1、模拟电子技术基础,扬州大学 信息工程学院,课程性质：学科基础课适用专业：电子信息工程、通信工程、电气工程及其自动化、自动化、测控技术与仪器先修课程：高等数学、大学物理、电路分析基础后续课程：通信电子线路、通信原理、微机原理及应用、电子测量技术、电视原理、电力电子技术、测控电路总学分： 4.5学分,教学目的,本课程是电子信息工程、通信工程、电气工程及其自动化、自动化及测控技术与仪器等专业的主要学科基础课。通过对本课程的学习应使学生掌握主要放大电子器件的特性、工作原理及主要参数，并掌握典型单元电子电路的组成以及分析和设计方法。初步具备根据实际需要应用这些单元电路构成简单模拟电子系统的能力，为后续专
2、业课程的学习及日后从事工程技术工作、科学研究奠定坚实基础。,教学要求,教学中应注重基本概念的讲解，特别是在对重点和难点的讲解时要注重物理概念的解释，把定性分析与定量计算结合起来。使学生较好地掌握电子器件的外特性与参数，掌握电子电路的组成、工作原理、性能特点、基本的分析方法和工程计算方法。,授课方式及考核方式,授课方式部分多媒体课件（多媒体授课课时36学时） 考核方式院统考成绩组成平时成绩占30%，期末考试成绩占70%。,教材与参考书目,童诗白等.模拟电子技术基础(第三版).高教出版社.2001年王成华等.电子线路基础教程.科学出版社.2000年杨素行.模拟电子线路基础简明教程(第二版).高教出
3、版社.1998年刘同怀等.模拟电子线路.中国科学技术出版社.1999年,第一章 常用半导体器件,教学基本要求： 了解：知识，二极管、三极管、结型场效应管和MOS场效应管的结构。 理解：PN结的形成过程及其单向导电特性，三极管电流放大机理，结型和MOS场效应管工作原理。 掌握：二极管、三极管和场效应管的外特性、主要参数。,1.1 半导体基础知识,纯净的具有金属结构的半导体称为本征半导体 晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。 本征半导体中有两种载流子1、挣脱共价键束缚的自由电子2、共价键中留下的空位置 空穴,1.1.1 本征半导体,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学
4、中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：1. 自由电子移动产生的电流。2. 空穴移动产生的电流。,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质
5、，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。 P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子
6、提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,P 型半导体,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。,杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,小结,1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。 2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。 3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半
7、导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。 4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。 5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。,1. 在杂质半导体中多子的数量与_有关。 (a. 掺杂浓度、b.温度),2. 在杂质半导体中少子的数量与_有关。 (a. 掺杂浓度、b.温度),3. 当温度升高时，少子的数量_。 (a. 减少、b. 不变、c. 增多),a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是_，N 型半导体中的电流主要是_。 (a. 电子电流、b.空穴电流),b,a,返回,1.1.3 PN 结,PN 结的形成：在同一
8、片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。一、多子扩散,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,二、少子漂移,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的
9、电流很小。,注意:,PN结的单向导电性,一、PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,漂移的结果使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,内电场阻止 多数载流子扩散,PN结的形成过程：,当漂移运动与扩散运动达到动态平衡时，空间电荷区便稳定下来，PN结形成。,载流子浓度差,多数载流子扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使 少数载流子漂移,二、 PN结的单向导电性,1.加正向电压,-将外电源的正端接P区、负端接N区,IF,内电场被削弱
10、，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,PN 结变窄,返回,2.加反向电压,-将外电源的正端接N区、负端接P区,PN 结变宽,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,PN结伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,PN极的电容效应,由两部分组成：势垒电容CB和扩散电
11、容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,PN结的势垒电容,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,P区少子浓度分布曲线,1.2 半导体二极管,1.2.1 基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,1.2.2 二极管的伏安特性,正向,反向,外加电压大于死区电压二极管才能导通,硅管:0.60.8V 锗
