1、主讲人：陈义华电话：15807181751,模拟电子技术,1. 本课程的性质,是一门技术基础课,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、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。,绪 论,5. 学习方法,重点掌握基本概念、基本电路的分析、计算及设计方法。,6. 成绩评定标准,作业、考勤、提问、课外30 % 期末考试 70 %,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,童诗白主编，模拟
2、电子技术基础 第二版，高教出版社,陈大钦主编，模拟电子技术基础问答：例题 试题，华工出版社,1.1906年发明了真空三极管 第一代电子器件诞生。 2.1948年研制出晶体三极管 第二代电子器件出现。 3.50年代末研制出集成电路 第三代电子器件出现。 4.近几十年来集成电路发展成小规模、中规模、大规模及超大规模（几十平方毫米的片子上，可集成上百万个元件） 5.电子技术学科可划分为两类： (1)模拟电子技术：可细分为模拟电子技术基础、通信电子电路，主要研究对模拟信号的处理。 (2)数字电子技术：研究逻辑电路，对数字信号进行处理。,电子技术与日常生活息息相关、其发展随器件的发展经历了以下几个阶段：
3、,目 录,1 半导体二极管及其应用电路,2 半导体三极管及其放大电路,3 场效应管及其放大电路中的,4 功率放大电路,5 集成运算放大电路,6 反馈放大电路,7 集成运算放大器的应用电路,8 直流稳压电源,9 模拟电路应用实例,第一章 半导体二极管及其应用电路,1.1 半导体基础知识 1.2 PN结 1.3 半导体二极管1.4 特殊二极管,本章重点和难点：,1. 二极管的单向导电性。,2. 二极管电路的基本分析。,本章教学时数：4学时,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
4、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结中加反向电压时真的没有电流吗？,1.为什么采用半导体材料制作电子器件？,一、教学目的及要求介绍本课程的目的，特点和在学习中应该注意的事项和学习方法；让学生了解半导体基本知识，理解PN结的形成过程，掌握其单向导电性特性。 二、教学重点PN结的形成和单向导电性 三、教学难点PN结的单向导电性 四、本讲计划学时及时间分配2学时,1.1 半导体的基本知识,1.1.1 半导体及其特性,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
5、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。,1. 导体、半导体和绝缘体,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。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,2. 半导体的特性,这些特点是可人为控制的！,1.1.2 半导体的结构,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 共价键结构示意图,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,图 1-2 本征半导体
6、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。,本征半导体中的两种载流子,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. 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。,4. 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：,1.1.3 掺杂半导体,掺杂半导体有两种,N 型半导
7、体,P 型半导体,1. 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。,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。,2. P 型半导体,+4,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素
8、，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。,受主原子,空穴,图 1-4 P 型半导体,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,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，
9、称为 PN 结。,图 PN 结的形成,1.2.1 PN 结的形成,1.2 PN结,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）,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,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
10、电荷区的宽度达到稳定。,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,1.2.2 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 1.2.2,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 ；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,图 1.2.3 PN 结加反相电压时截止,反向电流又称反向饱和电
11、流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。,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。,综上所述：,这就是PN 结的单向导电性。,1.2.3 PN结的反向击穿特性,i = f (u )之间的关系曲线。,正向特性,反向特性,图 1.2.4 PN结的伏安特性,反向击穿 齐纳击穿 雪崩击穿,反向击穿现象: 反向电压超过一定值时导致二极管击穿，分为电击穿和热击穿 1.电击穿: (1)雪崩击穿：当U，载流子获得能量高速运动，产生碰撞电离，形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电
12、流I。 (2)齐钠击穿：当U，强电场直接破坏共价键。将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流I。 2.热击穿: 当U，时,耗散功率超过PN结的极限值,使温度升高,导致PN结过热烧毁.,1.2.4 PN结的电容效应（略讲）,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 结的空间电荷区变化形成的。,(a) PN 结加正向电压,（b) PN 结加反向电压,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
13、 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。,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,
