模拟电子技术基础 1.1-半导体基础知识
精品文档-模拟电子技术(江晓安)(第三版)-第1章
第一章 半导体器件
图 1 – 5 P型半导体的共价键结构
第一章 半导体器件
1.２ＰＮ 结
1.2.1 异型半导体接触现象 在Ｐ型和Ｎ型半导体的交界面两侧, 由于电子和空穴的
浓度相差悬殊, 因而将产生扩散运动。 电子由Ｎ区向Ｐ区扩 散； 空穴由Ｐ区向Ｎ区扩散。 由于它们均是带电粒子(离 子), 因而电子由Ｎ区向Ｐ区扩散的同时, 在交界面Ｎ区剩下 不能移动(不参与导电)的带正电的杂质离子； 空穴由Ｐ区向 Ｎ区扩散的同时, 在交界面Ｐ区剩下不能移动(不参与导电) 的带负电的杂质离子, 于是形成了空间电荷区。 在Ｐ区和Ｎ 区的交界处形成了电场(称为自建场)。 在此电场 作用下, 载流子将作漂移运, 其运动方向正好与扩散运动方 向相反, 阻止扩散运动。 电荷扩散得越多, 电场越强, 因而 漂移运动越强, 对扩散的阻力越大。 当达到平衡时, 扩散运 动的作用与漂移运动的作用相等, 通过界面的载流子总数为 ０, 即ＰＮ结的电流为０。 此时在ＰＮ区交界处形成一个缺 少载流子的高阻区, 我们称为阻挡层(又称为耗尽层)。 上述 过程如图１－６(ａ)、 (ｂ)所示。
所谓“齐纳”击穿, 是指当ＰＮ结两边掺入高浓度的杂 质时, 其阻挡层宽度很小, 即使外加反向电压不太高(一般为 几伏), 在ＰＮ结内就可形成很强的电场(可达2×106 V/cm), 将共价键的价电子直接拉出来, 产生电子-空穴对, 使反向电 流急剧增加, 出现击穿现象。
第一章 半导体器件
对硅材料的ＰＮ结, 击穿电压ＵＢ大于７V时通常是 雪崩击穿, 小于４V时通常是齐纳击穿；ＵＢ在４V和７V之间 时两种击穿均有。由于击穿破坏了ＰＮ结的单向导电特性, 因而一般使用时应避免出现击穿现象。
CT
dQ dU
S W
第一章 半导体器件
《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
模拟电子技术重点笔记
模拟电子技术重点笔记一、半导体基础知识在模拟电子技术中，半导体是至关重要的材料。
半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，常见的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）。
半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。
在纯净的半导体中，掺入微量的杂质可以显著改变其导电性能。
比如，掺入五价杂质形成 N 型半导体，其中自由电子是多数载流子；掺入三价杂质形成 P 型半导体，空穴则成为多数载流子。
PN 结是半导体器件的核心结构，它是由 P 型半导体和 N 型半导体接触形成的。
PN 结具有单向导电性，正向偏置时导通，反向偏置时截止。
这一特性为二极管等器件的工作原理奠定了基础。
二、二极管二极管是最简单的半导体器件之一。
它的主要特性就是上述提到的单向导电性。
二极管的伏安特性曲线可以清晰地展示其工作状态。
当正向电压超过开启电压时，电流迅速增大；反向电压在一定范围内，反向电流很小，当反向电压超过击穿电压时，反向电流急剧增大。
二极管在电路中有多种应用，如整流、限幅、钳位等。
在整流电路中，利用其单向导电性将交流转换为直流；在限幅电路中，可以限制信号的幅度；在钳位电路中，能将信号的电位固定在某个值。
三、三极管三极管是一种具有放大作用的半导体器件，分为NPN 型和PNP 型。
三极管的工作状态有截止、放大和饱和三种。
在放大状态下，基极电流的微小变化会引起集电极电流的较大变化，这就是三极管的放大作用。
要使三极管工作在放大状态，需要满足一定的外部条件，即发射结正偏，集电结反偏。
通过合理设置电路参数，可以实现对输入信号的放大。
三极管在模拟电子电路中广泛应用于放大电路、开关电路等。
四、基本放大电路基本放大电路是模拟电子技术中的重要内容。
常见的有共射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路。
共射极放大电路具有较大的电压放大倍数和电流放大倍数，但输入输出电阻适中；共集电极放大电路的电压放大倍数接近于 1，但输入电阻大，输出电阻小，常用于输入级和输出级；共基极放大电路具有较大的高频特性和宽频带。
模拟电子技术基础目录
模拟电子技术基础目录模拟电子技术基础目录模拟电子技术基础目录前言教学建议第1章半导体二极管及其应用1.1 半导体物理基础知识1.1.1 本征半导体1.1.2 杂质半导体1.2 pn结1.2.1 pn结的形成1.2.2 pn结的单向导电性1.2.3 pn结的反向击穿特性1.2.4 pn结的电容特性1.3 半导体二极管及其基本电路1.3.1 半导体二极管的伏安特性曲线1.3.2 半导体二极管的主要参数1.3.3 半导体二极管的电路模型1.3.4 二极管基本应用电路1.4 特殊二极管1.4.1 稳压二极管.1.4.2 变容二极管1.4.3 光电二极管1.4.4 发光二极管思考题习题第2章双极型晶体管及其放大电路2.1 双极型晶体管的工作原理2.1.1 双极型晶体管的结构2.1.2 双极型晶体管的工作原理2.2 晶体管的特性曲线2.2.1 共射极输出特性曲线2.2.2 共射极输入特性曲线2.2.3 