12、管:0.20.3V,特点：非线性,导通压降,死区电压,硅管:0.5V 锗管:0.1V,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,反向击穿 电压U(BR),二极管的伏安特性,二极管的伏安特性,PN结的单向导电性,1.2.3 二极管的主要参数,最大整流电流IF 最高反向工作电压UR 正向电流IR 最高工作频率fM,1.2.4 二极管的等效电路,一、由伏安特性折线得到的等效电路,由伏安特性折线化得到的等效电路,二、二极管的微变等效电路,二极管的微变等效电路图,例1 已知ui=18sinw t V ， 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,参考点,ui 8V,二极管导通,uo =
13、8V,ui 8V,二极管截止,uo = ui,二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护等。,例2 图示电路中，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY (DA、DB为锗管) 。,VY=+2.7V,解：,DA优先导通，DA导通后， DB上加的是反向电压，因而截止。,DA起钳位作用， DB起隔离作用。,1.2.4 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,一、结构 二、特性,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,三、稳压二极管的参数,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,四、 使用,稳压管
14、工作于反向击穿区，常见电路如下：,一、 发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,1.2.6 其它类型二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,二、光电二极管,1.3 双极型晶体管,1.3.1 基本结构和类型,NPN型,PNP型,基极,发射极,集电极,符号：,基区：最薄,掺杂浓度最低, 多数载流子少。,发射区：掺杂浓度最高， 利于载流子发射。,发射结,集电结,结构特点,集电区：面积最大,掺杂浓度低， 利于收集载流子。,1.3.2 电流放大作用,1.直流偏置,要使晶体管能正常工作，必须在两个PN结之间加上合适的直流
15、电压，称为直流偏置。,2.共发射极接法,NPN和PNP晶体管的工作原理相似，本章只讨论NPN。,接法特点：,ECEB,(1)发射结正向偏置 (加正向电压),(2)集电结反向偏置 (加反向电压),一、放大电路,3.各电极电流关系及电流放大作用,结论:,(1)三电极电流关系： IE = IB + IC ； (2) IE IC IB； (3) IC IB ，且IC/IB =常数 。,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质：用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。,二、晶体管内部载流子运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,发射结正偏
16、，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,集电结为反偏使内电场增强，对从基区扩散进入集电结的电子具有加速作用而把电子收集到集电区，形成集电极电流ICE 。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,EB,RB,EC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,电流放大作用,EB,RB,EC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,载流子传输过
17、程发射、复合、收集,三、电流分配公式,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大倍数,集-射极穿透电流，温度ICEO,若IB =0, 则 IC ICE0,说明：,1.放大作用的内部条件： 基区很薄且掺杂浓度很低。 2.放大作用的外部条件：发射结正偏，集电结反偏。,从电位的角度看：,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,常用公式：,IE = IB + IC 、 IC IE 、,一、测试电路,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回
18、路,1.3.3 晶体管特性曲线,二、输入特性曲线,UCE 1V,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作压降：,NPN硅管UBE0.60.7V PNP锗管UBE-0.2-0.3V,输入特性曲线,工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,三、输出特性曲线,特点：,1.曲线通过原点。,2.若IB=0,则IC= ICEO 0。,3.当IB固定某一值后，电压从零开始增加，当增加至约1V后曲线平坦，说明晶体管具有恒流特性。,4.当IB稍有增加，相应的IC也增加，曲线上移，而且IC比IB 增加得更明显。这是晶体管的电流放大作用。,输出
19、特性,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,输出特性三个区域的特点:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。即： IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区： UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,1.3.4 主要参数,静态(直流)电流放大系数,动态(交流)电流放大系数
