模拟电子技术基础 第一章 课件
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模拟电子技术基础课件1章
白
高，基本按指数规律增加。
14
1.1.2 杂质半导体
杂质半导体有两种
N 型半导体 P 型半导体
一、 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
第 磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型
四 版
半导体)。
童
诗 白
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
15
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。
尽层的交界处
图 1.1.12
33
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。
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. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi
表示，显然 ni = pi 。
第
4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又
四 不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动
版 会达到平衡，载流子的浓度就一定了。
童 诗
5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升
一、导体、半导体和绝缘体
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。
第 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡
四
皮、陶瓷、塑料和石英。
版
童 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘
诗
体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓
白
和一些硫化物、氧化物等。
9
模拟电子技术基础(第4版)ppt课件
多子浓度高
多子浓度很 低，且很薄
面积大
晶体管有三个极、三个区、两个PN结。
华成英 hchya@
二、晶体管的放大原理
（发射结正偏） uBE U on 放大的条件 （集电结反偏） uCB 0，即 uCE uBE
少数载流 子的运动 因集电区面积大，在外电场作用下大 部分扩散到基区的电子漂移到集电区 因基区薄且多子浓度低，使极少 数扩散到基区的电子与空穴复合 因发射区多子浓度高使大量 电子从发射区扩散到基区 基区空穴 的扩散
华成英 hchya@
§1.3
晶体三极管
一、晶体管的结构和符号 二、晶体管的放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响
五、主要参数
华成英 hchya@
一、晶体管的结构和符号
为什么有孔？
小功率管
中功率管
大功率管
华成英 hchya@
2、本征半导体的结构
共价键
由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 动态平衡 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 的浓度加大。
指数曲线
若正向电压 UT，则i ISe u
u UT
若反向电压u UT，则i IS
2. 伏安特性受温度影响
反向特性为横轴的平行线
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ 增大1倍/10℃
T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移
华成英 hchya@
华成英 hchya@
模拟电子技术第1章PPT课件
多数载流子——自由电子 施主离子
少数载流子—— 空穴
7
8
2. P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
硅原子
+4
空穴
+4
硼原子
+4
8
电子空穴对
空穴
+4 +4
P型半导体
－ － －－
+3 +4
－ － －－
－ － －－
+4 +4
受主离子
多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子 9
杂质半导体的示意图
(1) 稳定电压UZ ——
在规定的稳压管反向工作电流IZ下UZ，所对应的Iz反min 向工作电u压。
(2) 动态电阻rZ ——
△I
rZ =U /I
rZ愈小，反映稳压管的击穿特性△愈U 陡。
I zmax
(3) 最小稳定工作 电流IZmin——
保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。
(4) 最大稳定工作电流IZmax——
17
EW
R
18
(2) 扩散电容CD
当外加正向电压
不同时，PN结两 + 侧堆积的少子的 数量及浓度梯度 也不同，这就相 当电容的充放电 过程。
P区 耗 尽 层 N 区 －
P 区中电子 浓度分布
N 区中空穴 浓度分布
极间电容（结电容）
Ln
Lp
x
电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来
18
19
1.2 半导体二极管
30
31
四、稳压二极管
稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管
பைடு நூலகம்
精品课件-模拟电子技术-第1章
由此可知，在常温下，半导体内存在着两种载流子，一 种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴。所以半导 体在外加电压作用下，两种载流子将会同时参与导电，如图 1.4所示。其中，In 表示电子形成的电流，Ip表示空穴形成 的电流。
15
第1章 半导体器件
图1.4 半导体内部载流子的运动
16
第1章 半导体器件
4
第1章 半导体器件
3) 掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的杂质元素能使其导电性能 发生显著变化，这种特性称为掺杂特性。例如在纯净的硅中 掺入百万分之一的杂质，其导电能力可以增强上百万倍。各 种半导体器件的制作，正是利用掺杂特性来改变和控制半导 体的导电能力的。 此外，半导体的导电能力还会随着电场、磁场的作用而 变化。 为什么半导体会有这些独特的导电性能呢？这主要是由 其内部的原子结构所决定的。
5
第1章 半导体器件
1.1.2 半导体的原子结构 用来制造晶体管的半导体材料主要是硅和锗。下面就来
讨论这两种半导体材料的原子结构。 1. 单个原子结构 硅的化学元素符号是Si，它有一个带正电的原子核和14
个带负电的电子。电子分三层绕原子核不停地旋转，如图 1.1(a)所示。由于原子核带14个电子电量的正电，因此正常 情况下原子呈中性。锗的化学元素符号是Ge，它共有32个电 子，分四层绕原子核不停地转动，如图1.1(b)所示。
第1章 半导体器件
第1章 半导体器件
1.1 半导体的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管 本章小结 练习题
1
第1章 半导体器件
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 半导体的基本特性 1. 什么是半导体 自然界中的物质，按其导电能力的强弱，可分为导体、
