1、 模 拟 电 子 技 术 基 础 本科生适用 河北工业大学 电气与自动化学院电工电子中心第一章 半导体器件基础知识 （8学时） （3学时）绪论 半导体基础知识 N型、P型、PN结 （1学时）半导体二极管 结构、特性曲线、参数 （3学时）半导体三极管 结构、特性曲线、参数 （1学时）场效应管 结构、特性及特点 第1章 常用半导体器件 主要知识要点： 半导体基础知识： 1 本征半导体：本征激发和复合；两种载流子（空穴和电子）。 2 掺杂半导体：P型半导体及N型半导体；多子；少子。 3 PN结：扩散与漂移；空间电荷区，电流指数方程；势垒电容；扩散电容。 半导体二极管： 1 单向导电性。 2 直流模型
2、；微变等效模型。 3 稳压二极管 半导体三极管： 1结构，特性曲线，工作区，常用参数。场效应管： 1 结型场效应管：沟道；夹断；输出特性，转移特性。2 绝缘栅型场效应管：增强型，耗尽型；反型层，输出特性；转移特性。1.1 半导体基础知识 1.1.1 本征半导体（Intrinsic Semiconductor一、半导体 (Semiconductor) 导体（低价元素）半导体绝缘体（高价元素）金、银、铜、铁等硅、锗。镓等橡胶、惰性气体等Silicon, germanium, gallium, arsenide 二、本征半导体的晶体结构 本征： 本质，纯净，洁净 三、本征半导体的两种载流子 自由电子
3、（free electron）空穴（hole电子电流和空穴电流；载流子（carrier四、本征半导体的载流子浓度 本征激发现象：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象；复合现象： 半导体中自由电子和空穴相遇结合的现象。本征激发与复合达到动态平衡（一定温度下） 共价键 Covalent bond 共价键结构平面示意图） ） kT2E2/31iiGOeTKpn = 式中：ni、pi分别为自由电子和空穴的浓度，K1为与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量，T为热力学温度，k为玻尔兹曼常数，EGO为热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称禁带宽度。 本征半导体热敏，光敏。 1.1.2 杂质
4、半导体(Extrinsic Semiconductor) 一、N型半导体(N-type semiconductor) 本征半导体掺入五价元素（锑 antimony， 磷 phosphorus，砷 arsenid）形成N型半导体。杂质半导体载流子成分：原有自由电子，原有空穴，掺杂自由电子。由于掺杂后自由电子数量增加使得复合机会相应增加，故掺杂后N型半导体中自由电子数量较掺杂前有所减少。 自由电子： 多数载流子，简称多子（majority carrier） 空穴： 少数载流子，简称少子 (minority carrier) 五价掺杂元素： 施主杂质 （donor impurity） 例：掺杂浓度
5、51016/cm3 硅原子密度：4.961022/cm3T=300K时，本征激发浓度约1.431010/cm3二、P型半导体(P-type semiconductor) 掺入三价元素（硼 boron， 镓 gallium， 铟 indium）形成P型半导体 载流子成分： 空穴：多数载流子 电子：少数载流子 三价掺杂元素： 受主杂质( acceptor impurity) 1.1.3 PN结(PN Junction) 一、 PN结的形成 形成过程： 扩散运动：由于浓度差别而引起的载流子由浓度高区向浓度低区定向运动的现象。 漂移运动：在电场作用下引起载流子定向运动的现象。 扩散形成空间电荷区（sp
6、ace charge region） 多子扩散(diffussion)、少子漂移-(drift) 扩散和漂移达到动态平衡后形成PN结 内电场有N区指向P区 空间电荷区又称耗尽层（depletion layer） 内电场方向二、 PN结的单向导电性 1 导通状态 PN结加正向电压，PN结内电场被削弱、PN结变薄，多数载流子扩散运动增请，扩散电流增加。 漂移电流减小。 2 截止状态 PN结加反向电压，PN结内电场被增强，PN结变宽，多数载流子扩散运动被减若，少数载流子漂移运动增强，形成反向电流。反向电流非常小，近似分析时可忽略，认为此时PN结处于截止不导通状态。 漂移电流受温度影响大。而扩散电流不
