模拟电电子技术基础第1章(第四版)童诗白-华成英

模拟电子技术基础0导言1常用半导体器件2基本放大电路3多级放大电路4集成运算放大电路5放大电路的频率响应6放大电路中的反馈7信号的运算和处理8波形的发生和信号的变换9功率放大电路10直流电源模拟电子技术基础1常用半导体器件模拟电子技术基础1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3晶体三极管1.4场效应管1.5单结晶体管和晶闸管1.6集成电路中的元件1.7Multisim应用举例1常用半导体器件模拟电子技术基础1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结1.1半导体基础知识模拟电子技术基础1.1.1本征半导体根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体(Conductor)、绝缘体和半导体(Semiconductor)。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体(Insulator)，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体。一、半导体模拟电子技术基础模拟电子技术基础半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：•当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。•往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。一、半导体1.1.1本征半导体本征半导体IntrinsicSemiconductor•纯净的具有晶体结构的半导体crystalstructure模拟电子技术基础二、本征半导体的晶体结构硅晶体的空间排列模拟电子技术基础硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构二、本征半导体的晶体结构模拟电子技术基础二、本征半导体的晶体结构模拟电子技术基础共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4二、本征半导体的晶体结构模拟电子技术基础三、本征半导体中的两种载流子模拟电子技术基础空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对(electron-holepair)。三、本征半导体中的两种载流子模拟电子技术基础空穴可以自由移动吗？三、本征半导体中的两种载流子模拟电子技术基础EmptyspaceEmptyspaceEmptyspaceEmptyspace三、本征半导体中的两种载流子模拟电子技术基础三、本征半导体中的两种载流子模拟电子技术基础空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。三、本征半导体中的两种载流子模拟电子技术基础•Freeelectron---producedbythermalionization.Itcanmovefreelyinthelatticestructuresoastoformcurrent.•Hole---emptypositioninbrokencovalentbond.Itcanbefilledbyfreeelectron(recombination).TwotypesofCarriers•Afreeelectronisnegativechargeandaholeispositivecharge.模拟电子技术基础1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结1.1半导体基础知识模拟电子技术基础在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体(N-typesemiconductor)。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体(P-typesemiconductor)。1.1.2杂质半导体模拟电子技术基础1.1.2杂质半导体模拟电子技术基础一、N型半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子(carrier)，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质(donorimpurity)。模拟电子技术基础模拟电子技术基础•Donor---pentavalentimpurityprovidesfreeelectrons,usuallyentirelyionized.•Positiveboundcharge---impurityatomdonatingelectrongivesrisetopositiveboundcharge.•Majoritycarriers---freeelectrons(mostlygeneratedbyionizeddonorandaverytinyportionbythermalionization).•Minoritycarriers---holes(onlygeneratedbythermalionization).ntypeSemiconductor五价离子化模拟电子技术基础二、P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质(acceptorimpurity)。模拟电子技术基础模拟电子技术基础•Acceptor---trivalentimpurityprovidesholes,usuallyentirelyionized.•Negativeboundcharge---impurityatomacceptingholegiverisetonegativeboundcharge•Majoritycarriers---holes(mostlygeneratedbyionizedacceptorandatinysmallportionbythermalionization)•Minoritycarriers---freeelectrons(onlygeneratedbythermalionization.)ptypeSemiconductor三价模拟电子技术基础1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结1.1半导体基础知识模拟电子技术基础漂移运动：在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。一、PN结的形成模拟电子技术基础模拟电子技术基础一、PN结的形成模拟电子技术基础在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区模拟电子技术基础对于P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PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层(barrierlayer),势垒区等。。模拟电子技术基础当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。二、PN结的单向导电性模拟电子技术基础模拟电子技术基础(1)PN结加正向电压时•低电阻•大的正向扩散电流iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性二、PN结的单向导电性模拟电子技术基础模拟电子技术基础iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向电压时•高电阻•很小的反向漂移电流iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/V二、PN结的单向导电性模拟电子技术基础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，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和（saturation）电流。模拟电子技术基础PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散(diffusion)电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移(drift)电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。二、PN结的单向导电性模拟电子技术基础(3)PN结V-I特性表达式其中D/DS(1)TvnViIeIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTVTmV26三、PN结的电流方程模拟电子技术基础四、PN结的伏安特性D/DS(1)TnViIeviD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/V正向特性反向特性模拟电子技术基础当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿(reversebreakdown)。iDOVBRD热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆四、PN结的伏安特性模拟电子技术基础雪崩击穿模拟电子技术基础(1)势垒电容CBbarrier势垒电容示意图势垒电容：耗尽层是积累空间电荷的区域，当外加反向电压时，就会引起耗尽层的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。五、PN结的电容效应模拟电子技术基础(2)扩散电容CDdiffusion扩散电容示意图五、PN结的电容效应模拟电子技术基础扩散电容：当外加正向电压时，注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流越大，积累的电荷就越多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。P+-N模拟电子技术基础1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3晶体三极管1.4场效应管1.5单结晶体管和晶闸管1.6集成电路中的元件1.7Multisim应用举例1常用半导体器件模拟电子技术基础1.2.1半导体二极管的几种常见结构1.2.2二极管的伏安特性1.2.3二极管的主要参数1.2.4二极管的等效电路1.2.5稳压二极管1.2.6其它类型二极管1.2半导体二极管模拟电子技术基础1.2.1半导体二极管的几种常见结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型二极管的结构示意图模拟电子技术基础模拟电子技术基础模拟电子技术基础(3)平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底(4)二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极a模拟电子技术基础1.2.1半导体二极管的几种常见结构1.2.2二极管的伏安特性1.2.3二极管的主要参数1.2.4二极管的等效电路1.2.5稳压二极管1.2.6其它类型二极管1.2半导体二极管模拟电子技术基础1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示D/DS(1)TViIev0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的V-I特性0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的V-I特性+iDvD-R正向特性反向特性反向击穿特性模拟电子技术基础