1、1,電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù),南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 孫正鳳,2,課程的性質(zhì)與任務(wù),性質(zhì) 普通高等院校電類專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課，為后繼專業(yè)課程學(xué)習(xí)以及電子技術(shù)在專業(yè)中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。 任務(wù) 使學(xué)生掌握模擬電子技術(shù)方面的基本理論（電子電路的基本分析方法）、基本知識(shí)（常用電子器件和電子電路的性能以及主要應(yīng)用）和基本技能（電子測(cè)試技術(shù)、電子電路的分析計(jì)算能力和識(shí)圖能力）。,3,模 擬 電 子 技 術(shù) 基 礎(chǔ),電子器件及基本應(yīng)用,第一章 晶體二極管工作原理及應(yīng)用 第二章 晶體三極管及基本放大器 第三章 場效應(yīng)管及其應(yīng)用,基本功能電路,第四章 負(fù)反饋放大器 第五章 振蕩電路 第六章 電流源電路 第七章

2、 差分放大電路 第八章 功率放大電路,模擬集成電路,第九章 運(yùn)算放大器 第十章 集成穩(wěn)壓電路 第十一章 在系統(tǒng)可編程模擬器件,教材知識(shí)體系,4,本課程是屬于技術(shù)基礎(chǔ)性質(zhì)的課程，它與大學(xué)物理、電路等基礎(chǔ)理論課程相比，更接近工程實(shí)際。,課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法,5,課程安排： 共計(jì)3學(xué)分，其中：理論課占2.5學(xué)分 實(shí)驗(yàn)課占0.5學(xué)分 考核方法： 閉卷考試 總評(píng)成績=平時(shí)成績20%+實(shí)驗(yàn)成績10%+考試成績70%,課程安排和考核方法,6,第一章 晶體二極管工作原理及應(yīng)用,1.1 引言 1.2 半導(dǎo)體物理知識(shí) 1.3PN結(jié) 1.4 實(shí)際二極管的伏安特性 1.5二極管的模型、參數(shù)、分析方法及基本應(yīng)用 1.6

3、 其它類型的二極管,7,1.1 引言,P,N,正極,負(fù)極,（a） 二極管結(jié)構(gòu)示意圖,（b） 二極管的電路符號(hào),8,1.2 半導(dǎo)體物理知識(shí),1.2.1 概述 1.2.2 本征半導(dǎo)體 1.2.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體 1.2.4 載流子的運(yùn)動(dòng),9,1.2.1 概述,導(dǎo)體：電阻率小于10-3.cm，很容易導(dǎo)電，稱為導(dǎo)體.如銅、鋁、銀等金屬材料； 絕緣體：電阻率大于109.cm，很難導(dǎo)電，稱為絕緣體，如塑料、橡膠、陶瓷等材料； 半導(dǎo)體：電阻率在10-3109.cm，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，例如硅(Si)和鍺(Ge)等半導(dǎo)體材料；,10,半導(dǎo)體材料制作電子器件的原因?,不是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之

4、間，而是在于半導(dǎo)體材料具有熱敏性、光敏性和摻雜性。,11,半導(dǎo)體材料制作電子器件的原因?,1、熱敏性：是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而迅速增加，例如純凈鍺從20升高到30時(shí)，電阻率下降為原來的1/2； 2、光敏性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著改變的特性；例如硫化鎘薄膜在暗處：電阻為幾十M。光照：電阻下降為幾十K 3、摻雜性：是半導(dǎo)體導(dǎo)電能力因摻入適量的雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化，例如在半導(dǎo)體硅中，只要摻入億分之一的硼雜質(zhì)，電阻率下降到原來的幾萬分之一，利用這一特性，可以制造出不同性能不同用途的半導(dǎo)體器件。,12,+14,2,8,4,+32,2,8,18,4,硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu),硅,鍺,硅(鍺

