模拟电子技术基础模拟电子技术基础目目 录录第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第二章第二章 基本放大电路基本放大电路第三章第三章 多级放大电路多级放大电路第四章第四章 集成运算放大电路集成运算放大电路第五章第五章 放大电路的频率响应放大电路的频率响应第六章第六章 放大电路中的反馈放大电路中的反馈第七章第七章 信号的运算和处理信号的运算和处理第八章第八章 信号的发生和信号的转换信号的发生和信号的转换第九章第九章 功率放大电路功率放大电路第十章第十章 直流电源直流电源管管路路信信号号单单方方向向传传输输信信号号双双向向传传输输小小信信号号放放大大电电路路大信号大信号微变等效法微变等效法图解分析法图解分析法单级放大电路单级放大电路多多级级放放大大电电路路分立元件电路分立元件电路提供能源的电路提供能源的电路信号源信号源0 0 导言导言0.1 电信号电信号0.2 电子信息系统电子信息系统0.3 电子技术的课程体系电子技术的课程体系0.1 电信号电信号温度波动曲线温度波动曲线 声音、图像、亮度、温度等等物理信息，都可声音、图像、亮度、温度等等物理信息，都可以用信号波形来表示。以用信号波形来表示。 电子系统处理的是电信号，它由相应的物理量电子系统处理的是电信号，它由相应的物理量通过传感器转换而得到。通过传感器转换而得到。信号：信息的载体信号：信息的载体是研究电子器件、电子电路及其应用的是研究电子器件、电子电路及其应用的电子技术电子技术模拟电子技术模拟电子技术：数字电子技术数字电子技术：研究模拟信号研究模拟信号研究数字信号研究数字信号模拟信号：模拟信号：在时间上和幅值上都是连续变化的信号在时间上和幅值上都是连续变化的信号数字信号：数字信号：在时间上和幅值上都是离散的信号在时间上和幅值上都是离散的信号（模拟信号）（模拟信号）（数字信号）（数字信号） （数值（数值的的变化变化总是发生在一系列离散的瞬间；总是发生在一系列离散的瞬间；电子技术电子技术： 数值的数值的大大小小及及增减增减总是某一个最小单位的整数倍。）总是某一个最小单位的整数倍。）科学技术。科学技术。返回返回温度传感（输入）信号放大信号滤波控制执行（输出）功率放大数模转换数字逻辑电路模数转换恒温装置模拟小信号电路模拟小信号电路数字电路数字电路非电子物理非电子物理系统系统模拟大信模拟大信号电路号电路电电子子系系统统0.2 电子信息系统电子信息系统返回返回0.3 电子技术的课程体系电子技术的课程体系模拟电子技术和数字电子技术是电子信息类各专业的重要的技模拟电子技术和数字电子技术是电子信息类各专业的重要的技术基础课程，对于继续学习有关专业课程有着重要的影响。术基础课程，对于继续学习有关专业课程有着重要的影响。理论基础：理论基础：电路理论电路理论同步课程：数字电子技术同步课程：数字电子技术后续课程：微机原理等后续课程：微机原理等返回返回1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管1.4 1.4 场效应管场效应管 1.5 1.5 单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管1.6 1.6 集成电路中的元件集成电路中的元件 本章要求掌握：掌握：二极管、三极管的外特性及主要参数的二极管、三极管的外特性及主要参数的 物理意义物理意义理解：理解：PN结结 、二极管的单向导电性、稳压管的、二极管的单向导电性、稳压管的稳压作用稳压作用 及三极管的放大作用及三极管的放大作用了解：了解：二极管、三极管的选用原则二极管、三极管的选用原则1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.1.1 本征半导体本征半导体 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 1.1.3 PNPN结结半导体的导半导体的导电机制电机制1.典型的半导体材料典型的半导体材料元素元素硅（硅（Si）、锗（锗（Ge）化合物化合物砷化镓（砷化镓（GaAs）掺杂元素或化合物掺杂元素或化合物硼（硼（B）、磷（磷（P）半导体半导体3.3.半导体有半导体有温敏、光敏温敏、光敏和和掺杂掺杂等导电特性。等导电特性。2.导体、绝缘体和半导体的划分导体、绝缘体和半导体的划分根据物体导电能力，来划分导体和绝缘体。根据物体导电能力，来划分导体和绝缘体。导体导体 绝缘体绝缘体导电能力用电阻率导电能力用电阻率( (或电导率）来描述：或电导率）来描述： 导体导体 1010-4-4cmcm绝缘体绝缘体10109 9cmcm半导体半导体4. 半导体的共价键结构半导体的共价键结构14原子核原子核电子电子价电子价电子硅的原子结构硅的原子结构硅 14 1s2，2s2，2p6，3s2，3p2锗 32 1s2，2s2，2p6，3s2，3p6，3d10， 4s2，4p21. 1. 本征半导体本征半导体( (导体导体 1010-4-4cm cm , , 半导体半导体常见材料常见材料 硅硅(Si) 锗锗(Ge)1.1.1 Ge和和Si原子的简化模型原子的简化模型 纯净的具有纯净的具有晶体结构晶体结构的半导体称为本征半导体。的半导体称为本征半导体。绝缘体绝缘体 10109 9cm)cm)1010-4-4cm cm 10109 9cmcm1.1.1 本征半导体本征半导体2. 