1、1,模拟电子技术,光电工程学院 电子电路教学中心 黄丽亚,2,两种信号,模拟信号 （Analog signal）:指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。声音、温度、压力转化的电信号。时间上离散的模拟信号是一种抽样信号。 数字信号 （Digital signal）：指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。如计算机处理的二进制信号等。,3,“模电”与“数电”的关系,现代电子信息系统 一般是模/数混合系统 两头是“模拟”，中间是“数字” 输入部分是“模拟”：检测、微弱信号放大 中间部分是“数字”：信号处理 输出部分是“模拟”：功率驱动、发射 可见“重软轻硬”、“欺软怕硬”是不
2、全面、不明智的,4,掌握硬件本领,当前社会对于硬件工程师（特别是具有设计开发能力的工程师）需求量很大。 培养硬件工程师比较困难。 学好并掌握硬件本领将使你基础实，起点高，发展大，受益无穷！,5,课程地位与课程体系,是重要的学科基础课是电子信息类专业的主干课程是强调硬件应用能力的工程类课程是工程师训练的基本入门课程是很多重点大学的考研课程,6,这门课的特点,涉及的基础知识广博：高等数学、电路分析、信号与系统等，素有“魔鬼电路、模糊电路”之称。,涉及面广博：高等数学、电路分析、信号与系统等，素有“魔鬼电路、模糊电路”之称。,7,学习方法“过四关”,基本器件关- 电路构成 工程近似关- 分析方法 实
3、验动手关- 实践应用EDA应用关- 设计能力,8,送给大家三句话,“十年磨一剑，硬件打天下！” “IT风云变换，IC独领风骚” “让EDA的翅膀飞起来！让EDA的轮子转起来！”,9,考试成绩评定,平时 10% 期中 20% 期末 70%,10,教材,孙肖子 等编,模拟电子技术基础,西安:西安电子科技大学出版社,2001.,参考书,1 康华光主编电子技术基础（模拟部分，第四版），北京：高等教育出版社，1988 2 谢嘉奎主编电子线路（线性部分，第四版），北京：高等教育出版社，1999,11,第一章 晶体二极管及其基本电路,1-1 半导体物理基础知识,导体,半导体,绝缘体,物质,半导体的特性： 1
4、导电能力介于导体和绝缘体之间； 2导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。,12,硅原子（Silicon）,锗原子（Germanium）,硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）,- 本征半导体,硅原子,锗原子,惯性核,电子,图1-1 硅和锗原子 结构简化模型,13,共 价 键,价 电 子,图1-2 单晶硅和锗共价键结构示意图,14,说明： 1、共价键：相邻两个原子中的价电子作为共用电子对而形成的相互作用力。 2、单晶硅：原子按一定的间隔排列成有规律的空间点阵结构。通常共价键的电子受到所属原子核的吸引，是不能自由移动的。束缚电子，不能参与导电。 3、本征半导体：纯净的（未掺杂）单晶
5、半导体称为本征半导体。,15,载流子(Carrier) 指半导体结构中获得运动能量的带电粒子。 有温度环境就有载流子本征激发。 绝对零度（-273OC）时晶体中无自由电子相当于绝缘体。,一、半导体中的载流子 自由电子和空穴,16,+4,+4,+4,+4,自 由 电 子,空 穴,束 缚 电 子,图1-3 本征激发产生电子和空穴,在一定的温度下，或者受到光照时，使价电子获得一定的额外能量，一部分价电子就能够冲破共价键的束缚变成自由电子本征激发。,17,1、空穴的运动可以看成一个带正电荷的粒子的运动。2、一个空穴的运动实际上是许多价电子作相反运动的结果。但是一个空穴运动所引起的电流的大小只与空穴的多
6、少有关，与多少个价电子运动无关。,18,结论,本征激发 和温度有关会成对产生电子空穴对 - 自由电子(Free Electron) 带负电荷 - 空 穴(Hole) 带正电荷两种载流子（带电粒子）是半导体的重要概念。,19,+4,+4,+4,+4,图1-3 本征激发产生电子和空穴,复合：由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合。,二、本征激发与复合,20,本征激发:一分为二。,复合: 合二为一。,载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状态
7、，使本征半导体中载流子的浓度一定。,21,本征载流子浓度：,式中： ni、pi 分别表示电子和空穴的浓度（-3）；T为热力学温度（K）；EG0为T= 0K（-273oC）时的禁带宽度（硅为1.21eV，锗为0.78eV）；k为玻尔兹曼常数（8.6310-6V/K）； A0为与半导体材料有关的常数（硅为3.871016-3 ， 锗为1.761016-3 ）。,22,本征载流子浓度：,1、对温度非常敏感：随着T的增加，载流子浓度按指数规律增加。,2、导电能力如何？在T=300K的室温下，本征硅（锗）的载流子浓度=1.431010-3（2.381013-3），本征硅（锗）的原子密度=51022-3（