温度对晶体管特性的影响2.2.4 晶体管的主要参数2.3 晶体管放大电路的放大原理2.3.1 放大电路的组成2.3.2 静态工作点的作用2.3.3 晶体管放大电路的放大原理2.3.4 基本放大电路的组成原则2.3.5 直流通路和交流通路2.4 放大电路的静态分析和设计2.4.1 晶体管的直流模型及静态工作点的估算2.4.2 静态工作点的图解分析法2.4.3 晶体管工作状态的判断方法2.4.4 放大状态下的直流偏置电路2.5 共射放大电路的动态分析和设计2.5.1 交流图解分析法2.5.2 放大电路的动态范围和非线性失真2.5.3 晶体管的交流小信号模型2.5.4 等效电路法分析共射放大电路2.5.5 共射放大电路的设计实例2.6 共集放大电路（射极输出器）2.7 共基放大电路2.8 多级放大电路2.8.1 级间耦合方式2.8.2 多级放大电路的性能指标计算2.8.3 常见的组合放大电路思考题习题第3章场效应晶体管及其放大电路3.1 场效应晶体管3.1.1 结型场效应管3.1.2 绝缘栅场效应管3.1.3 场效应管的参数3.2 场效应管工作状态分析及其偏置电路3.2.1 场效应管工作状态分析3.2.2 场效应管的偏置电路3.3 场效应管放大电路3.3.1 场效应管的低频小信号模型3.3.2 共源放大电路3.3.3 共漏放大电路思考题习题第4章放大电路的频率响应和噪声4.1 放大电路的频率响应和频率失真4.1.1 放大电路的幅频响应和幅频失真4.1.2 放大电路的相频响应和相频失真4.1.3 波特图4.2 晶体管的高频小信号模型和高频参数4.2.1 晶体管的高频小信号模型4.2.2 晶体管的高频参数4.3 晶体管放大电路的频率响应4.3.1 共射放大电路的频率响应4.3.2 共基、共集放大器的频率响应4.4 场效应管放大电路的频率响应4.4.1 场效应管的高频小信号等效电路4.4.2 共源放大电路的频率响应4.5 多级放大器的频率响应4.5.1 多级放大电路的上限频率4.5.2 多级放大电路的下限频率4.6 放大电路的噪声4.6.1 电子元件的噪声4.6.2 噪声的度量思考题习题第5章集成运算放大电路5.1 集成运算放大电路的特点5.2 电流源电路5.3 以电流源为有源负载的放大电路5.4 差动放大电路5.4.1 零点漂移现象5.4.2 差动放大电路的工作原理及性能分析5.4.3 具有电流源的差动放大电路5.4.4 差动放大电路的大信号分析5.4.5 差动放大电路的失调和温漂5.5 复合管及其放大电路5.6 集成运算放大电路的输出级电路5.7 集成运算放大电路举例5.7.1 双极型集成运算放大电路f0075.7.2 cmos集成运算放大电路mc145735.8 集成运算放大电路的外部特性及其理想化5.8.1 集成运放的模型5.8.2 集成运放的主要性能指标5.8.3 理想集成运算放大电路思考题习题第6章反馈6.1 反馈的基本概念及类型6.1.1 反馈的概念6.1.2 反馈放大电路的基本框图6.1.3 负反馈放大电路的基本方程6.1.4 负反馈放大电路的组态和四种基本类型6.2 负反馈对放大电路性能的影响6.2.1 稳定放大倍数6.2.2 展宽通频带6.2.3 减小非线性失真6.2.4 减少反馈环内的干扰和噪声6.2.5 改变输入电阻和输出电阻6.3 深度负反馈放大电路的近似计算6.3.1 深负反馈放大电路近似计算的一般方法6.3.2 深负反馈放大电路的近似计算6.4 负反馈放大电路的稳定性6.4.1 负反馈放大电路的自激振荡6.4.2 负反馈放大电路稳定性的判断6.4.3 负反馈放大电路自激振荡的消除方法思考题习题第7章集成运算放大器的应用7.1 基本运算电路7.1.1 比例运算电路7.1.2 求和运算电路7.1.3 积分和微分运算电路7.1.4 对数和反对数运算电路7.2 电压比较器7.2.1 电压比较器概述7.2.2 单门限比较器7.2.3 迟滞比较器7.2.4 窗口比较器7.3 弛张振荡器7.4 精密二极管电路7.4.1 精密整流电路7.4.2 峰值检波电路7.5 有源滤波器7.5.1 滤波电路的作用与分类7.5.2 一阶有源滤波器7.5.3 二阶有源滤波器7.5.4 开关电容滤波器思考题习题第8章功率放大电路8.1 功率放大电路的特点与分类8.2 甲类功率放大电路8.3 互补推挽乙类功率放大电路8.3.1 双电源互补推挽乙类功率放大电路8.3.2 单电源互补推挽乙类功率放大电路8.3.3 采用复合管的准互补推挽功率放大电路8.4 集成功率放大器8.5 功率器件8.5.1 双极型大功率晶体管8.5.2 功率mos器件8.5.3 绝缘栅双极型功率管及功率模块8.5.4 功率管的保护思考题习题第9章直流稳压电源9.1 直流电源的组成9.2 整流电路9.2.1 单相半波整流电路9.2.2 单相全波整流电路9.2.3 单相桥式整流电路9.2.4 倍压整流电路9.3 滤波电路9.3.1 电容滤波电路9.3.2 电感滤波电路9.3.3 复合型滤波电路9.4 稳压电路9.4.1 稳压电路的主要指标9.4.2 线性串联型直流稳压电路9.4.3 开关型直流稳压电路思考题习题第10章可编程模拟器件与电子电路仿真软件10.1 在系统可编程模拟电路原理与应用10.1.1 isppac10的结构和原理10.1.2 其他isppac器件的结构和原理10.1.3 