7、受温度影响。 三、 PN 结的电流方程 由理论分析知，PN结所加电压与流过它的电流关系如下： )1IIUU=T(eS： 常温下（T=300K）UT=26mV 四、 PN结的伏安特性 正向特性： 指数规律 反向特性： 反向阻断 击穿特性 雪崩击穿： 载流子获得足够的动能将共价键中的电子碰撞出来产生电子空穴对。新产生的载流子再去碰撞其他的中性原子有产生新的电子空穴对。这种碰撞电离称为雪崩击穿。 齐纳击穿： 阻挡层内的场强非常高时（掺杂浓度高，阻挡层很薄，容易建立很强的场强）足以把阻挡层内的中性原子的价电子直接从共价键中拉出来。产生自由电子空穴对。这个过程称为场致激发。场致激发产生大量的载流子，使P
8、N结的反向电流剧增，呈反向击穿现象，叫齐纳击穿。 死区 五、 PN结的电容效应 1 势垒电容（depletion capacitance） 由于耗尽层宽度变化引起的电荷量变化效应 2 扩散电容(diffussion capacitance) 由于非平衡少数载流子浓度变化而引起的电荷量变化效应。由于多余过量积存对方扩散过来的非平衡少子数量发生变化而形成。 *PN结正向偏置： 两种电容效应 *PN 结反向偏置： 势垒电容效应。（扩散电容因为没有形成扩散所以不存在。） *只有在高频工作状态才考虑电容效应。 1.2 半导体二极管 1.2.1 常见结构 点接触型 面接触型 平面型 1.2.2 二极管的伏
9、安特性 开启电压 U(on) threshold voltage 反向饱和电流 Is reverse saturation current 击穿电压 U(BR) breakdown voltage 1.2.3 二极管的主要参数 1 最大整流电流 IF：二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。 2 最高反向工作电压UR：二极管工作时允许外加的最大反向电压，通常UR为U(BR)的一半。 3 反向电流IR：二极管未击穿时的反向电流。 4 最高工作频率fM：二极管工作的上限频率。 1.2.4 二极管的等效电路 一、折线化等效电路 UonUonrDUon理想模型、恒压降模型、分段线性模型 二、二极管
10、的微变电路 uDiDIDiDQuDUDrdiD+-uDTDUuTSDUuSDDDDdUIeUIdu)1e(Iddudiuir1TDTD=DTdIUr 三、高频模型 正向偏置时， 电容效应为势垒电容加扩散电容，反向偏置时，电容效应只有势垒电容。 1.2.5 稳压二极管 一、稳压管的伏安特性 二、稳压管的主要参数 1 稳定电压Uz 2 稳定电流Iz 3 额定功耗PZM4 动态电阻 5 温度系数 RRLDZIZUIIL+-minLminZaxImmaxZIRUUI =Iz取最小的条件 maxLmaxZinImminZIRUUI =Iz取最大的条件 1.3 双极型晶体管 （Bipolar Juncti
11、on Transistor） 双极型：两种载流子参与导电的器件 1.3.1 晶体管的结构及类型 发射极、基极、集电极。发射结、集电结。PNP型、NPN型 发射区掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，基区薄。 1.3.2 晶体管的电流放大作用 一、晶体管的内部载流子运动 CCV- + u I uoV BB发射结正偏、集电结反偏。电流放大作用注意三个要点（过程）： 1 发射结扩散运动产生IE； IE=IEN+IEP2 扩散到基区的自由电子与空穴复合产生IB； 3 集电结反偏，漂移运动产生IC。 二、晶体管的电流分配关系 IE=IEN+IEP=ICN+IBN+IEPIC=ICN+ICBOIB=IBN+IEP