8、4.41022-3）。室温下只有极少数原子的价电子(三万亿分之一)受激发产生电子、空穴对。导电能力很弱。,23,1-1-2 杂质半导体（掺杂半导体）,在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂质），会使其导电性能发生显著变化。杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体。,24,一、N型半导体,+4,+4,+4,束缚电子,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。从而在半导体中形成大量的自由电子。,施主原子,25,说明,在本征硅（锗）中掺入少量的五价元素（如：磷、砷、锑等）就得到N型半导体
9、。 杂质原子顶替硅原子，多一个电子位于共价键之外，受原子的束缚力很弱，很容易激发成为自由电子。 几乎一个杂质原子能提供一个自由电子，从而自由电子数大大增加。施主杂质。 由于自由电子的浓度增加，与空穴（本征激发产生的）复合的机会也增加，因此空穴浓度相应减少。,26,在N型半导体中：自由电子多数载流子，简称多子；空穴少数载流子，简称少子。,答：N型半导体是电中性的。虽然自由电子数远大于空穴数，但由于施主正离子的存在，使正、负电荷数相等，即 自由电子数= 空穴数 + 施主正离子,问题： N型半导体是带正电还是带负电？,27,+4,+4,+4,束缚电子,二、P型半导体（Positive type）,因
10、三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空位。当其它共价键上的电子在本征激发下来填补这个空位时，从而在原来的硅原子共价键上形成空穴。,28,在本征硅（或锗）中，掺入少量的三价元素（硼、铝等），就得到P型半导体。,室温时，几乎全部杂质原子都能提供一个空穴。,多子（多数载流子）：空穴；,少子（少数载流子）：自由电子；,P型半导体是电中性的。 空 穴 数 = 自由电子数 + 受主负离子,29,三、杂质半导体的载流子浓度,多子的浓度在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数远大于本征激发的载流子数。结论：多子的浓度主要由掺杂浓度决定。,少子的浓度少子主要由本征激发产生，因掺杂
11、不同，会随多子浓度的变化而变化。,30,结论：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。,对N型半导体，多子nn与少子pn有,31,对P型半导体，多子pp与少子np有,32,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:,1、T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm3,3、本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,2、掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3,杂质对半导体导电性的影响,33,小结,1.本征半导体通过掺杂，可以大大改
12、变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一种载流子少。 2.多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。,34,1-1-3 半导体中的电流,在导体中，载流子只有一种：自由电子。 在电场作用下，产生定向的漂移运动形成漂移电流。在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。电场作用下的漂移电流 两种类型的电流浓度差导致的扩散电流,35,Ip,In,一、漂移电流,总电流：,1、定义： 在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流。,36,载流子浓度,2. 漂移电流大小取决于,外加电场强度,迁移速度,二、扩散电流,在半导