isppac的典型应用10.2 multisim软件及其应用10.2.1 multisim 8的基本界面10.2.2 元件库10.2.3 仿真仪器10.2.4 仿真分析方法10.2.5 在模拟电路设计中的应用思考题习题第11章集成逻辑门电路11.1 双极型晶体管的开关特性11.2 mos管的开关特性11.3 ttl门电路11.3.1 ttl标准系列与非门11.3.2 其他类型的ttl标准系列门电路11.3.3 ttl其他系列门电路11.4 ecl门电路简介11.5 cmos门11.5.1 cmos反相器11.5.2 其他类型的cmos电路11.5.3 使用cmos集成电路的注意事项11.5.4 cmos其他系列门电路11.6 cmos电路与ttl电路的连接思考题习题参考文献延伸阅读：模拟电子技术基础50问1、空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？答：不是，但是在它的运动中可以将其等效为载流子。
模拟电子技术基础(杨素行)第一章半导体器件
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•常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
模拟电子技术基础(杨素行)第一章半 导体器件
• 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。
• 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。
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•(a)N 型半导体
•(b) P 型半导体
•图 1.1.6 杂质半导体的的简化表示法
模拟电子技术基础(杨素行)第一章半 导体器件
•1.2 半导体二极管
•1.2.1 PN 结及其单向导电性
• 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。
• 自由电子和空穴使本 征半导体具有导电能力， 但很微弱。
•T
•+4
•+4
•空 •+4 穴 •+4
•+4
•+4
•+4 •自由电 子
•+4
•+4
• 空穴可看成带正电的 载流子。
•图 1.1.3 •
本征半导体中的 自由电子和空穴
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•1. 半导体中两种载流子
•I / mA
•60
•40 •死 区电
•20 压 •0 •0.4 •0.8 •U / V
•正向特性
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模拟电子技术基础(杨素行)第一章半 导体器件
•2. 反向特性 • 二极管加反向电压， 反向电流很小； • 当电压超过零点几伏 后，反向电流不随电压增加
半导体基础知识
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N 区的自由电子浓度降低，产生内电场。
PN 结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、 自由电子从P区向N 区运动。
漂移运动
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡， 就形成了PN结。即扩散过去多少多子，就有多少少子漂移过来
在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而 形成的电流。
电子电流
空穴电流
2 扩散电流(Diffusion Current)
主要取决于该处载流子浓度差（即浓度梯度）。浓度
差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。
PN结的形成及其单向导电性
P区空穴 浓度远高 于N区。
N区自由电 子浓度远高 于P区。
结电容： Cj Cb Cd
电路与模拟电子技术
2、本征半导体中的两种载流子
电子空穴对产生、复合，维 持动态平衡。对应的电子空穴 浓度称为本征载流子浓度。
外加电场时，带负电的自由 电子和带正电的空穴均参与导 电，且运动方向相反。由于数 目很少，故导电性很差。
两种载流子
温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导 电性增强。热力学温度0K时不导电。
1.2、杂质半导体
1. N型半导体
多数载流子
杂质半导体主要靠多数载
流子导电。掺入杂质越多，多
5
子浓度越高，导电性越强，实
现导电性可控。
磷（P） 施主杂质
1. P型半导体
3
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强，
硼（B） 受主杂质
第1章—04-场效应管-sw
uGD<UGS（off） （ ）
。
uGS＞UGS（off）且不变，VDD增大，iD增大 增大， （ ）且不变， VDD的增大，几乎全部用来克服沟道 的增大， 的电阻， 几乎不变，进入恒流区， 的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD 几乎仅仅决定于u 几乎仅仅决定于 GS。
