模電第一章2學(xué)分

1、教材：教材： 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程 清華大學(xué)電子學(xué)教研組清華大學(xué)電子學(xué)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(xué)習(xí)，較全面地掌握模擬電子通過本課程的學(xué)習(xí)，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(duì)一般性質(zhì)的電路的基本理論和概念，基本上能對(duì)一般性質(zhì)的模擬電子電路進(jìn)行看圖分析和設(shè)計(jì)，并為后續(xù)課模擬電子電路進(jìn)行看圖分析和設(shè)計(jì)，并為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并在今后有關(guān)工程設(shè)計(jì)中加程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并在今后有關(guān)工程設(shè)計(jì)中加以靈活應(yīng)用以靈活應(yīng)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(yīng)用、基本技能方法、基本

2、應(yīng)用、基本技能 （2）抓住）抓住“五環(huán)節(jié)五環(huán)節(jié)”教學(xué)、習(xí)題和習(xí)題課、教學(xué)、習(xí)題和習(xí)題課、自學(xué)、答疑和實(shí)驗(yàn)五個(gè)環(huán)節(jié)自學(xué)、答疑和實(shí)驗(yàn)五個(gè)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)成績(jī)學(xué)習(xí)成績(jī): :小測(cè)驗(yàn)（小測(cè)驗(yàn)（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(diǎn)：重點(diǎn)： 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(hào)運(yùn)算電路（）、模擬信號(hào)運(yùn)算電路（Ch7）對(duì)一些對(duì)一些符號(hào)、符號(hào)、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(jì)算：電壓放大倍數(shù)的計(jì)算：bebirIU LboRIU beLurRA LCLR/RR rbeRbRcRLiU iI bI cI oU bI_+ + RFR1R2uIuoi1iFi-i+虛地點(diǎn)虛地點(diǎn)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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件1.1 半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的特性1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)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(dǎo)體本征半導(dǎo)體現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。Si硅原子硅原子Ge鍺原子鍺原子1.1 半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的特性通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)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(gè)原子與每個(gè)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(jià)鍵共價(jià)鍵，共，共用一對(duì)價(jià)電用一對(duì)價(jià)電子。子。完全純完全純凈的、結(jié)構(gòu)凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)完整的半導(dǎo)體晶體，稱體晶體，稱為為本征半導(dǎo)本征半導(dǎo)體體。硅和鍺

5、的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共共價(jià)鍵共用電子對(duì)用電子對(duì)+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價(jià)電子去價(jià)電子后的原子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)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(jià)鍵成為脫離共價(jià)鍵成為自由電子自由電子，因此本征半導(dǎo)體，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)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(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度其原因是摻雜半導(dǎo)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(dǎo)體型半導(dǎo)體（主要載流子為電子）（主要載流子為電子）P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（主要載流子為空穴）（主要載流子為空穴）N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)

7、體原子被雜質(zhì)取代，銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相臨的磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)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(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為磷原子給出一個(gè)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(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)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(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相臨的半導(dǎo)體原硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為負(fù)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(dǎo)體型半導(dǎo)體空穴空穴P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)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(rèn)為帶一個(gè)單位的正電荷，并且空穴被認(rèn)為帶一個(gè)單位的正電荷，并且可以移動(dòng)可以移動(dòng)雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體1.2.1 PN 結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦砸?、一?PN 結(jié)的形成結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型型半導(dǎo)體和半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)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(jié)。結(jié)。1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管P P

10、型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電擴(kuò)散的結(jié)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(yùn)動(dòng)P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。使空間電荷區(qū)變薄。漂移運(yùn)動(dòng)P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)所以擴(kuò)散和漂所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)

11、的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)?shù)狡胶?，相?dāng)于兩個(gè)區(qū)之間于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，沒有電荷運(yùn)動(dòng)，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(jié)的結(jié)的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦哉蚱谜蚱茫篜N結(jié)結(jié)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(fù)電壓。區(qū)加負(fù)電壓。 PN結(jié)的結(jié)的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦允侵甘侵窹N結(jié)正向結(jié)正向偏置則偏置則PN結(jié)導(dǎo)通，反向偏置則結(jié)導(dǎo)通，反向偏置則PN結(jié)截結(jié)截止。止。反向偏置反向偏置：PN結(jié)結(jié)加上反向電壓加上反向電壓, P區(qū)加區(qū)加負(fù)電壓、負(fù)電壓、N區(qū)加正電壓。區(qū)加正電壓。PN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置+內(nèi)電場(chǎng)減弱，使擴(kuò)散加強(qiáng)，內(nèi)電場(chǎng)減弱，使擴(kuò)散加強(qiáng)，擴(kuò)