20、,注意：,(1)静态电流(直流)放大系数与动态电流(交流)放大系数的含义是不同的，但大多数情况下近似相等。,(2)常用晶体管的值在20 100之间。,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,2. 集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大，温度ICBO 。,3. 集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大， 温度ICEO，所以IC也相应增加。晶体管的温度特性较差。,4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致晶体管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,5.集-射极反向击穿电压U(BR)C
21、EO,基极开路时加在集电极和发射集间的最大允许电压。当UCEU(BR)CEO时，ICEO突变，晶体管会被击穿损坏。,6.集电极最大允许功耗PCM,IC流经集电结时将产生热量使结温上升，从而引起晶体管参数的变化。在参数变化不超过允许值时集电极所消耗的功率称为PCM。因此PCM主要受结温Tj制约。,1.3.5 晶体管参数与温度的关系,1. 温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。,2.温度每升高 1C，UBE将减小(22.5)mV，即晶体管具有负温度系数。,3.温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。,返回,1.4 场效应管,场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度
22、稳定性好。,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,场效应管有两种:,N,基底 ：N型半导体,两边是P区,G(栅极),S源极,D漏极,一、结构,1.4.1 结型场效应管:,导电沟道,N沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管,二、工作原理（以P沟道为例）,UDS=0V时,PN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,ID,UDS=0V时,UGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。,但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,P,G,S,D,UDS,UGS,UDS=0时,UGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS 0V，
23、漏极电流ID=0A。,ID,UGS0、UGDVP时耗尽区的形状,越靠近漏端，PN结反压越大,ID,UGSVp且UDS较大时UGDVP时耗尽区的形状,沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。,ID,UGSVp UGD=VP时,漏端的沟道被夹断，称为予夹断。,UDS增大则被夹断区向下延伸。,ID,UGSVp UGD=VP时,此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。,ID,三、特性曲线,饱和漏极电流,夹断电压,转移特性曲线 一定UDS下的ID-UGS曲线,ID,U DS,恒流区,输出特性曲线,0,N沟道结型场效应管的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,N沟
24、道结型场效应管的特性曲线,结型场效应管的缺点：,1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。,3. 栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,1.4.2 绝缘栅场效应管:,一、结构和电路符号,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,导电沟道,金属铝,N沟道增强型,N 沟道耗尽型,予埋了导电沟道,P 沟道增强型,P 沟道耗尽型,予埋了导电沟道,二、MOS管的工作原理,以N 沟道增强型为例,UGS=0时,对应截止区,UGS0时,感应出电子,VT称为阈值电压,UGS较
25、小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。,当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。,当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。,UDS增加，UGD=VT 时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。,三、增强型N沟道MOS管的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,UGS0,四、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。,转移特性曲线,输出特性曲线,UGS=0,UGS0,UGS0,1.3.3 场效应管的主要参数 (1) 开启电压UGS(th): 当UDS为常数时，形成ID所需的最小|UGS|值，称开启电压。 (2) 夹断
26、电压 U GS(off): 在UDS固定时，使ID为某一微小电流(如1A、10A)所需的UGS值。(3) 低频跨导gm: UDS为定值时，漏极电流ID的变化量ID与引起这个变化的栅源电压UGS的变化量UGS的比值，即,(4) 漏源击穿电压U（BR）GS: 管子发生击穿，ID急剧上升时的UDS值；UDSU（BR)GS。(5) 最大耗散功率PDM: PD=I DUDSPDM。不能超过PDM，否则要烧坏管子。 (6) 最大漏极电流IDM：管子工作时，ID不允许超过这个值。,1. 场效应管与三极管的比较(1) 场效应管是电压控制器件， 而三极管是电流控制器件， 但都可获得较大的电压放大倍数。 (2) 场效应管温度稳定性好， 三极管受温度影响较大。 (3) 场效应管制造工艺简单， 便于集成化， 适合制造大规模集成电路。 (4) 场效应管存放时，各个电极要短接在一起，防止外界静电感应电压过高时击穿绝缘层使其损坏。焊接时电烙铁应有良好的接地线， 防止感应电压对管子的损坏。,