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第1章 半导体器件
图1.4 半导体内部载流子的运动
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第1章 半导体器件
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第1章 半导体器件
3) 掺杂特性 在纯净的半导体中掺入微量的杂质元素能使其导电性能 发生显著变化，这种特性称为掺杂特性。例如在纯净的硅中 掺入百万分之一的杂质，其导电能力可以增强上百万倍。各 种半导体器件的制作，正是利用掺杂特性来改变和控制半导 体的导电能力的。 此外，半导体的导电能力还会随着电场、磁场的作用而 变化。 为什么半导体会有这些独特的导电性能呢？这主要是由 其内部的原子结构所决定的。
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第1章 半导体器件
1.1.2 半导体的原子结构 用来制造晶体管的半导体材料主要是硅和锗。下面就来
讨论这两种半导体材料的原子结构。 1. 单个原子结构 硅的化学元素符号是Si，它有一个带正电的原子核和14
个带负电的电子。电子分三层绕原子核不停地旋转，如图 1.1(a)所示。由于原子核带14个电子电量的正电，因此正常 情况下原子呈中性。锗的化学元素符号是Ge，它共有32个电 子，分四层绕原子核不停地转动，如图1.1(b)所示。
第1章 半导体器件
第1章 半导体器件
1.1 半导体的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应管 本章小结 练习题
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第1章 半导体器件
1.1 半导体的基础知识
1.1.1 半导体的基本特性 1. 什么是半导体 自然界中的物质，按其导电能力的强弱，可分为导体、
1模拟电子技术基础简明教程(第三版)杨素行_PPT课件_第一章1
又称正向偏置，简称正偏。
P
空间电荷区
空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 较大的正向电流。
N
I 内电场方向
外电场方向
V
R
图3 正向偏置PN结
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(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；
模拟电子技术基础
一、电子技术的发展
• 1947年 • 1958年 • 1969年 • 1975年
贝尔实验室制成第一只晶体管 集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路
第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路 中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年 的速度增长，到2015或2020年达到饱和。
3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度相等。
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。
三、杂质半导体
杂质半导体有两种 1、 N 型半导体
N 型半导体 P 型半导体
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)。
学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！
电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展 上。从电子管→半导体管→集成电路
1904年 电子管问世
1947年 晶体管诞生
1958年集成电 路研制成功
电子管、晶体管、集成电路比较
值得纪念的几位科学家！
第一只晶体管的发明者
（by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab）
模拟电子技术基础ppt课件
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。
24
P
耗尽层
N
IS
内电场方向
外电场方向
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。
12
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。
36
二、温度对二极管伏安特性的影响(了解)
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。
I / mA
15
温度增加
10
5
– 50 – 25
–0.01 0 0.2 0.4 U / V
–0.02
二极管的特性对温度很敏感。
37
1.2.3 二极管的参数
(1) 最大整流电流IF
(2) 反向击穿电压U（BR）和最高反向工作电压URM
3. 折线模型
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。
(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 17
1.1.3 PN结
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，称为 PN 结。
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。
24
P
耗尽层
N
IS
内电场方向
外电场方向
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。
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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。
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二、温度对二极管伏安特性的影响(了解)
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。
I / mA
15
温度增加
10
5
– 50 – 25
–0.01 0 0.2 0.4 U / V
–0.02
二极管的特性对温度很敏感。
37
1.2.3 二极管的参数
(1) 最大整流电流IF
(2) 反向击穿电压U（BR）和最高反向工作电压URM
3. 折线模型
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。
(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 17
1.1.3 PN结
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，称为 PN 结。
《模拟电子技术(童诗白)》课件ppt
V
-
uR
t
V UD
幅值由rd与R
分压决定
t
例题1：试求输出电压uo。
－12V
解：两个二极管存在优先 导通现象。
R
D1 －5V
D2 0V
D2导通，D1截止。
Si : Uon 0.7V uo Ge : Uon 0.2V
Si : uo 5.7V
?
