模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)華成英hchya@清華大學(xué)華成英緒

論華成英hchya@一、電子技術(shù)的發(fā)展二、模擬信號與模擬電路三、電子信息系統(tǒng)的組成四、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課的特點五、如何學(xué)習(xí)這門課程1904年電子管問世1947年晶體管誕生1958年集成電路研制成功電子管、晶體管、集成電路比較華成英hchya@一、電子技術(shù)的發(fā)展“無孔不入”，應(yīng)用廣泛；從電子管→半導(dǎo)體管→集成電路，半導(dǎo)體器件發(fā)展迅速。半導(dǎo)體元器件的發(fā)展華成英hchya@1947年1958年1969年1975年貝爾實驗室制成第一只晶體管集成電路大規(guī)模集成電路

超大規(guī)模集成電路u

第一片集成電路只有4個晶體管，而1997年一片集成電路中有40億個晶體管。20世紀(jì)末有科學(xué)家預(yù)測，集成度還將按10倍/6年的速度增長，到2015或2020年達(dá)到飽和。學(xué)習(xí)電子技術(shù)方面的課程需時刻關(guān)注電子技術(shù)的發(fā)展！第一只晶體管的發(fā)明者（by

John

Bardeen

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William

Schockland

Walter

Brattain

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Bell

Lab）他們在1947年11月底發(fā)明了晶體管，并在12月16日正式宣布“晶體管”誕生。1956年獲諾貝爾物理學(xué)獎。巴因所做的超導(dǎo)研究于1972年第二次獲得諾貝爾物理學(xué)獎。第一個集成電路及其發(fā)明者（

Jack

Kilby

from

TI

）1958年9月12日，在德州儀器公司的實驗室里，實現(xiàn)了把電子器件集成在一塊半導(dǎo)體材料上的構(gòu)想。42年以后，2000年獲諾貝爾物理學(xué)獎。“為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)”。值得紀(jì)念的幾位科學(xué)家！華成英hchya@二、模擬信號與模擬電路·1.電子電路中信號的分類數(shù)字信號：離散性。模擬信號：連續(xù)性。大多數(shù)物理量為模擬信號。·2.模擬電路模擬電路是對模擬信號進(jìn)行處理的電路。最基本的處理是對信號的放大，有功能和性能各異的放大電路。其它模擬電路多以放大電路為基礎(chǔ)?！?”的電壓當(dāng)量“1”的倍數(shù)介于K與K+1之間時需根據(jù)閾值確定為K或K+1華成英hchya@任何瞬間的任何值均是有意義的三、電子信息系統(tǒng)的組成數(shù)字電子電路（系統(tǒng)）傳感器接收器隔離、濾波、放大運算、轉(zhuǎn)換、比較功放模擬-數(shù)字混合電子電路模擬電子電路模擬電子系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)華成英hchya@四、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課的特點·1、工程性實際工程需要證明其可行性。強(qiáng)調(diào)定性分析。實際工程在滿足基本性能指標(biāo)的前提下總是容許存在一定的誤差范圍的。定量分析為“估算”。近似分析要“合理”。抓主要矛盾和矛盾的主要方面電子電路歸根結(jié)底是電路。不同條件下構(gòu)造不同模型?！?.實踐性常用電子儀器的使用方法電子電路的測試方法故障的判斷與排除方法EDA軟件的應(yīng)用方法電子元器件的華成英hchya@特點使然。五、如何學(xué)習(xí)這門課程華成英hchya@·1.掌握基本概念、基本電路和基本分析方法基本概念：概念是不變的，應(yīng)用是靈活的，“萬變不離其宗”?；倦娐罚簶?gòu)成的原則是不變的，具體電路是多種多樣的。正確識別電路是分析電路的基礎(chǔ)?；痉治龇椒ǎ翰煌愋偷碾娐酚胁煌男阅苤笜?biāo)和描述方法，因而有不同的分析方法。·2.注意定性分析和近似分析的重要性。·3.學(xué)會辯證、全面地分析電子電路中的問題，學(xué)會發(fā)現(xiàn)問4.上好“理論—EDA—實踐”三個臺階。·5.注意電路中常用定理在電子電路中的應(yīng)用。第一章半導(dǎo)體二極管和三極管華成英hchya@§1.1

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識§1.2

半導(dǎo)體二極管§1.3

晶體三極管§1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識華成英hchya@一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、PN結(jié)的電容效應(yīng)一、本征半導(dǎo)體1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場強(qiáng)到一定程度時才可能導(dǎo)電。半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。無雜質(zhì)

穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)華成英hchya@2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)共價鍵由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，其帶負(fù)電。自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴，其帶正電。自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。動態(tài)平衡一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。華成英hchya@3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子華成英hchya@運載電荷的粒子稱為載流子。外加電場時，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。兩種載流子為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？二、雜質(zhì)半導(dǎo)體華成英hchya@1.