5、)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型,Si,Ge,13,1.2.2 本征半導(dǎo)體,1、本征半導(dǎo)體： 純凈的半導(dǎo)體單晶。,原子按一定的規(guī)則整齊排列、結(jié)構(gòu)完整。,硅(鍺)的晶體結(jié)構(gòu),14,共價(jià)鍵,1.2.2 本征半導(dǎo)體,A硅原子電子數(shù)為14，最外層電子為四個(gè)，是四價(jià)元素,B、硅原子結(jié)合方式是共價(jià)鍵結(jié)合： (i)每個(gè)價(jià)電子都要受到相鄰兩個(gè)原子核的束縛; (ii)半導(dǎo)體的價(jià)電子既不象導(dǎo)體的價(jià)電子那樣容易掙脫成為自由電子，也不象絕緣體中被束縛，所以其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間,本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)合，以硅原子（T=0K）為例。,15,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,共價(jià)鍵,2、本征激發(fā)和兩

6、種載流子,A、本征激發(fā) 電子、空穴對(duì)的產(chǎn)生,B、價(jià)電子填充空穴的運(yùn)動(dòng),C、空穴是可以移動(dòng)的，其實(shí)是共價(jià)鍵的電子依次填補(bǔ)空穴，形成空穴的移動(dòng),16,3、復(fù)合,(1)復(fù)合：自由電子跳進(jìn)空穴，并釋放出能量的現(xiàn)象。 (2)當(dāng)溫度一定時(shí)，激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空穴濃度和自由電子濃度相等，而且是一個(gè)定值。 (3) 本征載流子濃度：本征半導(dǎo)體單位體積內(nèi)的載流子數(shù)量。,電子空穴對(duì)成對(duì)消失-本征激發(fā)現(xiàn)象的逆過程,本征半導(dǎo)體中 電子的濃度,本征半導(dǎo)體中 空穴的濃度,與半導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)， Si： Ge：,0K時(shí)半導(dǎo)體材料的帶隙能量。 Si：1.207eV Ge：0.785eV,玻耳茲曼常數(shù)， k=8.63eV

7、/K,17,例1.1.1 計(jì)算在室溫270C（300K）時(shí)硅和鍺的本征載流子濃度。 解：Si： Ge： 結(jié)論：相同溫度下。Ge的導(dǎo)電能力比Si強(qiáng)。,18,本征激發(fā)小結(jié),本征半導(dǎo)體中的電子和空穴是成對(duì)產(chǎn)生的，因此本征半導(dǎo)體還是電中性的。 自由電子在晶格中運(yùn)動(dòng)；空穴在共價(jià)鍵內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 溫度一定時(shí)激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即溫度一定時(shí)半導(dǎo)體材料中的載流子濃度是一定的。 溫度升高時(shí)半導(dǎo)體材料中的載流子濃度就增大，導(dǎo)電能力增強(qiáng)。因此本征半導(dǎo)體可以制成熱敏元件或光敏元件。,19,1.2.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在室溫270C時(shí)，Si的本征載流子濃度為1.51010cm-3,原子密度為2.41022cm-3。只有三萬億

8、分一的原子由于本征激發(fā)產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)。 結(jié)論：本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力很弱！ 為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，并且人為控制半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性，可以采用摻雜技術(shù)。 摻雜：將半導(dǎo)體材料中摻入一定量的雜質(zhì)元素，這樣的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。 雜質(zhì)半導(dǎo)體可可分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體,摻雜要求：1.雜質(zhì)元素的濃度要遠(yuǎn)大于 本征載流子濃度； 2.雜質(zhì)元素的濃度又要遠(yuǎn)小于 材料的原子密度。,20,+4,+4,+4,+5,+4,+4,磷原子,空穴是少子,電子是多子,硅原子,1、N型半導(dǎo)體（N-type Semiconductor）,A、在四價(jià)的本征硅中摻入微量的五價(jià)元素（如磷、砷）。 B、磷原子失去一個(gè)電子自身成不

9、能移動(dòng)的帶正電荷的離子，稱為施主雜質(zhì)。摻入一個(gè)磷原子就提供一個(gè)自由電子。 C、N型半導(dǎo)體中,電子是多子,空穴是少子 D、整塊的半導(dǎo)體仍為中性,多子（自由電子）濃度施主雜質(zhì)摻雜濃度 根據(jù)半導(dǎo)體物理中的熱平衡條件： 少子（空穴）濃度：,21,A、在四價(jià)的本征硅中摻入微量的3價(jià)硼 B、硼原子在共價(jià)鍵留下一個(gè)空位，相鄰硅原子中的價(jià)電子容易移過來填補(bǔ)個(gè)空位 。硼原子接受一個(gè)電子，成為帶負(fù)電的離子，稱受主雜質(zhì)；在相鄰硅共價(jià)鍵中產(chǎn)生一個(gè)帶正電的空穴 C、P型半導(dǎo)體中：空穴是多子；電子是少子 D、整塊的半導(dǎo)體仍為中性,+4,+4,+4,+3,+4,+4,2、P型半導(dǎo)體（P-type Semiconductor