本征半导体晶体结构本征半导体晶体结构图图1.1.2 本征半导体晶体结构示意图本征半导体晶体结构示意图共价键结合力强共价键结合力强本征半导体导力弱本征半导体导力弱晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式3. 本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子 热力学零度热力学零度 （T=0K）,半导体中没有自由电子半导体中没有自由电子,相当于相当于绝缘体。绝缘体。本征半导体不导电。本征半导体不导电。常温（常温（T=300K）热激发（本征激发）热激发（本征激发）：共价键中的价电子共价键中的价电子能量能量自由电子自由电子空穴空穴+(+)(-)在电场的作用下在电场的作用下空穴运动：空穴运动：价电子填补空穴的运动价电子填补空穴的运动晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图图图1.1.3 本征半导体中的自由电子和空穴本征半导体中的自由电子和空穴 +4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴自由电子自由电子当温度升高或受到光的照当温度升高或受到光的照射时射时(T 0K)，价电子能量，价电子能量增高，有的价电子可以挣增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，由价带脱原子核的束缚，由价带进入导带，而参与导电，进入导带，而参与导电，成为成为自由电子自由电子。自由电子产生的同时，在其自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空们常称呈现正电性的这个空位为位为空穴空穴。图图1.1.4 自由电子进入空穴产生复合运动自由电子进入空穴产生复合运动复合：复合：自由电子和空穴相遇自由电子和空穴相遇温度温度T一定一定,ni（自由电子浓度）（自由电子浓度）T=pi(空穴浓度）空穴浓度）ni =pi半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？+4+4+4+4+4+4+4+4+4温度越高，载流子的浓度越高。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，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，这是半导体的一要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。在外电场作用下，空穴出现的，称为电子空穴对。在外电场作用下，空穴可以自由在晶体中运动，从而和自由电子一样可以可以自由在晶体中运动，从而和自由电子一样可以参加导电，载流子为自由电子和空穴，载流子越多，参加导电，载流子为自由电子和空穴，载流子越多，导电能力越强，但不如导体。导电能力越强，但不如导体。1.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中人为掺入微量的杂质，称为在本征半导体中人为掺入微量的杂质，称为杂质半导体。杂质半导体。 掺杂是为了掺杂是为了显著改变显著改变半导体中的自由电子浓半导体中的自由电子浓度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性能。度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性能。1.半导体的掺杂半导体的掺杂在硅（锗）单晶中掺在硅（锗）单晶中掺入少量三价元素（硼）入少量三价元素（硼），则三价元素原子在，则三价元素原子在晶格中缺少一个价电晶格中缺少一个价电子，从而产生一个空子，从而产生一个空穴。穴。空穴原因：掺杂（空穴原因：掺杂（90以上）本征激发以上）本征激发（空穴、自由电子）（空穴、自由电子）2. 三价元素掺杂三价元素掺杂P(空穴空穴) 型半导体型半导体P 型半导体型半导体 这一现象称为受主电离。这一现象称为受主电离。 空位很容易俘获邻近四价原子的价电子，即在空位很容易俘获邻近四价原子的价电子，即在 邻近产生一个空穴，空穴可以参与导电。邻近产生一个空穴，空穴可以参与导电。 空位俘获电子后，使杂质原子成为空位俘获电子后，使杂质原子成为负离子。负离子。三三价杂质价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。负离子束缚于晶格中，不参与导电。负离子束缚于晶格中，不参与导电。掺杂后掺杂后 P 型半导体中的空穴浓度等于掺杂浓度。型半导体中的空穴浓度等于掺杂浓度。在在 P 型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由它主要由掺杂形成；掺杂形成；自由电子是少数载流子，自由电子是少数载流子，它仍由热它仍由热激发形成。激发形成。3. 五价元素掺杂五价元素掺杂N(电子电子) 型半导体型半导体在硅（锗）单晶中掺在硅（锗）单晶中掺入少量五价元素入少量五价元素(磷磷)，则五价元素原子在，则五价元素原子在晶格中多余一个价电晶格中多余一个价电子。子。1000个自由电子掺个自由电子掺杂杂900个本征激发个本征激发100个（个（100个空穴）个空穴）+N 型半导体型半导体 多余价电子容易成为自由电子，可以参与导电。