13、体工作中，扩散运动是比漂移运动更为重要的导电机理。金属导体是不具有这种电流的，正是由于扩散电流特性，才能够将它做成电子器件。,37,平衡载流子浓度：一般的本征半导体在温度不变、无光照或其他激发下，载流子浓度分布均匀。非平衡载流子浓度：若一端注入载流子或用光线照射该端。则该端的载流子浓度增加。,38,图16半导体中载流子的浓度分布,39,扩散电流大小主要取决于该处载流子浓度差（即浓度梯度）。,浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。,40,思考题与习题,导体、半导体和绝缘体的区别和在电子线路以及集成电路制造中的作用？ 说明半导体材料的特性及其应用 解释本征半导体、杂质半导体的区别？ 解释
14、N型半导体与P型半导体的区别？ 为什么说这两种半导体仍然对外呈电中性？ 解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何种因素决定的？ 解释漂移电流和扩散电流的构成？,41,1-2 PN结,PN结是半导体器件的核心，可以构成一个二极管。,P,N,本征硅的一边做成P型半导体，一边做成N型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物理层。PN结,42,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,P,N,1-2-1 PN结的形成,由于扩散运动，使接触面附近的空穴和电子形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域称为空间电荷区（耗尽层）。,空间电荷区,内电场,UB,动画演示,43,PN 结的形成步骤,扩散
15、运动,PN结很窄（几个到几十个 m)。,PN结又称为势垒区、阻挡层。,44,问题：达到动态平衡时，在 PN结流过的总电流为多少，方向是什么？,多子的扩散电流方向为从左到右，少子的漂移电流方向从右到左。两者在动态平衡时，大小相等，而方向相反，所以流过PN结的总电流为零。,多子扩散电流方向,少子漂移电流方向,45,对称PN结：如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结,不对称PN结：如果一边掺杂浓度大（重掺杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），此耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，这样的PN结称为不对称结,46,问题：为什么PN结伸向轻掺杂区？,答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的排列
16、稀疏，重掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的排列紧密。如上图，两边电荷量相等，所以会伸向轻掺杂区。,47,P,N,耗尽区,内电场,UB -U,图1-9 正向偏置的PN结,+,-,E,R,U,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,1-2-2 PN结的单向导电特性,动画演示,48,PN结加正向电压,外加的正向电压大部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。 内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。 PN结呈现低阻性，有较大的正偏电流。,49,图1-10 反向偏置的PN结,E,R,P,N,耗尽区,内电场,U
17、B +U,-,+,U,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,二、 P结加反向电压,50,PN结加反向电压,外加的反向电压大部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。 内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。 PN结呈现高阻性。 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,51,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有
18、很小的反向漂移电流。 结论：PN结具有单向导电性。,52,三、PN结电流方程,图1-11 PN结的伏安特性,当T=300K (室温)时, UT=26mV。,T,T,-U(BR),IS为反向饱和电流(10-15A) 。,UT=K T/q ,温度电压当量，,53,PN结伏安特性,由上式 当u为正时PN结外加正电压时，流过电流为正电压的e指数关系。当u为负时PN结外加负电压时流过电流为饱和漏电流。,54,1-2-5 PN结的温度特性,一、 反映在伏安特性上为： 温度升高，正向特性向左移，反向特性向下移。,1.保持正向电流不变时，温度每升高1，结电 压减小约22.5mV，即,u/T-(22.5)mV/