10、）,硅原子,硼原子,空穴是多子,電子是少子,多子（空穴）濃度受主雜質(zhì)摻雜濃度 根據(jù)半導(dǎo)體物理中的熱平衡條件： 少子（自由電子）濃度：,22,雜質(zhì)半導(dǎo)體小結(jié),雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩類：一類是N型半導(dǎo)體，另一類是P型半導(dǎo)體。 雜質(zhì)半導(dǎo)體摻雜濃度要遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)的本征載流子濃度，又要遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體的原子密度。 本征半導(dǎo)體中摻入5價(jià)元素（施主雜質(zhì)）就形成N形半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體的多子是電子，少子是空穴；當(dāng)本征半導(dǎo)體中摻入3價(jià)元素（受主雜質(zhì)）就形成P型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體的多子是空穴，少子是電子。,23,雜質(zhì)半導(dǎo)體小結(jié),在一定的溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子濃度近似等于摻雜濃度，幾乎和溫度無關(guān)；少子濃度是對(duì)應(yīng)溫度下的本征

11、載流子濃度的平方除以摻雜濃度，并隨溫度的升高而增加。 當(dāng)溫度過高時(shí)，本征載流子濃度可能會(huì)高于摻雜濃度，此時(shí)的半導(dǎo)體具有本征半導(dǎo)體的特性了。,24,半導(dǎo)體中的電子和空穴有兩種運(yùn)動(dòng)形式。 1、載流子的漂移運(yùn)動(dòng)： 載流子在外加電場的作用 下而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。 2、載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由于濃度差而引起的載流子 的運(yùn)動(dòng)。,1.2.4 載流子的運(yùn)動(dòng),25,I,IP,IN,空穴電流,電子電流,外電路電流,本征半導(dǎo)體中載流子的飄移運(yùn)動(dòng)示意圖,半導(dǎo)體中兩種載流子：帶正電荷的空穴,帶負(fù)電荷的自由電子,外電場,它們?cè)谕怆妶龅淖饔孟拢瑫?huì)出現(xiàn)定向運(yùn)動(dòng),本征半導(dǎo)體,1、載流子的漂移運(yùn)動(dòng),26,2、載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),N,注入空穴

12、,擴(kuò)散電流,27,漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)小結(jié),載流子有兩種運(yùn)動(dòng)：漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 在電場的作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)為漂移運(yùn)動(dòng)，載流子的漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移電流。 在濃度差的作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擴(kuò)散電流。,28,1.3 PN結(jié),1.3.1 概述 1.3.2 熱平衡情況下的PN結(jié) 1.3.3 PN結(jié)的伏安特性 1.3.4 PN結(jié)的電容特性,29,1.3.2 熱平衡情況下的PN結(jié),P型區(qū),N型區(qū),(2)隨著內(nèi)電場由弱到強(qiáng)的建立,少子漂移從無到有,逐漸加強(qiáng),而擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱, 形成平衡的PN結(jié)。,(1)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空間電荷區(qū)建立內(nèi)電場,1、PN結(jié)(PN Junctio

13、n)的形成,多子的擴(kuò)散,多子的擴(kuò)散,動(dòng)畫演示,30,1.3.2 熱平衡情況下的PN結(jié),2、內(nèi)建電位差或內(nèi)建電壓：熱平衡情況下，PN結(jié)的寬度一定，在PN結(jié)兩端存在的電壓。,溫度的電壓當(dāng)量。室溫下VT=26mV,31,1.3.3 PN結(jié)的伏安特性,伏安特性：PN結(jié)的電流和加在它兩端的電壓的關(guān)系。 1.PN結(jié)的正向特性(forward bias外加正向電壓) 2.PN結(jié)的反向特性(reverse bias外加反向電壓),32,1、PN結(jié)的正向特性,P,N,內(nèi)電場,外電場,IF = I多子 I少子 I多子,A、正向偏壓的接法：P區(qū)接高電位，N區(qū)接低電位,B、正向偏壓削弱內(nèi)電場，有利多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使P