多余价电子容易成为自由电子，可以参与导电。 提供自由电子后的五价杂质原子因带正电荷而成提供自由电子后的五价杂质原子因带正电荷而成为为正离子正离子，因此五价杂质原子称为，因此五价杂质原子称为施主杂质施主杂质。正离子束缚于晶格中，不参与导电。正离子束缚于晶格中，不参与导电。掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度等于掺杂浓型半导体中的自由电子浓度等于掺杂浓度。度。在在 N 型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子，自由电子是多数载流子，它主要它主要由掺杂形成；由掺杂形成；空穴空穴是少数载流子，是少数载流子，它仍由热激发形它仍由热激发形成。成。P 型半导体和型半导体和N 型半导体掺入微量杂质元素后型半导体掺入微量杂质元素后,导电导电能力大大提高能力大大提高,但并不用来导电。呈电中性但并不用来导电。呈电中性? 这一现象称为这一现象称为施主电离施主电离 在在N型半导体中型半导体中自由电子数自由电子数等于等于正离子数正离子数和和空穴空穴数数之和，之和，自由电子带负电，空穴和正离子带正电，自由电子带负电，空穴和正离子带正电，整块半导体中正负电荷量相等，保持整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性电中性。杂质半导体的示意表示法：杂质半导体的示意表示法：P(空穴空穴) 型半导体型半导体+N (电子电子)型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但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由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近。近似认为多子与杂质浓度相等。似认为多子与杂质浓度相等。N型半导体型半导体P型半导体型半导体自由电子（掺杂形成自由电子（掺杂形成）多子多子空穴（掺杂形成）空穴（掺杂形成）空穴（热激发形成）空穴（热激发形成）自由电子（热激发形成自由电子（热激发形成）少子少子呈电中性呈电中性综上所述：综上所述：4.载流子的产生与复合载流子的产生与复合产生：价电子获得额外的能量（激发能），从价产生：价电子获得额外的能量（激发能），从价带跃迁到导带，而产生载流子的过程。带跃迁到导带，而产生载流子的过程。 产生的形式：本征激发（电子空穴对）、施主产生的形式：本征激发（电子空穴对）、施主电离、受主电离。电离、受主电离。 复合：自由电子与空穴相遇，重新填入共价键中复合：自由电子与空穴相遇，重新填入共价键中空穴的过程，复合使自由电子和空穴成对地消失。空穴的过程，复合使自由电子和空穴成对地消失。复合与产生是半导体的一对矛盾，在一定温度下，复合与产生是半导体的一对矛盾，在一定温度下，二者处于一定的动态平衡中。二者处于一定的动态平衡中。P型半导体型半导体+N型半导体型半导体 在一块在一块完整的完整的本征本征硅（或锗）片上，用不同的掺硅（或锗）片上，用不同的掺杂工艺一边形成杂工艺一边形成N型半导体，一边形成型半导体，一边形成P型半导体型半导体。在这两种半导体交界面附近形成的一个特殊性质的薄在这两种半导体交界面附近形成的一个特殊性质的薄层，称为层，称为PN结。结。1.1.3 PN结结1. PN结的形成结的形成漂移运动：漂移运动：在电场作用下，载流子的运动。在电场作用下，载流子的运动。漂移电流漂移电流扩散运动：扩散运动：同类载流子由于浓度差引起的运动。同类载流子由于浓度差引起的运动。扩散电流扩散电流内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动P P 型半导体型半导体型半导体型半导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体 内电场越强，漂内电场越强，漂内电场越强，漂内电场越强，漂移运动越强，而漂移运动越强，而漂移运动越强，而漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变移使空间电荷区变移使空间电荷区变移使空间电荷区变薄。薄。薄。薄。 扩散的结果使空间扩散的结果使空间电荷区变宽。电荷区变宽。+空间电荷区空间电荷区P(N)区中同类载流子浓度差区中同类载流子浓度差多子的扩散多子的扩散产生空间电荷区（内电场）产生空间电荷区（内电场）促进少子漂移促进少子漂移扩散与漂移运动达到扩散与漂移运动达到态平衡时，态平衡时，PN结形成结形成阻阻止止PN结的形成过程结的形成过程对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结结 (0.5m0.75mm) , 也称也称耗尽层耗尽层,阻挡层阻挡层,势垒区势垒区,内电场区内电场区,离子区离子区。因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。平。平衡衡 PN 结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向相反，所以无外加电场或其他激发因素时，相反，所以无外加电场或其他激发因素时， PN 结中没有电流。结中没有电流。