19、,2.温度每升高10，反向饱和电流IS增大一倍。,55,硅管：UD(on)=0.7V。锗管：UD(on)=0.3V,导通电压UD(on),UD(on),56,1-2-3 PN结的击穿特性,当对PN结 外加反向电压超过一定的限度，PN结会从反向截止发展到反向击穿。 反向击穿破坏了PN结的单向导电特性。 利用此原理可以制成 稳压管。U( BR )称为PN结的击穿电压。 有两种击穿机理：雪崩击穿和齐纳击穿。,57,雪崩击穿和齐纳击穿的比较,58,问题：为什么轻掺杂的PN结不易出现齐纳击穿？相反重掺杂为什么不易出现雪崩击穿？,答：因为轻掺杂的耗尽层宽，正负离子分布稀疏，电场强度不够强，不足以拉出价电子
20、。而重掺杂的耗尽层窄使少子的加速时间短，少子的动能不足以撞击中性原子，产生电子空穴对。,59,一般来说，对硅材料的PN结， UBR7V时为雪崩击穿；UBR 5V时为齐纳击穿；UBR介于57V时，两种击穿都有。,60,击穿的可逆性,电击穿是 可逆的（可恢复，当有限流电阻时）。 电击穿后如无限流措施，将发生热击穿现象。 热击穿会破坏PN结结构（烧坏） 热击穿是 不可逆 的。,61,1-2-4 PN结的电容特性,PN 结的耗尽区与平板电容器相似，外加电压变化，耗尽区的宽度变化，则耗尽区中的正负离子数目变化，即存储的电荷量变化。,一、 势垒电容CT,62,多子扩散在对方区形成非平衡少子的浓度分布曲线偏
21、置电压变化分布曲线变化非平衡少子变化电荷变化。,二、扩散电容CD,63,图112 P区少子浓度分布曲线,64,结电容Cj= CT + CD,结 论,因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。,正偏时以扩散电容CD为主， Cj CD ，其值通常为几十至几百pF；,反偏时以势垒电容CT为主， Cj CT,其值通常为几至几十pF。（如：变容二极管）,65,1-3 晶体二极管及其基本电路,PN结加上电极引线和管壳就形成晶体二极管。,图1-13 晶体二极管结构示意图及电路符号,P区,N区,（a）结构示意图,（b）电路符号,66,1-3-1 二极管特性曲线,二极管特性曲线与PN结基本相同，
22、略有差异。,图1-14 二极管伏安特性曲线,67,一、正向特性,硅: UD(on) = 0.7V；,1.导通电压或死区电压,2. 曲线分段：,锗: UD(on) = 0.3V。,3. 小功率二极管正常工作的电流范围内，管压降变化比较小。,指数段（小电流时）、直线段（大电流时）。,一般硅：0.60.8V，锗：0.10.3V。,68,二、反向特性,2.小功率二极管的反向电流很小。,一般硅管0.1A，锗管几十微安。,1.反向电压加大时，反向电流也略有增大。,69,直流电阻和交流电阻,直流电阻 RD 是二极管所加直流电压UD与所流过直流电流ID之比。其几何意义是曲线Q点到原点直线斜率的倒数。 交流电阻
23、 r D是其工作状态(ID,UD)处电压改变量与电流改变量之比。几何意义是曲线Q点处切线斜率的倒数。,70,1-3-2 二极管的主要参数,一、直流电阻,图1-15 二极管电阻的几何意义,ID,UD,Q1,RD=UD / ID,RD 的几何意义：,Q2,(a)直流电阻RD,Q点到原点直线斜率的倒数。,RD不是恒定的，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压的增大而增大。,71,1.正向电阻：几百欧姆；,反向电阻：几百千欧姆；,2.Q点不同，测出的电阻也不同；,结 论,因此，PN结具有单向导电特性。,72,二 、交流电阻,二极管在其工作状态(I DQ, UDQ)下的电压微变量与电流微变
24、量之比。,(b)交流电阻rD,rD 的几何意义:Q(IDQ, UDQ)点处切线斜率的倒数。,73,与IDQ成反比，并与温度有关。,74,例：已知D为Si二极管，流过D的直流电流ID=10mA，交流电压U=10mV，求室温下流过D的交流电流I=?,10V,D,R,0.93K,U,ID,解：交流电阻,交流电流为：,75,三、最大整流电流 I F,四、最大反向工作电压 URM,五、反向电流IR,允许通过的最大正向平均电流。,通常取U(BR)的一半，超过U(BR)容易发生反向击穿。,未击穿时的反向电流。 IR越小，单向导电性能越好。,76,六、最高工作频率 f M, 需要指出，手册中给出的一般为典型值
25、，需要时应通过实际测量得到准确值。,工作频率超过 f M时，二极管的单向导电性能变坏。,77,1-3-3 晶体二极管模型,由于二极管的非线性特性，当电路加入二极管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二极管的应用条件作合理近似，得到相应的等效电路，化为线性电路,非线性,近似,线性,78,对电子线路进行分析(定量分析)时,电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效表示，这称为：“建模”。 计算机辅助分析计算要使用管子的模型。,一、二极管的大信号等效电路,79,图1-16 二极管特性的折线近似及电路模型,硅管：UD(on). 7 V 锗管：UD(on). 3 V,80,图1-16 二极管特性的折线
