模擬電子技術課件chapter1

模擬電子技術基礎河北工業(yè)大學電氣與自動化學院1第0章緒論§0.1數(shù)字電子技術與模擬電子技術§0.2模擬電子技術應用領域§0.3課程特點2數(shù)字量模擬量數(shù)字信號模擬信號數(shù)字電路模擬電路在時間上和數(shù)量上都是離散的且量值只取某一最小量的整倍數(shù)的物理量在時間上和數(shù)量上都是連續(xù)的物理量表示數(shù)字量的信號表示模擬量的信號工作在數(shù)字信號下的電子電路工作在模擬信號下的電子電路§0.1數(shù)字電子技術與模擬電子技術3§0.2模擬電子技術應用領域汽車電子

Automobileelectronics通訊電子

Communication~消費電子

Consumer~工業(yè)電子

Industrial~機電一體化

Mechtronics~醫(yī)用電子

Medical~辦公電子

Office~4應用舉例傳感器執(zhí)行器件電子線路5§0.3課程特點技術基礎課（專業(yè)基礎課）實踐性強討論共性概念問題基本分析方法、分析原則為后續(xù)課程打基礎時間緊、任務重、難度大、難掌握問題實質(zhì)：實踐性強、內(nèi)容分散6本課程的目的了解、掌握常用半導體器件、集成電路的原理及特性掌握模擬電路的分析、設計技巧初步了解模擬電子技術的應用為后續(xù)專業(yè)課程的學習及深入研究打下堅實的基礎7參考教材1.DonaldA.Neamen《ElectronicCircuitAnalysisandDesign》電子電路分析與設計，SecondEdition清華大學出版社MuhammadH.Rasid《MicroelectronicCircuit:AnalysisandDsign》微電子電路分析與設計，科學出版社8參考教材3.康華光主編：《電子技術基礎》第四版，高教出版社4.沈尚賢主編：《電子技術導論》，高教出版社5.謝嘉奎主編：《電子線路》第四版，高教出版社9§1.1半導體基礎知識§1.2半導體二極管(Diode)§1.3雙極型晶體管§1.4場效應晶體管Chapter1常用半導體器件（復習）10完全純凈的、有完整晶體結(jié)構的半導體，稱為本征半導體?！?.1半導體的基本知識1.1.1本征半導體(intrinsicsemiconductors)物質(zhì)的導電性取決于原子結(jié)構----導體、半導體、絕緣體現(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。11Si硅原子Ge鍺原子在硅和鍺晶體中，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。1.本征半導體晶體結(jié)構:硅晶體的晶體結(jié)構12共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，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能力很弱。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+413一定溫度條件下，本征半導體中激發(fā)產(chǎn)生的與復合掉的自由電子與空穴對數(shù)目相等，達到動態(tài)平衡。復合現(xiàn)象：自由電子運動中，自由電子填補空穴的現(xiàn)象本征激發(fā)：極少數(shù)價電子在熱激發(fā)下，成為自由電子2.本征半導體中的載流子:14外加一電場，自由電子定向移動，形成電子電流；空穴也定向移動，形成空穴電流。載流子：運載電荷的粒子。本征半導體中有兩種載流子：自由電子和空穴。

Freeelectron

and

carrier注:導體中有一種載流子,即自由電子導電。151.1.2雜質(zhì)半導體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。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N型半導體(Ntypesemiconductors)（多子為電子，少子為空穴）P型半導體(Ptypesemiconductors)（多子為空穴，少子為電子）16N型半導體（摻五價元素）多余電子獲很少能量可成為自由電子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSiNegative（負）自由電子為多子；空穴為少子施主原子(正離子)自由電子17空位P型半導體（摻三價元素）硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子當硅原子外層電子由于熱運動填補空位時，在硅原子共價鍵中產(chǎn)生一個空穴?？昭槎嘧樱蛔杂呻娮訛樯僮覲ositive（正）受主原子(負離子)空穴18雜質(zhì)半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體19P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結(jié)處載流子的運動1.2.3PN結(jié)的形成20擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。21漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。22PN結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場減弱，使擴散加強，擴散飄移，正向電流大空間電荷區(qū)變薄PN+_正向電流1.2.4PN結(jié)的單向?qū)щ娦?3PN結(jié)反向偏置+－－－－++++空間電荷區(qū)變厚NP_++++－－－－內(nèi)電場加強，使擴散停止，有少量飄移，反向電流很小反向飽和電流很小，A級24PN結(jié)的電流方程PN結(jié)的伏安特性UT26mV（thermalvoltage）正向特性反向特性擊穿區(qū)反向電流很小，少子漂移電流，和溫度有關U較小時，外電場不足于克服內(nèi)電場對擴散運動造成的阻力，I很?。ㄋ绤^(qū)），當U>UON時，I顯著增加反向電壓超過一定數(shù)值后，反向電流急劇增加25二、雪崩擊穿（AvalancheMultiplication）當PN結(jié)的摻雜濃度很高時，耗盡層將變的很薄，加上不大的反向電壓，就能建立很強的電場，足以把價電子直接從共價鍵中拉出來，產(chǎn)生自由電子-空穴對，稱為場致激發(fā)，場致激發(fā)能夠產(chǎn)生大量的載流子，使PN結(jié)的反向電流劇增，呈現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。一般，擊穿電壓在6V以下的屬于齊納擊穿，6V以上的主要是雪崩擊穿。6V左右，兩種擊穿都有。PN結(jié)的擊穿特性反向電壓增大到一定數(shù)值時，載流子獲得的動能足以把束縛在共價鍵中的價電子碰撞出來，產(chǎn)生自由電子-空穴對。新的載流子在強電場作用下，再去碰撞其他共價鍵，產(chǎn)生新的自由電子-空穴對。連鎖反應，引起載流子數(shù)量急劇增大，增長速度極快，象雪崩一樣。一、齊納擊穿（ZenerBreakdown）26擴散電容擴散電容示意圖正向偏置：兩種電容效應；以擴散電容為主反向偏置：以勢壘電容為主只有高頻時才考慮電容效應非平衡少子濃度分布變化引起的電荷量變化效應PN結(jié)的電容效應勢壘電容耗盡層寬窄變化等效的電容Cb271.2.1基本結(jié)構PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管。PNPN符號陽極陰極點接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路?！?.2半導體二極管semiconductorsdiode28二極管的結(jié)構示意圖平面型平面型二極管用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。面接觸型29半導體二極管圖片30半導體二極管圖片31半導體二極管圖片321.2.2伏安特性UI導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.2V。UIE+-反向漏電流（很小，

