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1、模拟电子线路,主讲：柳建国13007305372,2011.1,绪 论,模拟电子线路：工作于模拟信号下的电子线路。（广播、自动控制）,电子线路的概念：就是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。,数字电子线路：工作于数字信号下的电子线路。（计算机、自动控制）,第一章 基本半导体器件,现代电子学中，用的最多的半导体是硅Si(14)和锗Ge(32)，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,半导体：其导电能力介于导体和绝缘体之间。,特殊性质即电导率可控：温度、光照、磁场、掺杂质。,1-1 PN结,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶
2、点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,硅和锗的共价键结构,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。,完全纯净的、结构完整的 半导体晶体本征半导体,1.1.1 本征半导体,1.本征半导体的特点,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。,在常温下，由于热
3、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。此时在外电场作用下具有一定的导电能力,自由电子,空穴,束缚电子,产生空穴电子对，称为本征激发,空穴带正电，自由电子带负电。,复合：自由电子与空穴相结合而消失。,2.本征半导体的导电机理,在其它外力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，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，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点
4、。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：,1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。,1.1.2 杂质半导体,N型半导体中：,本征半导体导电能力很弱，没有实用价值。,杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为N型半导体和P型半导体。,1.N型半导体：在纯净Si中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。所掺入五价元素称为施主 杂质，简称施主（能供给自由电子）。,自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。,正离子,自由电子,P型半导体中，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。,2.P型半导体：,在
5、纯净硅(Si)中掺入三价元素（硼），就形成了P型半导体。所掺入三价元素称为受主杂质，简称受主,负离子,空穴,1.1.3 PN结的形成,PN结：采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。,PN结形成过程分解：,1、外加正向电压,变薄,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。,1.1.4 PN结的特性,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,2、外加反向电压,变厚,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，只能形成很小的反向电流。,PN结加正向电压时，
6、呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,1.2.1 二极管的结构及符号,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。,1-2 二极管,(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,(4)二极管的符号,半导体二极管图片,螺丝一端为正极,1.PN结的伏安
7、特性,PN结两端电压V与流过它的电流I的关系为：,其中：IR(sat)为反向饱和电流，VT=kT/q称温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量。,1.2.2 二极管的伏安特性,且在常温下（T=300K）,PN结的伏安特性曲线,死区电压Vth：硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管 0.60.7V,锗管 0.20.3V。,反向击穿电压VBR,反向饱和电流,Vth：称死区电压或门限电压。,PN结加正向电压,PN结加反向电压,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。,热击穿不可逆,*击穿并不意味着PN结烧坏。,正向特性,反向
8、特性,反向击穿特性,2.实际二极管的伏安特性,正向特性：当V Vth时，V增加I迅速增加。,反向击穿特性：当V VBR时，反向击穿,I很大。,反向特性：由少数载流子形成，V-1V时，反向电流基本不变，很小。,3.理想二极管的特性,二极管的正向压降远小于和它串联的电压，正向压降为0,反向电流远小于和它并联的电流，反向电流为0,4.稳压二极管,1).稳压特性,IZ很大，VZ很小。,(1)稳定电压VZ,(3)动态电阻rZ,在反向击穿后两端的实际工作电压。,rZ=VZ/IZ,2).稳压二极管主要参数,(2)稳定电流IZ,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,(b)伏安特性
9、,1.2.3 二极管的主要参数,(1)最大正向直流电流IFM,(2)反向击穿电压VBR和反向峰值（工作）电压VRM,VRM=0.5VBR,为了保证二极管安全工作：,(3)反向直流电流IR,(4)正向压降VF,(5)最高工作频率fM,由结电容（势垒电容CB和扩散电容CD）决定。,1.限幅电路：限幅是指输出信号的幅度受到规定电压（限幅电压）的限制。单向限幅电路：如12页图,1.2.4 二极管应用举例,限幅电平为+VR的上限幅电路,2.稳压电路,正常稳压时 VO=VZ,限流电阻R的选择：,1.3 半导体三极管（双极型晶体管）,1.3.1 晶体管的结构及符号,半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种
10、类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,发射极，用E或e表示（Emitter）；,集电极，用C或c表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,三极管符号,结构特点：,发射区的掺杂浓度高；,集电结面积大；,基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度低。,平面型结构,1.晶体管内部载流子的传输过程（以NPN为例）,三极管能起放大作用的条件：发射结正偏，集电结反偏。,（1）发射区向基区注入载流子的过程,1.3.2晶体管的电流放大作用,（3）集电区收集电子的过程,（2）电子在基区扩散和复合的过程,IC=InC+ICBO,