26、近似及电路模型,81,图1-16 二极管特性的折线近似及电路模型,82,二极管大信号模型,以上三种电路模型(近似、简化、理想)均为二极管线形化模型。 对不同电路模型可在不同需求时采用。,83,一、二极管整流电路,把交流电转变为直流电称为“整流”。反之称为“逆变”。整流交流电 直流电逆变,1-3-4 二极管基本应用电路,84,图1-17 二极管半波整流电路及波形,(b)输入、输出波形关系,二极管近似为理想模型,思考：二极管近似为简化模型的电路输出？,85,ui,86,二、二极管限幅电路,又称为：“削波电路”。能够把输入电压变化范围加以限制，常用于波形变换和整形。,87,图1-20 二极管上限幅电
27、路及波形,(b) 输入、输出波形关系,2.7,-5,二极管近似为简化模型,88,判别原则：ui-EUD(ON) 时, V 导通，否则截止。, 当u i 2.7V, V导通，uo=E+0.7=2.7 V, 当u i 2.7V时, V截止，即开路，uo = u i 。,即：,89,三、二极管电平选择电路,能够从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路称为电平选择电路。,90,输入数字量时为与逻辑。,5V,91,1. 稳压二极管的正向特性、反向特性与普通二极管基本相同，区别仅在于反向击穿时，特性曲线更加陡峭。,2. 稳压管在反向击穿后，能通过调节自身电流， 实现稳定电压的功能。,电压几乎不变，为-
28、UZ。,即当,一、稳压二极管的特性,1-3-5 稳压二极管及稳压电路,92,图1-21 稳压二极管及其特性曲线,(a) 电路符号,i/mA,u/V,IZmax,0,-UZ,IZmin,(b) 伏安特性曲线,93,二、稳压二极管主要参数,稳压电压 UZ 额定功耗 Pz 稳定电流 Iz 动态电阻 rz 温度系数 ,94,稳压电压UZ,指管子长期稳定时的工作电压值。,95,额定功耗Pz,与材料、结构、工艺有关。 使用时不允许超过此值。,96,稳定电流Iz,稳压二极管正常工作时的参考电流。 IZminIZIZmax,如果电流小于IZmin时，不能稳压，大于IZmax时，容易烧坏管子。,97,动态电阻
29、rz,是在击穿状态下,管子两端电压变化量与电流变化量的比值。 反映在特性曲线上，是工作点出切线斜率的倒数。一般为几欧姆到几十欧姆（越小越好）。,98,温度系数,指管子稳定电压受温度影响的程度。 7V是正温系数(雪崩击穿)； 5V是负温系数(齐纳击穿)； 57V温度系数最小。,99,所谓稳压指当Ui、RL变化时，UO保持恒定。,三、稳压二极管稳压电路,稳压原理： 若Ui不变，RLIzILUO基本不变； 若RL不变，UiIzURUO基本不变,100,限流电阻R的选择：,选择R的限制条件：当Ui、RL变化时，Iz应满足IzminIzIzmax,设外界条件为:UiminUiUimax；RLminRLR
30、Lmax,101,分析过程：根据电路：,Iz何时取最大值？,ui=Uimax，RL=RLmax,102,103,Iz何时取最小值？,ui=Uimin，RL=RLmin,104,Rmin R Rmax,因此，可得限流电阻的取值范围是：,105,1-4习题讲解,V2导通，V1截止， UO5V。,二极管等效为理想模型,V1导通，V2截止，UO=0V。,V1导通，V2导通UO=1.98V。,106,1-7 在图P1-7所示的电路中，设二极管为理想二极管。当输入电压ui由0逐渐增加到10V时，试画出输出电压ui与uO的关系曲线。,107,108,1-10 稳压二极管电路如图P1-10所示，已知稳压管的U
31、Z=6V，限流电阻R=100。 (1)当RL=200 时，稳压管的IZ=?UO=? (2)当RL=50 时，稳压管的IZ=?UO=?,109,解：（1）,（2）,110,作 业,1-1,1-5（设V为理想二极管）,1-6（设UD1(on)= UD2(on)=0.7V ）,1-7,1-12,111,小 结,2. PN 结是现代半导体器件的基础。它具有单向导电性、击穿特性和电容特性。,1. N型半导体中，电子是多子，空穴是少子； P型半导体中，空穴是多子，电子是少子；多子浓度由掺杂浓度决定，少子浓度很小且随温度的变化而变化。,3. 半导体二极管由一个PN结构成，大信号应用时表现为开关特性。,4.利用PN 结的击穿特性可制作稳压二极管。用稳压二极管构成稳压电路时，首先应保证稳压管反向击穿，另外必须串接限流电阻。,