14、N結(jié)空間電荷區(qū)變窄；,C、正向偏壓時(shí)，PN結(jié)為導(dǎo)通狀態(tài)，外電路電流IF很大，PN結(jié)呈現(xiàn)的正向電阻很小,I多子,PN結(jié)為導(dǎo)通狀態(tài),動(dòng)畫演示,33,D、反向偏壓PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)，外電路電流接近為O，PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很大,P,N,內(nèi)電場,IR = I少子 0,A、反向偏壓的接法：P區(qū)接低電位，N區(qū)接高電位,B、反向偏壓內(nèi)電場增強(qiáng)，不利多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成反向電流IR，IR很小，硅管為納安數(shù)量級(jí)，鍺管為微安數(shù)量級(jí)。,I少子,PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài),2、PN結(jié)的反向特性,C、反向偏壓，使PN結(jié)空間電荷區(qū)變寬。,D、反向偏壓PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)，外電路電流接近為O，PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很大,

15、34,3、PN結(jié)的伏安特性表達(dá)式,PN結(jié)的反向飽和電流,(1)當(dāng)所加正向電壓V 遠(yuǎn)大于VT（0.1V）時(shí)，,(2)當(dāng)所加正向電壓V 遠(yuǎn)小于VT（-0.1V）時(shí)，,35,PN結(jié)的伏安特性,硅PN結(jié),4、PN結(jié)的擊穿,硅PN結(jié),鍺PN結(jié),死區(qū)電壓,A、正向特性加正向偏壓UF A、UF較小時(shí)，IF較小 B、UF大于死區(qū)電壓時(shí)，IF迅速增加，并按指數(shù)規(guī)律上升。如圖中A段所示 C、當(dāng)正向電流變化很大時(shí)，PN結(jié)兩端電壓幾乎不變，硅PN結(jié)約0.60.7V，鍺PN結(jié)約0.20.3V，分別作為正向工作時(shí)兩端直流壓降的估算值。,B、反向特性加反向偏壓UR A、反向電流IR是少子漂移運(yùn)動(dòng)引起，所以數(shù)量小，幾乎不變，

16、又稱為反向飽和電流IS。 B、當(dāng)溫度升高，IS增加 C、硅PN結(jié)IS小于1uA，鍺PN結(jié)為幾十到幾百uA。,C、擊穿特性 當(dāng)UR繼續(xù)增大，并超過某一個(gè)特定電壓值時(shí)，IR將急劇增大，這種現(xiàn)象稱為擊穿，這時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓叫擊穿電壓UBR。,鍺PN結(jié),36,1、反向擊穿類型：,電擊穿,熱擊穿,2、反向擊穿原因：,齊納擊穿： (Zener),反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。 (擊穿電壓 6 V，負(fù)溫度系數(shù)),雪崩擊穿：,反向電場使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊 使自由電子數(shù)突增。, PN 結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。, PN 結(jié)燒毀。,(擊穿電壓 6 V，正溫度系數(shù)),擊穿電壓在 6 V 左右時(shí)，溫度系數(shù)趨近零。

17、,第 1 章半導(dǎo)體二極管,4、PN結(jié)的擊穿,37,IF /mA,0.2,0.6,0.4,0.8,UF/V,T 升高時(shí)，U th以 (2 2.5) mV/ C 下降,輸入曲線左移 當(dāng)溫度 升高10 C時(shí)，Is增加一倍,IR/ A,Uth,半導(dǎo)體具有熱敏性，溫度變化,使二極管參數(shù)發(fā)生變化，使二極管工作不穩(wěn)定。,IF/ A,5、PN結(jié)的溫度特性,38,1.3.4 PN結(jié)的電容特性,若PN結(jié)兩端加上隨時(shí)間變化的電壓時(shí)，PN結(jié)還會(huì)顯示出電容特性，PN結(jié)電容有兩種類型：一種稱為勢(shì)壘電容，用CB表示；另一種稱為擴(kuò)散電容，用CD表示。,39,PN結(jié)小結(jié),當(dāng)溫度一定時(shí)，PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡，多子的擴(kuò)散等于少子的漂