12、散擴(kuò)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(jié)反向偏置結(jié)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(chǎng)加強(qiáng)，使擴(kuò)散停止，內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)，使擴(kuò)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(jí)級(jí)1.2.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管(1)、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。PNPN符號(hào)符號(hào)陽極陽極陰極陰極+-(2)伏安特性伏安特性UI導(dǎo)通壓降導(dǎo)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(jí)）級(jí)）) 1(TUUSeII判別方法判別方法: 假設(shè)二極管斷開假設(shè)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(dǎo)通則二極管導(dǎo)通,其陽極其陽極陰極間的電壓為其導(dǎo)通電壓陰極間的電壓為其導(dǎo)通電壓,否則二極管截止。否則二極管截止。 若電路中有多個(gè)二極管若電路中有多個(gè)二極管,則仍假設(shè)二極管則仍假設(shè)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(dǎo)通的二極管優(yōu)先導(dǎo)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(dǎo)通還是截止，并確：試判斷下圖中各二極管是導(dǎo)通還是截止，并確定各電路的輸出電壓值。設(shè)二極管導(dǎo)通電壓定各電路的輸出電壓值。設(shè)二極管導(dǎo)通電壓UD=0.7VR2VuO+-1.3VDRL10VuOD+-5V5VR10VuOD2-+-9.3V15VD112VD2+-D19VR-0.7VIZmax+-穩(wěn)壓二極管符號(hào)穩(wěn)壓二極管符號(hào)UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線

15、穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作當(dāng)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(dāng)工作電流當(dāng)工作電流IZ在在Izmax和和 Izmin之間時(shí)之間時(shí),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(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)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(hào)極管符號(hào)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(diǎn)：截止、放大、飽和導(dǎo)通的特點(diǎn)：截止、放大、飽和導(dǎo)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(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)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(jié)正發(fā)射結(jié)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(kuò)散，形擴(kuò)散，形成發(fā)射極成發(fā)射極電流電流IE。IE1進(jìn)入進(jìn)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(fù)合，形成空穴復(fù)合，形成電流電流IB ，多數(shù)擴(kuò)，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。散到集電結(jié)。IBBECNNPVBBRbVCCIE從基區(qū)擴(kuò)散從基區(qū)擴(kuò)散來的電子漂來的電子漂移進(jìn)入集電移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，結(jié)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(jié)正偏，集電結(jié)反偏。大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)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(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù)靜態(tài)電流放大倍數(shù)，動(dòng)態(tài)電流放

18、大倍數(shù) = IC / IBIC = IB動(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù)動(dòng)態(tài)電流放大倍數(shù)IB ： IB + IBIC ： IC +IC = IC / IB IC = IB一般認(rèn)為：一般認(rèn)為： = ，近似為一常數(shù)，近似為一常數(shù)， 值范圍：值范圍：20100實(shí)際的電流關(guān)系實(shí)際的電流關(guān)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(shí)驗(yàn)線路實(shí)驗(yàn)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(guān)系曲線（同二極管）的關(guān)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(guān)系曲線的關(guān)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(dāng)當(dāng)UCE大于一定的數(shù)大于一定的數(shù)值時(shí)，值時(shí)，IC只與只與IB有關(guān)，有關(guān)，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(jié)正偏，電結(jié)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(shè)三極管的基極和射極間斷開假設(shè)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(dǎo)通管導(dǎo)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(dǎo)通狀態(tài)。，則三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，集電極電位必定處于基極和射極之間。此時(shí)，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(shí)的電流，三極管為三極管臨界飽和時(shí)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(dāng)當(dāng)VBB = -2V，2V，5V時(shí)，時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位位于哪個(gè)區(qū)？于哪個(gè)區(qū)？VBB =-2V， IB=0 ， IC=0，Q位于截止區(qū)位于截止區(qū) VBB =2V， IB=