11、IB=IB-ICBO,InC 为传输到集电极的电流,ICBO 为集电结反向饱和电流,EIEBE,EI+ECB,IB 为基区的复合电流,2.晶体管直流电流传输方程,通常 IC ICBO,三种接法：共基极、共发射极、共集电极,（1）.共基极直流电流传输方程,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共基极直流电流传输方程,IC=InC+ICBO,IB=IB-ICBO,IE=IB+IC,根据,IE=IB+IC,可得,（2）.共发射极直流电流传输方程,称为穿透电流,通常 IC ICBO,共发射极接法：发射极作为公共电极,共发射极直流电流传输方程,IC=InC+ICBO,IB=IB-ICBO,IE=I
12、B+IC,共集电极接法:集电极作为公共电极,可得 IE=（1）IB+ICEO,（3）.共集电极直流电流传输方程,将,代入 IE=IB+IC,可得 IE（1）IB,忽略 ICBO,共集电极直流电流传输方程,3.三极管的三种组态,共集电极接法，集电极作为公共电极，,共基极接法，基极作为公共电极，,共发射极接法，发射极作为公共电极，,IE=(1+)IB,vCE=0V,iB=f(vBE)vCE=const,(2)当vCE0V时，集电结反偏，变宽，基区变窄，复合掉的载流子所占的比例减少，VB EVCEIB特性曲线右移。,(1)当vCE=0V时，相当于两个二极管并联的正向伏安特性曲线。,1.输入特性曲线,
13、1.3.3 晶体管的共射组态特性曲线,(3)当vCE1V时，vCB=vCE-vBE0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，同样的vBE下 IB减小，特性曲线基本重合。,(3)输入特性曲线的三个部分,死区(门限区),非线性区,线性区,iC=f(vCE)iB=const,2.输出特性曲线,输出特性曲线的三个区域:,饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE0.7V(硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。发射结加上了反向偏压，发射结反向截止。,放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射
14、结正偏，集电结反偏。,三极管的放大原理：以很小基极电流 iB控制很大的集电极电流 iC。,1.3.4 BJT的主要参数,(1)共发射极直流电流放大系数,1.电流放大系数,转移（）特性,(2)共发射极交流电流放大系数=IC/IBvCE=const,(3)共基极直流电流放大系数,(4)共基极交流电流放大系数=IC/IE VCB=const,(2)集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO=（1+）ICBO,2.极间反向电流,ICEO,(1)集电极基极间反向饱和电流ICBO 发射极开路时，集电结的反向饱和电流。,(1)共发射极截止频率f f,(2)共基极截止频率f,3.频率参数,(3)特征频率f
15、T,(1)集电极最大允许电流,(2)集电极最大允许耗散功率PCM,PCM=ICVCE 为定值,4.极限参数,当iC 很大时，,减小到额定值2/3时所对应的电流为ICM,(3)反向击穿电压,V(BR)CBO发射极开路时的集电结反向击穿电压。,V(BR)EBO集电极开路时发射结的反向击穿电压。,V(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。,几个击穿电压有如下关系,1.4 场效应管（单极型晶体管）,1.4.1 结型场效应管（以N沟道JFET为例）,场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c。,1.结构,符号,N沟道,场效应管噪声小、抗辐射能力强、工作低电
16、压,P 沟道结型,N 沟道结型,2.工作原理,沟道最宽,uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？,UGS（off）,UGS（off）称为夹断电压,p,漏-源电压对漏极电流的影响,uGS不变，uDS增大，iD增大。呈电阻性,预夹断,uDSUGS（off）,uDS的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。,场效应管工作在恒流区的条件是什么？,uDSUGS（off）,uDSUGS（off）,3.特性曲线,当UGS=0时：uDS增大,g 栅极、d 漏极、s 源极,g-s电压控制d-s的等效电阻,（1）输出特性曲线(iD与vDS的关系曲线),
17、预夹断轨迹，uGDUGS（off）,可变电阻区,恒流区,iD几乎仅决定于uGS,击穿区,夹断区（截止区）,不同型号的管子UGS（off）、ID(Sat)将不同。,低频跨导：,场效应管有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。,（2）转移特性曲线(iD与vGS的关系曲线),场效应管工作在恒流区，因而 UGS(off)uGS 0,饱和漏极电流ID(sat),夹断电压,VDS不变，iD与uGS的关系特牲。,恒流区,转移特性曲线,1.4.2 绝缘栅型场效应管,uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。,SiO2绝缘层,衬底
18、,反型层(由电子组成),N沟道增强型,大到一定值VGS(th)才开启,1.N沟道增强型MOS管的工作原理,uGS增大,p沟道增强型,VGS(th)开启电压,增强型MOS管uDS对iD的影响,用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？,iD随uDS的增大而增大，可变电阻区,uGDUGS（th）,预夹断,iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区,刚出现夹断,uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻,当VGS开启电压VGS(th),2.耗尽型 MOS管的工作特点,耗尽型MOS管在 uGS0、uGS 0、uGS 0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝
19、缘层的存在，在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。,加正离子,小到一定值才夹断,uGS=0时就存在导电沟道,当uGS 0=UGS（off）夹断电压,沟道消失，iD=0,N沟道耗尽型,3.MOS管的特性曲线,1)N沟道增强型MOS管,2)N沟道耗尽型MOS管,开启电压,夹断电压,UGSUGS(off),不同类型 FET 转移特性比较,结型,N 沟道,增强型,耗尽型,MOS 管,ID(Sat),开启电压UGS(th),夹断电压UGS(off),IDO 是 uGS=2UGS(th)时的 iD 值,饱和漏极电流 ID(Sat),例题：测得放大电路中4只三极管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明他们是硅管还是锗管。,例题：1.14,-6V,-6.2V,-9V,本课作业：1.5,1.8,1.14,