Ge : uo 5.2V
例题2：试画出电压uo的波形。
EGO：热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称 禁带宽度 （Si：1.21eV，Ge：0.785eV）；
T=300K时，本征半导体中载流子的浓度比较低， 导电能力差。Si：1.43×1010cm-3 Ge：2.38×1013cm-3
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二、杂质半导体
掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增强。按 掺入杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体。
晶体结构是指晶体的周期性
§1.1 半导体基础知识
结构。即晶体以其内部原子、 离子、分子在空间作三维周
一、本征半导体
期性的规则排列为其最基本 的结构特征
纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
1、半导体
根据材料的导电能
si
力，可以将他们划分为
GGee
导体、绝缘体和半导体。
典型的半导体是硅Si和 锗Ge，它们都是四价元
i
u IZmin
正向导通与
一定值时，稳压管就不会因发 热而损坏。
二极管相同 等效电路：
D1
u
符号：
D2
UZ rz
DZ
2、主要参数
（1）稳压值UZ；
（2）稳定电流IZ（IZmin）：电流小于此值时稳压效
模拟电子技术基础简明教程(第三版)ppt
本征半导体 杂质半导体
一、本征半导体(intrinsic semiconductor) 本征半导体(intrinsic
1. 半导体 半导体(semiconductor)
半导体的定义： 半导体的定义：将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物 质统称为半导体 半导体。 质统称为半导体。
两种载流子总是成对出现 称为 电子 – 空穴对
+4 +4 +4
两种载流子浓度相等
电子 – 空穴对
+4
在一定温度下电子 空穴对的 在一定温度下电子 – 空穴对的 产生和复合达到动态平衡。 产生和复合达到动态平衡。
+4
+4
本征载流子的浓度对温度十分敏感
死区 10 电压 0 0.5 1.0 1.5 U/V
二极管正向特性曲线
导通压降： 导通压降：
反向特性 反向饱和电流 反偏时，反向电流值很小， 反偏时，反向电流值很小， IS
UBR
I/mA -10 0 U/V -2
第二节 半导体二极管
PN结及其单向导电性 PN结及其单向导电性 二极管的伏安特性 二极管的主要参数 稳压管
一、PN结及其单向导电性 PN结及其单向导电性
1. PN结中载流子的运动 PN结中载流子的运动
又称耗尽层， PN结 又称耗尽层，即PN结。 漂移 内电场又称阻挡层， 内电场又称阻挡层，阻止扩散 又称阻挡层 运动，却有利于漂移运动。 运动，却有利于漂移运动。
+4
共价键covalent 共价键covalent bond
晶体中的价电子与共价键
2. 本征半导体(intrinsic semiconductors) 本征半导体( semiconductors) 纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。 纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。 本征半导体 在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强， 在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强， 在热力学温度零度（ 在热力学温度零度（即T = 0 K ）时， 价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚， 价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚， 晶体中不存在能够导电的载流子， 晶体中不存在能够导电的载流子， 半导体不能导电，如同绝缘体一样。 绝缘体一样 半导体不能导电，如同绝缘体一样。
一、本征半导体(intrinsic semiconductor) 本征半导体(intrinsic
1. 半导体 半导体(semiconductor)
半导体的定义： 半导体的定义：将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物 质统称为半导体 半导体。 质统称为半导体。
两种载流子总是成对出现 称为 电子 – 空穴对
+4 +4 +4
两种载流子浓度相等
电子 – 空穴对
+4
在一定温度下电子 空穴对的 在一定温度下电子 – 空穴对的 产生和复合达到动态平衡。 产生和复合达到动态平衡。
+4
+4
本征载流子的浓度对温度十分敏感
死区 10 电压 0 0.5 1.0 1.5 U/V
二极管正向特性曲线
导通压降： 导通压降：
反向特性 反向饱和电流 反偏时，反向电流值很小， 反偏时，反向电流值很小， IS
UBR
I/mA -10 0 U/V -2
第二节 半导体二极管
PN结及其单向导电性 PN结及其单向导电性 二极管的伏安特性 二极管的主要参数 稳压管
一、PN结及其单向导电性 PN结及其单向导电性
1. PN结中载流子的运动 PN结中载流子的运动
又称耗尽层， PN结 又称耗尽层，即PN结。 漂移 内电场又称阻挡层， 内电场又称阻挡层，阻止扩散 又称阻挡层 运动，却有利于漂移运动。 运动，却有利于漂移运动。
+4
共价键covalent 共价键covalent bond
晶体中的价电子与共价键
2. 本征半导体(intrinsic semiconductors) 本征半导体( semiconductors) 纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。 纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。 本征半导体 在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强， 在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强， 在热力学温度零度（ 在热力学温度零度（即T = 0 K ）时， 价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚， 价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚， 晶体中不存在能够导电的载流子， 晶体中不存在能够导电的载流子， 半导体不能导电，如同绝缘体一样。 绝缘体一样 半导体不能导电，如同绝缘体一样。