N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。磷（P）2.

P型半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？華成英hchya@三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦晕镔|(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴(kuò)散運動。氣體、液體、固體均有之。P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。華成英hchya@N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。擴(kuò)散運動擴(kuò)散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。PN

結(jié)的形成由于擴(kuò)散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴(kuò)散運動的進(jìn)行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運動。漂移運動因電場作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。參與擴(kuò)散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。華成英hchya@PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN

結(jié)的單向?qū)щ娦匀A成英hchya@P必N結(jié)要加嗎反？向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運動，有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。四、PN

結(jié)的電容效應(yīng)勢壘電容PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。擴(kuò)散電容PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。結(jié)電容：結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！華成英hchya@清華大學(xué)華成英

hchya@討論華成英hchya@

為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？

為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？§2半導(dǎo)體二極管華成英hchya@一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管一、二極管的組成將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管華成英hchya@一、二極管的組成點接觸型：結(jié)面積小，面接觸型：結(jié)面積大，平面型：結(jié)面積可小、結(jié)電容小，故結(jié)允許結(jié)電容大，故結(jié)允許可大，小的工作頻率的電流小，最高工作的電流大，最高工作高，大的結(jié)允許的電頻率高。頻率低。流大。華成英hchya@開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫電壓華成英hchya@材料度的開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si當(dāng)量0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA二、二極管的伏安特性及電流方程二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。利用Multisim測試二極管伏安特性華成英hchya@不能認(rèn)為二極管的導(dǎo)通電壓為常量！從二極管的伏安特性可以反映出：1.

單向?qū)щ娦哉蛱匦詾橹笖?shù)曲線反向特性為橫軸的平行線2.

伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓增大1倍/10℃→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移華成英hchya@三、二極管的等效電路理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時UD＝0S截止時I

＝0導(dǎo)通時U

＝UonD截止時IS＝0導(dǎo)通時△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！1.將伏安特性折線化？100V？5V？2V？Si華成英hchya@2.微變等效電路當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用小信號作用Q越高，rd越小。靜態(tài)電流華成英hchya@四、二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：最大平均值最大反向工作電壓UR：最大瞬時值反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng)第四版——P20華成英hchya@討論：解決兩個問題如何判斷二極管的工作狀態(tài)？什么情況下應(yīng)選用二極管的什么等效電路？華成英hchya@一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號二、晶體管的放大原理三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性四、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數(shù)§1.3華成英hchya@晶體三極管一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結(jié)。小功率管中功率管大功率管為什么有孔？華成英hchya@二、晶體管的放大原理擴(kuò)散運動形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運動形成基極電流IB，漂移運動形成集電極電流IC。少數(shù)載流子的運動因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴的擴(kuò)散華成英hchya@電流分配：IE＝IB＋I(xiàn)CIE－擴(kuò)散運動形成的電流

IB－復(fù)合運動形成的電流

IC－漂移運動形成的電流穿透電流集電結(jié)反向電流直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)為什么基極開路集電極回路會有穿透電流？華成英hchya@三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性1.輸入特性為什么像PN結(jié)的伏安特性？為什么UCE增大曲線右移？為什么UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了？對于小功率晶體管，UCE大于1V的一條輸入特性曲線可以取代UCE大于1V的所有輸入特性曲線。華成英hchya@2.輸出特性?對應(yīng)于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。飽和區(qū)為什么uCE較小時iC隨uCE變化很大？為什么進(jìn)入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？放大區(qū)截止區(qū)β是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下華成英hchya@晶體管的三個工作區(qū)域晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流iC幾乎僅僅決定于輸入回路的電流iB，即可將輸出回路等效為電流iB控制的電流源iC

。狀態(tài)uBEiCuCE截止＜