模電第一章2學分

1、教材：教材： 模擬電子技術基礎簡明教程模擬電子技術基礎簡明教程 清華大學電子學教研組清華大學電子學教研組 編編 講課教師講課教師: :陳冬紅陳冬紅 通過本課程的學習，較全面地掌握模擬電子通過本課程的學習，較全面地掌握模擬電子電路的基本理論和概念，基本上能對一般性質(zhì)的電路的基本理論和概念，基本上能對一般性質(zhì)的模擬電子電路進行看圖分析和設計，并為后續(xù)課模擬電子電路進行看圖分析和設計，并為后續(xù)課程的學習打下基礎，并在今后有關工程設計中加程的學習打下基礎，并在今后有關工程設計中加以靈活應用以靈活應用 （1）抓?。┳プ　八幕舅幕尽被靖拍?、基本分析基本概念、基本分析方法、基本應用、基本技能方法、基本

2、應用、基本技能 （2）抓住）抓住“五環(huán)節(jié)五環(huán)節(jié)”教學、習題和習題課、教學、習題和習題課、自學、答疑和實驗五個環(huán)節(jié)自學、答疑和實驗五個環(huán)節(jié)學習成績學習成績: :小測驗（小測驗（1 15 5% %）期末統(tǒng)考（期末統(tǒng)考（70%70%）考勤、作業(yè)（考勤、作業(yè)（15%15%）重點：重點： 放大電路的基本原理（放大電路的基本原理（Ch2）、放大電路中）、放大電路中的反饋（的反饋（Ch6）、模擬信號運算電路（）、模擬信號運算電路（Ch7）對一些對一些符號、符號、典型公式和分析方法要理解地記憶典型公式和分析方法要理解地記憶Rb+VCCRcC1C2TRL等效等效三極管的三極管的微變等效電路微變等效電路ebcbe

3、crbeic = ibib)()(26)1 (mAImVrrEbbbe 300bbr其中：rbe ibibiiicuiuoRbRcRL微變等效電路微變等效電路電壓放大倍數(shù)的計算：電壓放大倍數(shù)的計算：bebirIU LboRIU beLurRA LCLR/RR rbeRbRcRLiU iI bI cI oU bI_+ + RFR1R2uIuoi1iFi-i+虛地點虛地點電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù):1210uRRuuA iFu u+ +=u_ =u_ i i+ +=i_=0=i_=0虛虛短短虛虛斷斷第第1章章 半導體器件半導體器件1.1 半導體的特性半導體的特性1.2 半導體二極管半導體二極管1.3

4、 雙極型三極管雙極型三極管1.1.1 本征半導體本征半導體現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。Si硅原子硅原子Ge鍺原子鍺原子1.1 半導體的特性半導體的特性通過一定的工藝過程，可以將半導體通過一定的工藝過程，可以將半導體制成制成晶體晶體。在硅和在硅和鍺晶體中，鍺晶體中，每個原子與每個原子與其相臨的原其相臨的原子之間形成子之間形成共價鍵共價鍵，共，共用一對價電用一對價電子。子。完全純完全純凈的、結構凈的、結構完整的半導完整的半導體晶體，稱體晶體，稱為為本征半導本征半導體體。硅和鍺

5、的共價鍵結構硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為脫離共價鍵成為自由電子自由電子，因此本征半導體，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。子是八個，構成穩(wěn)定結構。共價鍵有很強的結合力，共價鍵有很強的結合力

6、，使原子規(guī)則排列，形成晶體。使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+41.1.2雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。載流子：電子，空穴大大增加。載流子：電子，空穴N型半導體型半導體（主要載流子為電子）（主要載流子為電子）P型半導體型半導體（主要載流子為空穴）（主要載流子為空穴）N型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導

7、體原子被雜質(zhì)取代，銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相臨的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為磷原子給出一個電子，稱為施主原子施主原子。硅或鍺硅或鍺 +少量磷少量磷 N型半導體型半導體N型半導體型半導體多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表

8、示型硅表示SiPSiSiP型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導體原硼原子的最外層有三個價電子，與相臨的半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主受主原子原子。硅或鍺硅或鍺 +少量硼少

9、量硼 P型半導體型半導體空穴空穴P型半導體型半導體硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被認為帶一個單位的正電荷，并且空穴被認為帶一個單位的正電荷，并且可以移動可以移動雜質(zhì)半導體的示意表示法雜質(zhì)半導體的示意表示法P P型半導體型半導體+N N型半導體型半導體1.2.1 PN 結及其單向?qū)щ娦越Y及其單向?qū)щ娦砸?、一?PN 結的形成結的形成在同一片半導體基片上，分別制造在同一片半導體基片上，分別制造P型型半導體和半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了在它們的交界面處就形成了PN結。結。1.2 半導體二極管半導體二極管P P