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上方有圆点的大写字母、小写下标表示相量。 如，V 、 I 等。
ce b
end
作业
1.4.1 1.5.1 1.5.2 1.5.6
2. 电信号源的电路表达形式
电压源等效电路
电流源等效电路
is
vs Rs
1.2 信号的频谱
电信号的时域与频域表示
时域
1. 正弦信号
v ( t ) V m sin( ω 0 t θ )
T 2π
0
0 2πf0
2. 方波信号 满足狄利克雷条件， 展开成傅里叶级数
方波的时域表示
互阻增益
Ar vo ii ( )
互导增益
Ag io vi (S )
2. 放大电路模型
A. 电压放大模型
A v o ——负载开路时的
电压增益
R i ——输入电阻
R o ——输出电阻
由输出回路得 v o A v o v i 则电压增益为 A v 由此可见
RL
RL
vo vi
Ro RL RL Av o Ro RL
v (t ) VS 2 2V S π (sin ω 0 t 1 3 sin 3 ω 0 t
VS 2
1 5
sin 5 ω 0 t )
其中
2V S π
0
2π T
——直流分量
1 3
——基波分量
2V S π
——三次谐波分量
信号的频谱 频谱：将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正
弦信号幅值和相位随角频率变化的分布，称为该信号
的频谱。 方波信号
v (t ) VS 2 2V S π (sin ω 0 t 1 3 sin 3 ω 0 t 1 5 sin 5 ω 0 t )
幅度谱
相位谱
1.3 模拟信号和数字信号
模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。 数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。 处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。
Av
R o R L
即负载的大小会影响增益的大小
要想减小负载的影响，则希望…？ （考虑改变放大电路的参数） 理想情况 R o 0
另一方面，考虑到输入回路对信号源的衰减
Ri Rs Ri
有
vi
vs
要想减小衰减，则希望…？
R i R s
理想情况
Ri
B. 电流放大模型
A i s ——负载短路时的
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
信号 信号的频谱 模拟信号和数字信号 放大电路模型 放大电路的主要性能指标
1.1 信号
1. 信号： 信息的载体
微音器输出的某一段信号的波形
T /℃ 2 2 0 0 .5 2 2 0 0 .0 2 1 9 9 .5
0
10
ห้องสมุดไป่ตู้
20
30
40
50
60
70
8 0 t/s
温度波动曲线
4. 频率响应
A.频率响应及带宽 在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化 的稳态响应，称为放大电路的频率响应。
电压增益可表示为
V o ( j ) Av ( j ) V ( j )
i
V o ( j ) [ o ( ) i ( )] ( j ) V
i
或写为
A v A v ( ) ( )
称为幅频响应
( ) o ( ) i ( ) 称为相频响应
V o ( j ) 其中A v ( ) V ( j )
i
普通音响系统放大电路的幅频响应
其中
f H — —上限频率
该图称为波特图 纵轴：dB 横轴：对数坐标
1.4 放大电路模型
放大电路是一个双口网络。从端口特性来研究放大
电路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。
信号源
+ Vs –
Ii Rs + Vi – 放大电路 + Vo –
Io
负载
RL
直流电源
1. 放大电路的符号及模拟信号放大
电压增益（电压放大倍数）
Av vo vi
电流增益
Ai io ii
k2
V ok 100 %
2
V o1
Vo1是输出电压信号基波分 量的有效值，Vok 是高次谐波 分量的有效值，k为正整数。
书中有关符号的约定
大写字母、大写下标表示直流量。如，VCE、IC 等。 小写字母、大写下标表示总量（含交、直流）。 如，vCE、iB等。 小写字母、小写下标表示纯交流量。如，vce、ib 等。
电流增益 由输出回路得
i o A is i i Ro Ro RL Ai io ii A is Ro Ro RL
R o R L
则电流增益为
由此可见
RL
Ai
要想减小负载的影响，则希望…？ 由输入回路得
ii is Rs Rs Ri
理想情况 R o
要想减小对信号源的衰减，则希望…？ R i R s 理想情况 R i 0
C. 互阻放大模型（自学） D. 互导放大模型（自学） E. 隔离放大电路模型
输入输出回路没有公共端
1.5 放大电路的主要性能指标
1. 输入电阻
Ri
vt it
2. 输出电阻
Ro
vt it
v s 0 ,R L
注意：输入、输出电阻为交流电阻
3. 增益
反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量 转换为输出信号能量的能力。
f L — —下限频率
BW f H f L 称为带宽
当 f H f L 时， BW f H
B.频率失真（线性失真） 幅度失真： 对不同频率的信号 增益不同产生的失真。 相位失真： 对不同频 率 的信号 相移不同产生的失真。
5. 非线性失真 由元器件非线性特性引起 的失真。
非线性失真系数:
四种增益
Av vo vi Ai io ii Ar vo ii Ag io vi
其中 A v 、 A i 常用分贝（dB）表示。
电压增益 电流增益 20 lg A v 20 lg A i (dB) (dB)
功率增益
10 lg A P
(dB)
―甲放大电路的电压增益为-20倍”和“乙放大电路的 电压增益为20dB‖，问哪个电路的增益大？