场效应管工作在恒流区的条件是什么？ 场效应管工作在恒流区的条件是什么？
U DS =常量
夹断区（截止区） 夹断区（截止区）
夹断电压
不同型号的管子U （ ） 不同型号的管子 GS（off）、IDSS 将不同。 将不同。
N 沟 道
结 型 场 效 应 管
P 沟 道
三、MOS场效应管 MOS场效应管
MOS场效应管分类 MOS场效应管分类
N沟道增强型的 沟道增强型的MOS管 沟道增强型的 管 P沟道增强型的 沟道增强型的MOS管 管 沟道增强型的
dU DS Ron = dI D
dU GS = 0
1.可变电阻区 可变电阻区
UGS=6V UGS=5V UGS=4V UGS=4V UGS=UGS, th UDS(V)
UGD=UGS－UDS (2) UDS>0, 使UGD≤UGS.th UDS增加，UGD减小，UGD=UGS.th时, 增加， 减小， 这相当于U 即UDS= UGS －UGS,th ， 这相当于 DS增 加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况 称为预夹断 此时的漏极电流I 预夹断。 ，称为预夹断。此时的漏极电流 D 基本 饱和。 饱和。 继续增加， 当UDS继续增加，UGD<UGS.th时，即 UDS> UGS －UGS,th，此时预夹断区域加长 伸向S极 ，伸向 极。 UDS增加的部分基本降落在 随之加长的夹断沟道上， 随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不 管子进入恒流区, 仅决定于U 变。管子进入恒流区 ID仅决定于 GS 当UDS> UGS －UGS,th时,对应于每一个 对应于每一个 UGS就有一个确定的 D,此时可以将 D视为 就有一个确定的I 此时可以将 此时可以将I 电压U 控制的电流源 电压 GS控制的电流源
模拟电子技术基础常用半导体器
（硅二极管典型值）
折线模型
（硅二极管典型值）
设
二极管的近似分析计算
I
R
10V
E
1kΩ
I
R
10V
E
1kΩ
例：
恒压源模型
测量值 9.32mA
相对误差
理想二极管模型
R
I
10V
E
1kΩ
相对误差
0.7V
二极管的模型
D
U
串联电压源模型
U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。
理想二极管模型
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。
能够用简单、理想的模型来模拟电子
02
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。
器件的复杂特性或行为的电路称为等效电路，
03
能够模拟二极管特性的电路称为二极管的 等效电路，也称为二极管的等效模型。
－
－
－
－
－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动
内电场E
PN结处载流子的运动
内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。
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P
E内
N
S
E
R
因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几
乎无关。此电流称为反向饱和电流，记为IS。
+4
+4
+4
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+4
5
+4
+4
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+4
+4
+4
+4
+4
+4
6
+4 共价键
+4 价电子
+4
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本
征
+4
+4
半
导
体
受
+4
+4
热
或
光
照
+4
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7
+4 +4 +4
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本
征
+4
+4
激
发
产
生
+4
+4
电
子
和
3;4
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
P
N
在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P区和N区
交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子。
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空间电荷层
即PN结
- - - - - -+ ++ +++
__ + +
__ +
+
N+ 离子密
度大
空间电荷 层较薄