14、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。,第二讲,一、讲授内容 1.3半导体二极管 二、教学目的及要求（学生掌握、了解的要点） 通过教学使学生了解半导体二极管的结构和分类，理解其伏安特性和主要参数，了解一些特殊二极管，特别是稳压二极管的工作原理。 三、教学重点 半导体二极管的伏安特性，二极管
15、电路基本分析 四、教学难点 半导体二极管的伏安特性 五、本讲计划学时及时间分配 2学时,1.3 半导体二极管（第二讲）,二极管按结构分有点接触型、面接触型,图1.2.1二极管的几种外形,1. 点接触型二极管,1.3.1二极管的结构和分类,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,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,3. 二极管的代表符号,D,1.3.2二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,一、伏安特性,UT-温度电压当量，常温下约为26mV；Is-反向饱和电流，硅管约为10-14A，锗管越10-8A；,正向特性,反向特性,反向击
16、穿特性,开启电压：0.5V 导通电压：0.7,开启电压：0.1V 导通电压：0.2V,例 1-3-1 测得通过某硅管的正向电流iD=0.01A或iD=1A，问它两端所加的电压uD分别为多少？,导通电压的概念,第一章 常用半导体器件,二、温度对二极管伏安特性的影响,在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。,二极管的特性对温度很敏感。,1.3.3 二极管的参数,(2) 最大整流电流IF,(3) 反向击穿电压U（BR）和最高反向工作电压URM,(4) 反向电流IR,(5) 最高工作频率fM,(1)交流电阻,1.3.4 二极管分立器件型号的命名方法,在实际应用中，应根据管子所用的场合
17、，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。,1.3.5 二极管电路的基本分析方法,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,应用举例,二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,讨论分析：,V1=6V,V1=12V,D,S,R,电路如图所示，UD=0.7V，试估算开关断开和闭合输出电压UO 。,应用举例,2.半波整流电路,采用理想电路模型 ui和uo的波形如图所示,1.与门应用,采用恒压降电路模型,二个二极管共阳极接法 输入电压小者先导通,ui和uo的波形如右图所示,3. 限幅电路 限幅电路顾
18、名思义就是限制输出幅度的电路，通常用于有选择的输出任意波形的一部分，或用来保护某些电路元件。,限幅电路分析,UR,ui,原理:设D为理想二极管; 当输入电压uiUR时， D导通，uo=UR,即输出波形被限幅。,D,R,Ui,uo,uo,ui,uR,4.LED显示器应用,(1) 共阴极电路: 7只发光管的阴极接地，接高电位的段可发光。,共阳极电路,共阴极电路,(2) 共阳极电路： 7只发光管的阳极接正电源，接地的区段可发光。,a,b,c,d,f,g,e,1.4 特殊二极管,1.4.1 齐纳二极管,(a)符号,(b)2CW17 伏安特性,DZ,(1) 稳定电压UZ,(4) 动态电阻rZ,在规定的稳
19、压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =VZ /IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(2)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,(5)温度系数VZ,稳压管的主要参数,稳压电路,正常稳压时 UO =UZ,# 不加R可以吗？,（1）设电源电压波动(负载不变),UI UOUZ IZ,UOUR IR ,如电路参数变化？,稳压电路,正常稳压时 UO =UZ,# 上述电路UI为正弦波，且幅值大于UZ ， UO的波形是怎样的？,（2）设负载变化(电源不变),如电路参数变化？,例：稳压二极管的应用,稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin
20、=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200 ，求iZ。 若负载电阻变化范围为1.5 k - 4 k ，是否还能稳压？,UZ=10V ui=12V R=200 Izmax=12mA Izmin=2mA RL=2k (1.5 k 4 k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA） i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA） RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA） RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2
21、.5=7.5（mA）,负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用,1.4.3光电二极管,符号和特性,符号,特性,工作原理：,无光照时，与普通二极管一样。 有光照时，分布在第三、四象限。,1.4.2变容二极管,利用结势垒电容Cb随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。,1.4.4 发光二极管 LED (Light Emitting Diode),1. 符号和特性,工作条件：正向偏置,一般工作电流几十 mA，导通电压 (1 2) V,符号,特性,发光类型：,可见光：红、黄、绿,不可见光：红外光,显示类型： 普通 LED ，,点阵 LED,七段 LED ,还有： 隧道二极管
22、(请同学们上网查找有关资料，写在作业本上） 肖特基二极管(请同学们上网查找有关资料，写在作业本上）,一、两种半导体和两种载流子,两种载流 子的运动,电子,空穴,两 种 半导体,N 型 (多电子),P 型 (多空穴),二、二极管,1. 特性, 单向导电,正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。,第一章 小 结,2. 主要参数,正向 最大平均电流 IF,反向 ,最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿),反向饱和电流 IR (IS)(受温度影响),IS,3. 二极管的等效模型,理想模型 (大信号状态采用),正偏导通 电压降为零 相当于理想开关闭合,反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开,恒压降模型,UD(on),正偏电压 UD(on) 时导通 等效为恒压源UD(on),否则截止，相当于二极管支路断开,UD(on) = (0.6 0.8) V,估算时取 0.7 V,硅管：,锗管：,(0.1 0.3) V,0.2 V,折线近似模型,相当于有内阻的恒压源 UD(on),4. 二极管的分析方法,迭代法；图解法；等效法,5. 特殊二极管,工作条件,主要用途,稳压二极管,反 偏,稳 压,发光二极管,正 偏,发 光,光电二极管,反 偏,光电转换,