10、型半導體型半導體N N型半導體型半導體+擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN結處載流子的運動結處載流子的運動擴散的結果是使空間電擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。荷區(qū)越寬。漂移運動P P型半導體型半導體N N型半導體型半導體+擴散運動內(nèi)電場EPN結處載流子的運動結處載流子的運動內(nèi)電場越強，就使漂內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。使空間電荷區(qū)變薄。漂移運動P P型半導體型半導體N N型半導體型半導體+擴散運動內(nèi)電場EPN結處載流子的運動結處載流子的運動所以擴散和漂所以擴散和漂移這一對相反移這一對相反的運動最終達

11、的運動最終達到平衡，相當?shù)狡胶猓喈斢趦蓚€區(qū)之間于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的空間電荷區(qū)的厚度固定不變。厚度固定不變。二、二、 PN結的結的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦哉蚱谜蚱茫篜N結結加上正向電壓加上正向電壓, P區(qū)加區(qū)加正電壓、正電壓、N區(qū)加負電壓。區(qū)加負電壓。 PN結的結的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦允侵甘侵窹N結正向結正向偏置則偏置則PN結導通，反向偏置則結導通，反向偏置則PN結截結截止。止。反向偏置反向偏置：PN結結加上反向電壓加上反向電壓, P區(qū)加區(qū)加負電壓、負電壓、N區(qū)加正電壓。區(qū)加正電壓。PN結正向偏置結正向偏置+內(nèi)電場減弱，使擴散加強，內(nèi)電場減弱，使擴散加強，擴

12、散擴散 飄移，正向電流大飄移，正向電流大空間電荷區(qū)變薄空間電荷區(qū)變薄PN+_正向電流正向電流PN結反向偏置結反向偏置+空間電荷區(qū)變厚空間電荷區(qū)變厚NP+_+內(nèi)電場加強，使擴散停止，內(nèi)電場加強，使擴散停止，有少量飄移，反向電流很小有少量飄移，反向電流很小反向飽和電流反向飽和電流很小，很小， A級級1.2.2 半導體二極管半導體二極管(1)、基本結構、基本結構PN結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。PNPN符號符號陽極陽極陰極陰極+-(2)伏安特性伏安特性UI導通壓降導通壓降: : 硅硅管管0.60.7V,鍺鍺管管0.20.3V。反向擊穿電反向擊穿電壓壓U(

13、BR)死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.5V,鍺管鍺管0.2V。UIE+-反向漏電流反向漏電流（很小，（很小， A級）級）) 1(TUUSeII判別方法判別方法: 假設二極管斷開假設二極管斷開,求其陽極與陰極間的電位求其陽極與陰極間的電位差差,若電位差大于死區(qū)電壓若電位差大于死區(qū)電壓,則二極管導通則二極管導通,其陽極其陽極陰極間的電壓為其導通電壓陰極間的電壓為其導通電壓,否則二極管截止。否則二極管截止。 若電路中有多個二極管若電路中有多個二極管,則仍假設二極管則仍假設二極管斷開斷開,分別求其陽極與陰極間的電位差分別求其陽極與陰極間的電位差,壓差大壓差大的二極管優(yōu)先導通的二極管優(yōu)先導通 。例例1：二

14、極管：死區(qū)電壓：二極管：死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降，正向壓降 =0.7V(硅二極管硅二極管) 理想二極管：死區(qū)電壓理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降，正向壓降=0 RLuiuOuiuott二極管半波整流二極管半波整流例例2：試判斷下圖中各二極管是導通還是截止，并確：試判斷下圖中各二極管是導通還是截止，并確定各電路的輸出電壓值。設二極管導通電壓定各電路的輸出電壓值。設二極管導通電壓UD=0.7VR2VuO+-1.3VDRL10VuOD+-5V5VR10VuOD2-+-9.3V15VD112VD2+-D19VR-0.7VIZmax+-穩(wěn)壓二極管符號穩(wěn)壓二極管符號UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線

15、穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當穩(wěn)壓二極管工作當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下在反向擊穿狀態(tài)下,當工作電流當工作電流IZ在在Izmax和和 Izmin之間時之間時,其兩端電壓近似為其兩端電壓近似為常數(shù)常數(shù)正向同正向同二極管二極管穩(wěn)定穩(wěn)定電流電流穩(wěn)定穩(wěn)定電壓電壓1.2.5 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管1.3 雙極型三極管雙極型三極管1.3.1 基本結構基本結構BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極NPN型型PNP集電極集電極基極基極發(fā)射極發(fā)射極BCEPNP型型BECNPN型三極管型三極管BECPNP型三極管型三極管三三極管符號極管符號NPNCBEPNPCBEBECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電