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1.1.2 PN结的单向导电性
1．PN结正向偏置
PN结正向偏置—— 当外加直流电压使PN结P型半 导体的一端的电位高于N型半导体一端的电位时， 称PN结正向偏置，简称正偏。
PN结反向偏置—— 当外加直流电压使PN结N型半 导体的一端的电位高于P型半导体一端的电位时， 称PN结反向偏置，简称反偏。
这就是半导体和金属导电原理的 本质区别
(2) 本征半导体的特点 a. 电阻率大
b. 导电性能随温度变化大
本征半导体不能在半导体器件中直接使用
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2．掺杂半导体
在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元 素后所形成的半导体
根据掺杂的不同，杂质半导体分为
N型导体 P型导体
E内
N
E
R
PN结呈现高 阻、截止状态
49
内电场增强
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- - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++ - - - - - - + ++ +++
- - - - - -+ + + +++
P
N
当扩散与漂移作用平衡时
a. 流过PN结的净电流为零 b. PN结的厚度一定（约几个微米） c. 接触电位一定（约零点几伏）
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当N区和P区的掺杂浓度不等时 高掺杂浓度区
域用N+表示
离子密 P
度小
空间电荷 层较厚
__ + +
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
P
N
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(2) 在浓度差的作用下，空穴从 P区向N区扩散。
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
P
N
势垒U0
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- - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++
(1) N型半导体
掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体
2020//99//1188
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掺入少量五价杂质元素磷
P
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
22
+4
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+4
+4
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+4
+4
+4
+4
+4
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+P4
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硅 最常用的半导体材料
锗
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原子结构示意图
+14 Si
284
+32 Ge
2 8 18 4
+4
硅、锗原子 硅原子结构示意图 锗原子结构示意图 的简化模型
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1. 本征半导体
本征半导体就是完全纯净的半导体
立体结构
平面结构
+4
+4
+4
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
P
N
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形成内电场
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
P
N
PN结一方面阻碍多子的扩散
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- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可 将N型转为P型；
当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可 将P型转为N型。
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3. PN结的形成
以N型半导体为基片
+ + + + + ++ + + + + +
+ + + + + ++ + + + + +
+ + + + + ++ + + + + +
U
+4