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 小小 结结考虑外加电压于考虑外加电压于PN结上，根据外加电压的极性有两种情况结上，根据外加电压的极性有两种情况1.PN结加正向偏置电压（结加正向偏置电压（正偏）：正偏）：PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况2 PN结的特点结的特点外加电压使内电场减小外加电压使内电场减小以致以致 阻挡层变窄阻挡层变窄 多子形成的扩散电流增多子形成的扩散电流增加加 漂移电流减小漂移电流减小从电源正极有流入从电源正极有流入P P 区区的正向电流的正向电流P 区接电源正极区接电源正极PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 由于由于在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度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，反向电压的大小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 N 区接电源正极区接电源正极外加电压使内电场增加以外加电压使内电场增加以致致 阻挡层加宽阻挡层加宽 扩散电流进一步减小趋扩散电流进一步减小趋于零于零 少子形成的漂移电流居少子形成的漂移电流居支配地位支配地位从电源正极有流入从电源正极有流入N N 区的区的很小的反向电流很小的反向电流2 PN结加反向偏置电压（反偏）：结加反向偏置电压（反偏）：PN结正偏时，具有较大的正向扩散结正偏时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻；电流，呈现低电阻； PN结导通结导通PN结反偏时，仅有很小的反向漂移结反偏时，仅有很小的反向漂移电流，呈现高电阻。电流，呈现高电阻。 PN结截止结截止 PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。结论结论3 PN结结V- I 特性（伏安特性）表达式特性（伏安特性）表达式习惯习惯: P(+),N(-)为参考方向为参考方向PN结的伏安特性结的伏安特性门坎电压门坎电压(死区电压死区电压Vth)：导通、导通、未导通的分界；未导通的分界；导通条件：导通条件：V Vth；(与材料与材料有关有关,Si :0.5V,Ge:0.1V)导通后特征导通后特征(Si)：0.60.8V,约约0.7V左右左右(具体由实测或计算机具体由实测或计算机仿真仿真);截止条件截止条件: V Vth; (对内电场对内电场克服不够克服不够)截止后特征截止后特征:电流几乎为电流几乎为0。 其中其中:PN结的伏安特性结的伏安特性IS 反向饱和电流。反向截止反向饱和电流。反向截止的少子电流，越小越好，与温度的少子电流，越小越好，与温度变化有关变化有关VT 温度的电压当量温度的电压当量常温下（常温下（T=300K）：）：vDPN结外加电压结外加电压可推知可推知：PN结加正压，结加正压，VD0.7V， PN结加反压，结加反压，VD为负值，若为负值，若 比比 大几倍时大几倍时, 。可见。可见,反反向电流是个常数向电流是个常数 ，不随外加反向电压的大小而变动。，不随外加反向电压的大小而变动。 当当PN结的反向电压增结的反向电压增加到一定数值时，反向电加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象流突然快速增加，此现象称为称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。4 PN结的反向击穿结的反向击穿1).PN1).PN结的反向击穿现象结的反向击穿现象强电场将阻挡层内中性原子的价电子直接变为自由电子强电场将阻挡层内中性原子的价电子直接变为自由电子功率损耗功率损耗 PN结温升高结温升高本征激发加剧本征激发加剧反向电流反向电流更大更大连锁反应连锁反应反向电压增加反向电压增加 少子漂移加快少子漂移加快 动能增加动能增加 碰撞电离碰撞电离连锁反应连锁反应2) . 击穿的物理本质击穿的物理本质（1）雪崩击穿：）雪崩击穿：碰撞电离碰撞电离（2）齐纳击穿：）齐纳击穿：场致激发场致激发（3）热击穿：）热击穿： PN结过热结过热电击穿电击穿齐纳击穿：齐纳击穿：雪崩击穿：雪崩击穿：热击穿热击穿具有可具有可逆性逆性具有破具有破坏性坏性图图1.1.10 PN结的伏安特性结的伏安特性正向特性：正向特性：反向特性：反向特性：u0时，时，i -Is击穿特性：击穿特性： U(BR)时，时，i小结小结:5. PN结的电容效应结的电容效应（1）势垒电容）势垒电容（图（图1.1.11 PN结的势垒电容）结的势垒电容）势垒电容（势垒电容（Cb）：）： PN结外加电压变化时，引起耗尽层宽窄变化结外加电压变化时，引起耗尽层宽窄变化 （空间电荷区空间电荷区电荷量的变化）所等效的电容。电荷量的变化）所等效的电容。 扩散区内扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充、，电荷的积累和释放过程与电容器充、放电过程相同，这种放电过程相同，这种电容效应电容效应称为称为扩散电容扩散电容(Cd)。结电容结电容 Cj= Cd+Cb一般在一般在1PF左右左右6. PN结等效电路结等效电路rdCj(2)扩散电容扩散电容