12、-ICBO=IB-ICBOIE=IC+IB三、晶体管的共射电流放大倍数 CBOBCBOCBCNIIIIII+= CEOBCBOBCIII)1(II +=+= 1,IICBOB BCII BEI)1(I + BCii = ICBO：集电极反向饱和电流 ICEO：穿透电流 共基直流电流放大倍数 CBOECBOCNCIIIII +=+= 共基交流电流放大倍数 ECNII= +=1=1ECii = 1.3.3 晶体管的共射特性曲线 一、输入特性曲线 UCE一定，iBUBE, iB-f(UBE)|UCE=Const. UCE1V后，集电结场强足以将发射区注入基区的绝大部分非平衡载流子都收集到集电区。 二
13、、输出特性曲线 1 截止区 UBEUon, UCEUBE, IB=0, iC=ICEO2 放大区 UBEUon, UCEUBE, iC=IB 3 饱和区 UBEUon, UCEUCEXUCESUCERUCEO UEBO一般只有几伏 1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响 一、温度对ICBO的影响 平衡少子漂移形成，少子数量取决于本征激发，故受温度影响较大。 二、温度对输入特性的影响 三、温度对输出特性的影响 第二章 基本放大电路 （8学时） （2学时）放大电路的组成、特点与性能指标 基本共射放大电路的工作原理 放大电路分析方法 交、直流通路 （2学时）图解法 作图方法和原则；工作点与失真；交
14、、直流负载线；适用场合 （2学时）微变等效电路法 模型和工作点估算；h参数及简化电路；用h参数微变等效电路求Au、Ri、Ro （2学时）静态工作点稳定 三种基本放大电路 共基电路；共集电路；三种电路比较 第2章 基本放大电路 主要知识要点： 放大电路组成： 1 特点与性能指标；基本共射放大电路的工作原理。 放大电路分析方法： 1 交、直流通路概念； 2 图解法； 3 微变等效电路法。 静态工作点的稳定 三种基本放大电路的比较： 1 共基放大电路 2 共射放大电路 3 共集放大电路 2.1 基本概念和主要性能指标 2.1.1 放大的概念 半导体器件加其它器件组成电路。三种基本组态放大电路：共基放
15、大电路、共射放大电路、共集放大电路。 放大微弱信号，输出信号的能量得到加强， 直流电源提供能量，半导体器件控制。 放大是能量的控制和转换。主要掌握四个要素： 本质：能量控制和转换； 特征：功率放大； 条件：有源电路； 前提：信号不失真。 2.1.2 放大电路的性能指标 从外部将放大器看作一个BLOCK， 一、放大倍数 Voltage gain iOuuuUUA=A(VCVS) Current Gain iOiiiIIA=A(CCCS) Transinpedence gain oouiIUA=(CCVS) Transconductance gain iOiuUIA=(VCCS) 二、输入电阻 R
16、oRsRiSURLoU+-oU iiiIVRou-iBuo3 合适的输出信号提取。 二、常见的两种共射放大电路 1 直接耦合式 uo+-RLVCCRb2Rb1RCui+-1bBEQ2bBEQCCBQRURUVI =BQCQII =CCQCCCEQRIVV =2 组容耦合方式 uo+-RLVCCRb2Rb1RCui+-bBEQCCBQRUVI=BQCQII =CCQCCCEQRIVV =C1，C2耦合电容，C1保证信号从信号源到输入的传递； 偏置电路保证晶体管工作在放大区； 晶体管负责放大作用，将输入的小信号放大；Rc将变化的集电极电流变换成电压信号。 2.3 放大电路的分析方法 2.3.1 直
17、流通路与交流通路 uo+-RLVCCRb2Rb1RCus+-RS直流通路与交流通路的概念 直流通路：能通过直流信号的通道； 交流通路：能通过交流信号的通道。 直流通路的确定： 1 电容开路； 2 电感短路； 3 信号源短路（保留内阻）。 交流通路的确定： 共射放大电路 1 大电容短路； 2 无内阻直流电源短路。 例： Rb2RCRb1RLRSRCRLRb2RSRb1RbRCRLvi直流通路 交流通路 2.3.2 图解法 一、静态工作点分析 TRbRCusVBBVCCIBICuo+-+-RCVBBuCEVCCRbuBE+iBiCus+-外电路约束：放大电路方程 输入回路：uBE=VBB +us
