(22.5)mV/C下降三、二極管的伏安特性二極管的特性對溫度很敏感，具有負(fù)溫度系數(shù)。第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日23四、二極管的主要參數(shù)1.

IF—

最大整流電流(最大正向平均電流)2.

URM—

最高反向工作電壓，為U(BR)/23.

IR

—

反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?4.

fM—

最高工作頻率(超過時(shí)單向?qū)щ娦宰儾?iDuDU(BR)IFURMO第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日242.1.4理想二極管及二極管特性的折線近似一、理想二極管模型特性uDiD符號及等效模型SS正偏導(dǎo)通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=二、二極管的恒壓降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)UD(on)第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日252.1.4理想二極管及二極管特性的折線近似四、二極管的交流小信號模型三、二極管的折線近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/rDrDUD(on)rD微變等效：二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日26rd的計(jì)算rd與靜態(tài)工作電流有關(guān)。第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日27

應(yīng)用舉例【例】二極管的靜態(tài)工作情況分析1、理想模型（R=10k）設(shè)VDD=10V2、恒壓模型（硅二極管典型值）3、折線模型（硅二極管典型值）設(shè)第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日28【例】

試求電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓UO的值。解：假設(shè)二極管斷開UP=15VUP>UN二極管導(dǎo)通等效為0.7V的恒壓源UO=VDD1

UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12VPN第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日29【例】

ui=2sin

t(V)，分析二極管的限幅作用并畫輸出波形。解：因ui較小，宜采用恒壓降模型D1D2uiuORui<0.7VD1、D2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VD2導(dǎo)通D１截止ui<

0.7VD1導(dǎo)通D2截止uO=0.7V思考題:

D1、D2支路各串聯(lián)一個(gè)恒壓源，輸出波形如何變化？OtuO/V0.7Otui

/V20.7第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日30【例】電路如圖所示，二極管導(dǎo)通壓降UD=0.7V，試分別計(jì)算開關(guān)斷開和閉合時(shí)的UR?！窘狻慨?dāng)開關(guān)斷開時(shí)，二極管因加正向電壓而導(dǎo)通，故

UR=US1－UD

=7.3（V）當(dāng)開關(guān)接