18、移數(shù)量，因此空間電荷區(qū)寬度一定，內(nèi)建電位差為一個(gè)定值， 當(dāng)溫度升高時(shí)，VB下降。 PN結(jié)的伏安特性是非線性的，它的表達(dá)式為： PN結(jié)加正向電壓時(shí)，IF和V 近似成指數(shù)關(guān)系 PN結(jié)加反向電壓時(shí)，反向電流和反向電壓無關(guān)。 當(dāng)PN上的反響電壓大于VBR時(shí)，PN結(jié)擊穿。PN結(jié)的擊穿特性可以用來穩(wěn)壓。,40,PN結(jié)小結(jié),當(dāng)溫度升高時(shí)，PN結(jié)伏安特性曲線的正向特性向左移；反向飽和電流IS增大；擊穿電壓VBR可能是負(fù)溫度系數(shù)（對(duì)應(yīng)齊納擊穿），也可能是正溫度系數(shù)（對(duì)應(yīng)雪崩擊穿）。 PN電容Cj=CB+CD，當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，以擴(kuò)散電容CD為主，即CjCD；當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，以勢(shì)壘電容CB為主，即Cj=

19、CB 。,41,1.4 實(shí)際二極管的伏安特性,42,1.5 二極管的模型、參數(shù)、分析方法及基本應(yīng)用,1.5.1 概述 1.5.2 二極管的開關(guān)模型及應(yīng)用 1.5.3 二極管的恒壓模型及應(yīng)用 1.5.4 二極管的小信號(hào)模型 1.5.5 二極管電路的分析方法 1.5.6 二極管的主要參數(shù),43,1.5.1 緒論,i,v,Q1,Q2,V1,I1,V2,I2,直流電阻：,交流電阻：,44,1、UD0時(shí)，二極管正向?qū)ǎ軌航禐?，即UF=0，視二極管為短路； 2、 UD0時(shí)，二極管反向截止，電流為0，即IF=0，視二極管為開路。,UF,IF,二極管的開關(guān)模型,1.5.2 二極管的開關(guān)模型及應(yīng)用,導(dǎo)通,

20、截止,45,1、UD0.7V時(shí)，二極管正向?qū)?，管壓降?.7V，即UF=0.7V，視二極管為短路； 2、 UD0.7時(shí)，二極管反向截止，電流為0，即IF=0，視二極管為開路。,UF,IF,二極管的恒壓模型,1.5.2 二極管的恒壓模型及應(yīng)用,導(dǎo)通,截止,46,二極管電路分析舉例,定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài),導(dǎo)通截止,分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位 的高低或所加電壓UD的正負(fù)。,若 V陽 V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導(dǎo)通 若 V陽 V陰或 UD為負(fù)( 反向偏置 )，二極管截止,若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。,47,電路如圖，

21、求：UAB,V陽 =6 V V陰 =12 V V陽V陰 二極管導(dǎo)通 若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V 否則， UAB低于6V一個(gè)管壓降，為6.3或6.7V,例1：,取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,在這里，二極管起鉗位作用。,48,兩個(gè)二極管的陰極接在一起 取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,V1陽 =6 V，V2陽=0 V，V1陰 = V2陰= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導(dǎo)通， D1截止。 若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向電壓為6 V,流過 D2 的電流為,求：UAB,在這里， D2 起鉗位作用， D1起隔離作用。,49,ui 8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二極管截止，可看作開路 uo = ui,已知： 二極管是理想的，試畫出 uo 波形。,8V,例3：,二極管的用途： 整流、檢波、 限幅、鉗位、開 關(guān)、元件保護(hù)、 溫度補(bǔ)償?shù)取?參考點(diǎn),二極管陰極電位為 8 V,50,1、整流應(yīng)用 利用二極管單向?qū)щ娦园汛笮『头较蚨甲兓恼医涣麟娮優(yōu)閱蜗蛎}動(dòng)的直流電。 2、