中国有大学模拟电子技术基础课件

模拟电子技术基础中国石油大学（华东）电工电子教学中心刘润华Email：[e-mail]0绪论0.1信号及其分类0.2电子技术概述0.3本课程的性质与任务0.4本课程的特点与学习方法0.5本课程的学习安排0.1信号及其分类1.信号：信息的载体，即信号可以传输信息温度波动曲线T/℃2200.52200.02199.501080706050403020t/s声音、图像、温度、压力等物理信息，都可以用信号波形来表示。电子系统处理的是电信号，即电压或电流。它由相应的物理量通过传感器转换而得到。A.正弦信号B.三角波信号2.信号分类模拟信号：幅值随时间连续变化的信号如：压力、温度、声音信号等2.信号分类数字信号：幅值随时间不连续变化的信号如：产品个数，人数，电平的高低。0.2电子技术概述研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术1.电子器件：能控制电子运动规律所制成的器件分类：真空电子器件和固体电子器件发展过程：第一代电子器件：真空电子器件(vacuumtube)第二代电子器件：晶体管(transistor)第三代电子器件：集成电路(integratedcircuit:IC)第四代电子器件：大规模集成电路（largescaleIC)2.电子电路将电子器件与电阻器、电容器、开关元件等连接起来所组成的具有特定功能的电路（1）模拟电路：处理模拟信号的电路输入电路：非电子物理系统与电子系统的接口放大电路：放大信号到所要求的电平滤波电路：滤除有害信号信号电路：产生必要的波形电源电路：提供电子系统的能源供应（2）数字电路：处理数字信号的电路逻辑电路：输出与输入间的因果关系接口电路：包括模数转换和数模转换温度传感（输入）信号放大信号滤波控制执行（输出）功率放大数模转换数字逻辑电路模数转换恒温装置模拟小信号电路数字电路非电子物理系统模拟大信号电路电子系统电子系统的根本作用是完成对信号的各种处理与变换3.电子技术的应用（1）检测系统检测是获取信号或信息的一种技术手段，它借助传感器感受被测信号并将它转换成电信号，电信号经放大、滤波等处理后，供人们观测、分析或进行记录、存储、显示；或进入计算机进行进一步的处理、分析或参与控制。工业领域：检测压力、温度、流量、料位等；医学领域：检测体温、心率、血压等；各种检测仪器(2）通信系统人与人之间交换信息称为通信，如电话、广播、电视等。机器与机器之间交换信息以数据交换为主，称数据通信，如计算机网络。人与机器之间交换信息：常要经过数据到信号或信号到数据的转换，即所谓的数模转换或模数转换。（3）信息处理系统信息处理包含信号处理和数据处理两个方面。信号处理：包括信号的放大、滤波、变换等；数据处理：包含数值计算、图像处理、语音合成等。(4)汽车电子与家用电器电子机械(5)在石油工业中的应用在石油开采中的应用：电驱动钻机、抽油机、注水泵等；在勘探中的应用：信号的检测与处理等；在储运中的应用：压力、流量、温度的检测，泵驱动；在炼油过程中的应用：过程控制等。0.3模拟电子技术课程的性质和任务理论基础：大学物理、电路理论同步课程：数字电子技术后续课程：计算机类课程、电力电子、通信类课程模拟电子技术是电气、电子信息类各专业的重要的技术基础课程，对于继续学习有关专业课程（通信类、计算机类、控制类、测量类、电力电子类）有着重要的影响。0.4本课程的特点和学习方法1、特点（1）物理概念多；（2）工程性强；（3）实践性强。2、学习方法（1）重点掌握基本概念、基本电路、基本方法;对课后习题予以充分重视，独立完成，注意解题方法和技巧；（2）注意工程上简化分析的条件与处理方法：10％准则；（3）注重实验，充分利用实验来消化、理解课程的理论内容；掌握电子电路的设计、调试方法；（4）借助multisim软件或其它EDA软件进行仿真分析和设计。第0章绪论第1章常用半导体器件第2章基本管放大电路第3章集成运算放大器第4章负反馈放大电路第5章信号的运算、测量与处理电路第6章信号的产生与变换电路第7章功率放大电路第8章直流稳压电源0.5本课程的学习安排1.教学形式:课堂上，多媒体授课；课后，自学、答疑2.实验:单独开课和考试；3.考核:平时+小测验：10-20%;设计与答辩：20-30%；期末考试:50-60%.教材及参考书教材：《模拟电子技术基础》刘润华主编中国石油大学出版社2007.3图书馆有关模拟电子技术的教材参考书：衷心祝愿大家学有所成+理论实践30Chapter1常用半导体器件半导体基础知识PN结的形成及特性半导体二极管半导体三极管场效应晶体管311.1半导体基础知识本征半导体杂质半导体半导体导电过程32自然界的物质按其导电能力的大小可分为：导体：电阻率ρ10-4cm绝缘体：ρ1012cm半导体：10-3cmρ109cm，导电性能介于导体与绝缘体之间。在近代大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）中主要使用硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）材料。半导体、集成电路SemiconductorIntegratedcircuit33它们的最外层都有4电子（价电子）。GeSi电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。34本征半导体：纯净的且具有完整晶体结构的半导体1.1.1本征半导体35共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子1、共价键晶体结构Si（Ge）在形成晶体时，每个原子的4个价电子均与相邻接原子的价电子形成稳定的共价键。36形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个。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。+4+4+4+4在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。372本征半导体的导电机理在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子38本征激发：因热运动产生自由电子空穴对的现象（又称热激发）。+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动。能够导电的电荷称为载流子。即自由电子和空穴。空穴导电的实质：价电子依次填补空位的运动。393、电子、空穴的复合与本征浓度复合—自由电子和空穴在热运动中相遇而释放能量，电子空穴成对消失。在一定温度下，本征激发和复合在某一热平衡载流子浓度值上达到动态平衡。iipn本征半导体热平衡时的载流子浓度——本征浓度40本征半导体的导电机理与特点1.本征半导体中存在数量相等的两种载流子，其导电能力取决于载流子的浓度。但由于载流子的浓度很低，故导电能力很弱。2.当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。温度越高，载流子的浓度越高。本征半导体的导电能力越强，因此，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。3.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。411.1.2杂质半导体在本征Si（或Ge）中掺入微量杂质便形成杂质半导体。掺杂后，由于载流子数量大大增加，导电性能显著增强。且不再取决于温度。根据掺杂材料的不同，杂质半导体分为N型半导体（电子半导体）和P型半导体（空穴半导体）。421.N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。43+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子施主原子44N型半导体N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。452.P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。46+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子受主原子47总结1.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。2.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。3.掺杂后的杂质半导体在电性能上依然呈电中性。48+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子移动空穴移动49外加电场漂移电流漂移电流与电场强度和载流子浓度成正比。50杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体511.2PN结的形成PN结的单向导电性PN结的电容特性52在一块本征半导体的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PN结。1.2.1PN结的形成PN结的形成过程53P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动54扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN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。55漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。56－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV057最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。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。物理过程如下:因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区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581、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、空间电荷区中内电场吸引P中的电子和N中的空穴（都是少子）向对方漂移（漂移运动），数量有限，因此由它们形成的电流很小。请注意591.2.2PN结的单向导电性PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。－－－－－－－－++++++++++++++++60PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。－－－－++++61PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。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电流。62PN结伏安特性在PN结的两端加上电压后，通过管子的电流I随管子两端电压V变化的曲线-伏安特性。其中I——PN结二极管的电流(安)IS——反向饱和电流(安)u