18、-iBRb；输出回路：uCE=VCC-iCRC 器件本身约束：输入输出特性 输入回路：输入伏安特性；输出回路：输出特性。 VBB/RbIBQVBEQQ1Q2uBEVBBus=0时,外电路约束： 放大电路方程 输入回路：uBE=VBB-iBRb；If uBE=0, then: iB= VBB/Rb If iB=0; then: uBE=VBB 外电路约束：输出回路：uCE=VCC-iCRCIf uCE=0, then: iC=VCC/RCIf iC=0, then: uCE=VCC放大电路方程二、压放大倍数分析 当有uI时， TRbRCusVBBVCCIBICuo+-+-uSCECECCCBSA
19、uuuRiiiu 三、波形非线性失真 iBvBEQ正常不失真放大 iBvBEQ工作点高，饱和失真 iBvBEQ工作点太低，截止失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。 由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。 对于饱和失真，应减小VBB、Rc或增加Rb； 对于截止失真应加大VBB或减小Rb。 四、直流负载线和交流负载线 VCCVCC/RC斜率1/RL斜率1/RCQ交流负载线ICQ(RC/RL)ICQ直流负载2.3.3 等效电路法 一、直流模型及静态工作点估算法 uBE近似：
20、输入特性折线化UonIBQ Q输出特性理想化ICQUonIBQIBQICQUCEQUBEQbce对应放大状态即工作在放大区时， UBEUon,UCEUBE例： uBEUoniBiCuCEeUonIBQ IBQICQUCEQUBEQbcVccRb RcbonCCBQRUVI=BQCQII =CCQCCCEQRIVV =二、射h参数等效模型(h Parameter model) small-signal low requency ac model )(CEBBEu,ifu =b-e 间： c-e 间: 1模型 ecbeUBBEBEdiiuduCE=BUBCCdiiidiCE=hhCEeBeBEdu
21、hdihdu1211+=CEeBeCduhdihdi2221+=ceebebe UhIhU+=1211ceebeC UhIhI+=22212h参数的物理意义 CEUBBEe11iuh=BICEBEeuuh=12CEUBCe21iih=)(CEBCu,ifi =CEICEBEBduuuB+CEICECduuiB+CEUBBEeiuh=11BICEBEeuu=12CEUBCeiih=21BICECeui=22体现集电极收集基-集结，基区非平衡载流子的能力对uBE的影响电流放大倍数BICECe22uih=3 简化h参数等效模型 4 rbe的近似表达式 TEBTEBVVVVeI)1e(IiESESE=
22、reVT / iE re|QVT/IEQ=26 (mV)/ IEQ (mA) rbe|Q= rbb+ rberbb+(1+) 26 / IEQTEESTEBEeddVieIV1vir1TEBVV=三、共射放大电路动态参数分析 2.4 静态工作点的稳定 :Aubebi rIU=)R/R(I)R/R(IULCbLCCO= beLCbebLCbiourR/RrIR/RIUUA=:Ribe2b1bir/R/RR =:RoRcRo =2.4.1 静态工作点稳定的必要性 主要是温度升高时，Q变化，而放大特性取决于Q的位置。 2.4.2 典型电路 一、电路组成及静态工作点 V CC= VCCRb2 / (R
23、b1+Rb2) Rb= Rb1Rb2IB=(V CCVBE) / Rb+(1+ )Re T IC UE UBE ICIBQIC= IBVC= VCCICRcVCE= VCCICRcIERe= VCCIC(Rc+Re) 二、动态参数 1beLbebLbvrRrIRIV/V=io&Abe2b1br/R/RI/VR =iii&例题： bIbIoUiU2b1bebeiR/R/R)1(rR +=CORR =bebebLCiouIR)1(rI)R/R(UUA+=ebeLCR)1(r)R/R(+=ReI)1(rIU bbebi+= ebebiiR)1(rIUR +=LCbo R/RIU=2.5 三种基本放大