16、極基區(qū)：較薄，基區(qū)：較薄，摻雜濃度低摻雜濃度低集電區(qū)：集電區(qū)：面積較大面積較大發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高雜濃度較高三三極管極管的特點：截止、放大、飽和導通的特點：截止、放大、飽和導通三極管能放三極管能放大的內(nèi)因大的內(nèi)因發(fā)射結發(fā)射結集電結集電結BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極+ + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + 1.3.2 電流放大原理電流放大原理BECNNPVBBRbVCC發(fā)射結正發(fā)射結正偏，發(fā)射偏，發(fā)射區(qū)電子

17、不區(qū)電子不斷向基區(qū)斷向基區(qū)擴散，形擴散，形成發(fā)射極成發(fā)射極電流電流IE。IE1進入進入P區(qū)的電子區(qū)的電子少部分與基區(qū)的少部分與基區(qū)的空穴復合，形成空穴復合，形成電流電流IB ，多數(shù)擴，多數(shù)擴散到集電結。散到集電結。IBBECNNPVBBRbVCCIE從基區(qū)擴散從基區(qū)擴散來的電子漂來的電子漂移進入集電移進入集電結而被收集，結而被收集，形成形成IC。IC2ICIB三極管能放大的外因：要使三極管能放三極管能放大的外因：要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結正偏，集電結反偏。大電流，必須使發(fā)射結正偏，集電結反偏。靜態(tài)電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù)，動態(tài)電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù)，動態(tài)電流放

18、大倍數(shù) = IC / IBIC = IB動態(tài)電流放大倍數(shù)動態(tài)電流放大倍數(shù)IB ： IB + IBIC ： IC +IC = IC / IB IC = IB一般認為：一般認為： = ，近似為一常數(shù)，近似為一常數(shù)， 值范圍：值范圍：20100實際的電流關系實際的電流關系BCEOBCIIIICBOCEOII)1 (其中BECNNPVBBRBVCCIEICBOICIC=ICE+ICBO ICEIBBECIBIEICNPN型三極管型三極管BECIBIEICPNP型三極管型三極管1.3.3 特性曲線特性曲線ICmA AVVUCEUBERbIBVCCVBB 實驗線路實驗線路(共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法)CBE

19、RC IB 與與UBE的關系曲線（同二極管）的關系曲線（同二極管）（1）輸入特性）輸入特性iB( A)uBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死區(qū)電壓，死區(qū)電壓，硅管硅管0.5V工作壓降：工作壓降： 硅管硅管UBE 0.7V（2）輸出特性）輸出特性(IC與與UCE的關系曲線的關系曲線)IC(mA )1234UCE(V)3691240 A60 AQQ = IC / IB =2 mA/ 40 A=50 = IC / IB =(3-2)mA/(60-40) A=50 = IC / IB =3 mA/ 60 A=50輸出特性輸出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020

20、 A40 A60 A80 A100 A當當UCE大于一定的數(shù)大于一定的數(shù)值時，值時，IC只與只與IB有關，有關，IC= IB , 且且 IC = IB 。此區(qū)域此區(qū)域稱為線性稱為線性放大區(qū)。放大區(qū)。此區(qū)域中此區(qū)域中UCE UBE,集集電結正偏，電結正偏， IBIC，UCE 0.3V稱為飽和區(qū)。稱為飽和區(qū)。此區(qū)域中此區(qū)域中 : IB=0 , IC=ICEO , UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止區(qū)截止區(qū) UBE 死區(qū)電壓，死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0 判別三極管的工作狀態(tài)方法判別三極管的工作狀態(tài)方法: 假設三極管的基極和射極間斷開假設三極管的基極和射極間斷開,求基極與求基

21、極與射極間的電位差射極間的電位差,若電位差大于死區(qū)電壓若電位差大于死區(qū)電壓,則三極則三極管導通管導通,UBE 近似為近似為0.7V或或0.3V。否則三極管截。否則三極管截止。止。 若若I IB BIIIBSBS，則三極管處于飽和導通狀態(tài)。，則三極管處于飽和導通狀態(tài)。此時，集電極電位必定處于基極和射極之間。此時，集電極電位必定處于基極和射極之間。 U UCESCES 0.3V0.3V或或0.1V0.1V。 I IBSBS為三極管臨界飽和時的電流，三極管為三極管臨界飽和時的電流，三極管臨界飽和狀態(tài)定義為臨界飽和狀態(tài)定義為U UCECE=U=UBE BE 例例3： =50， VCC =12V， Rb=70k ， Rc =6k 當當VBB = -2V，2V，5V時，時，晶體管的靜態(tài)工作點晶體管的靜態(tài)工作點Q位位于哪個區(qū)？于哪個區(qū)？VBB =-2V， IB=0 ， IC=0，Q位于截止區(qū)位于截止區(qū) VBB =2V， IB=