24、电路 2.5.1 基本共集放大电路 一、 电路组成 +-uiIBIEIcuo+IBIEIcuo直流通路 交流通路 二、静态分析 ebBEQBBBQR)1(RUVI+=ebBEQBBBQEQR)1(RUV)1(I)1(I+=+=eEQCCCEQRIVU =三、动态分析 +bIbIiUoUcebbIbIeIiUoUbebebebeebebbeeiouIR)1(rRR)1(IRI)rR(IRIUUA+=+=oIoUeIbIbI+-Ro2.5.2 基本共基放大电路 ebebeR)1(rRR)1(+=1A,R)1()rR(uebeb+beebbebbiiIRI)Rr(IIUR+=)1(rRRe/)IU/
25、(RIURbebeoeooo+=ebebR)1(rR +=uiuo+uiuoebcbIcb II=eIiUoUrbe交流通路 Q： eBEQBBEQRUVI=+=1IIEQBQBEQCCQCCEQCCQCCCEQURIVURIVU +=动态参数： ebecbebeecciouR)1(rRrIRIRIUUA+=+=+=+=1rRIrIRIIURbeeebebeeiiiCoRR =2.5.3 三种接法比较 null 共发射极放大电路： 等效通路null 既放大电压信号，又放大电路信号； null 做低频电压放大单元用。 null 共集电极放大电路： null 只能放大电流信号，不能放大电压信号；
26、null 输入电阻大，输出电阻小，做缓冲器用。 null 共基极放大电路： null 不能放大电流信号，输入电阻小，频率特性好； null 适用于高频宽带放大电路应用。 2.6 晶体管放大电路的派生电路 复合管 iB2(iE1)iB(iB1)iEiCiC1iC22B21B12C1CCiiiii +=+=1B121B1i)1(i +=1B211B2121ii)( +=iB(iB1)iB2(iE1)iCiEiB(iB1)iB2(iC1)iCiEiB(iB1)iB2(iE1)iEiCiB(iB1)iB2(iC1)iEiCrbe1rbe2ib1ib2ib1ib2ic+RboUiU2be11beLC21
27、2be11be1bLC1b21iour)1(r)R/R(r)1(rI)R/R(IUUA+=+=2.6.1 共射-共基放大电路 r)1(r/RR2be11bebi+=1bI)I(I2e1C2CI2bI+-oUiU+-2b2oi1b12eoi1CiouI)1(UUIIUUIUUA+=1beLC12b22bLC21be1b1b1r)R/R(I)1(I)R/R(rII +=第三章 多级放大电路 （5学时） （2学时）多级放大电路的耦合方式 直接耦合；阻容耦合；变压器耦合简介；光电耦合简介；多级放大电路的Au、Ri、Ro （2学时）直接耦合放大电路 基本差放；长尾差放；恒流源差放；CMRR （1学时）输
28、出级电路 第3章 多级放大器 主要知识要点： 多级放大器的耦合方式： 1 直接耦合：零点漂移；电平移动。 2 组容耦合 3 变压器耦合 4 光耦合 多级放大器的性能指标： 1 放大倍数； 2 输入电阻； 3 输出电阻。 直接耦合放大电路： 1 基本差动放大电路：基本结构；差模信号及差模特性；共模信号及共模特性；零漂的克服。 2 长尾电路。 3 恒流源差动放大电路。 4 共模抑制比。 5 输出级电路：互补推挽结构及甲已类放大。 3.1 多级放大器的耦合方式 多级放大器的级： 一个基本的放大单元 级与级之间的连接方法：耦合方式。 直接耦合； RC 耦合； 变压器耦合； 光耦合。 RC耦合 直接耦合 变压器耦合 3.1.1 直接耦合 一、直接耦合放大电路的静态工作点设置 两极放大器如左图，T1集电极电位受T2积极基极电位影响在0。7V左右。如右图加上Re2后可得到较为合适的静态工作点。 T2的发射极电阻Re2影响放大器放大倍数，该改为用稳压管即可以保证T1管的集电极电位又可以对放大倍数不影响。 为了极联方便，还可以用NPN，PNP结构。 直接耦合低频特性好，无电容，易集成。 交直流兼顾难。 3.1.2 RC耦合 各级静态工作点独立，不能放大低频直流信号。 3.1.3 变压器耦合