A級）331.2.3二極管的主要參數(shù)2.最高反向工作電壓UR3.反相電流IR4.最高工作頻率fM最大整流電流IF:最大正向平均電流最大反向電壓,約為擊穿電壓VBR的一半反向電流小,單向?qū)щ娦院?41.2.4二極管的等效電路一、分段線性等效電路

Piecewiselinearequivalentcircuit理想二極管模型恒壓降模型Uon折線化模型UonrDUon35●uDiD二、二極管的微變等效電路ID

iDQ

uDUDrd

iD+-

uD36三、高頻模型1.正向偏置1.反向偏置勢壘電容Cb加擴散電容Cd勢壘電容Cb371.2.5穩(wěn)壓二極管(zenerdiode)IZmax+-穩(wěn)壓二極管符號UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,當工作電流IZ在Izmax和

Izmin之間時,其兩端電壓近似為常數(shù)正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓38二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)定電流IZ額定功耗PZM=UZ

IZmax動態(tài)電阻rZ=UZ/IZ溫度系數(shù)

39穩(wěn)壓管應用例題RRLDZIZUIIL+-R確定原則：Izmin<IZ<IZmaxIZ取最小的條件：IZ取最大的條件：例1.2.2@P.25401.2.6其他類型二極管(diode)1發(fā)光二極管(light-emitting

diode)2光電二極管(photodiode)(1)單向?qū)щ娦?2)用于顯示電路中(1)遠紅外線接受管,將光能轉(zhuǎn)為電能(2)用于遙控、報警及光電傳感器中符號41限幅電路VRVmvit0Vi>VR時，二極管導通，vo=vi。Vi<VR時，二極管截止，vo=VR。例1：理想二極管電路中

vi=VmsinωtV，求輸出波形v0。解：42例2：求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V時，輸出v0的值。(2).Vi=6sinωtV時，輸出v0的波形。解：(1).

vI=4V時，D導通。vI=0V時，D截止。v0=vI

vI=6V時，D導通。(2).Vi=6sinωtV（理想模型）

3Vvit06V43例3：理想二極管電路中vi=VmsinωtV，求輸出波形v0。V1vit0VmV2Vi>V1時，D1導通、D2截止，Vo=V1。Vi<V2時，D2導通、D1截止，Vo=V2。V2<Vi<V1時，D1、D2均截止，Vo=Vi。44例4：畫出理想二極管電路的傳輸特性（Vo~VI）。當VI<0時D1導通D2截止當VI>0時D1截止D2導通0VIVO-5V+5V+5V-5V+2.5V-2.5V45§1.3半導體三極管(雙極型晶體管)(BipolarJunctionTransistor)1.3.1基本結(jié)構BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型collecteremitterbase46BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高47BECNPN型三極管BECPNP型三極管三極管符號NPNCBEPNPCBE48發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極+++++++++++++__________________________+++++++++++++49半導體三極管圖片頻率：高頻管、低頻管功率：材料：小、中、大功率管硅管、鍺管類型：NPN型、PNP型501.3.2電流放大原理BECNNPEBRBEc發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。IE1進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IB，多數(shù)擴散到集電結(jié)。IB基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)擴散,可忽略.51BECNNPEBRBEcIE由于集電結(jié)反偏，從基區(qū)擴散來的電子漂移進入集電結(jié)而被收集，形成IC。IC2ICIB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。52晶體管電流分配關系IE=IEN+IEP1.發(fā)射結(jié)擴散運動產(chǎn)生IE2.擴散到基區(qū)的自由電子與空穴復合產(chǎn)生IB

IB=IBN+IEP-ICBO=I’B-ICBOICNIEIBNI

CBOIBICI

ENI

EP3.集電結(jié)反偏，漂移運動產(chǎn)生IC

IC=ICN+ICBOIE=IC+IB從外部看:53當管子制成后，發(fā)射區(qū)載流子濃度、基區(qū)寬度、集電結(jié)面積等確定，故電流的比例關系確定，即：IB=IB’

ICBOIC=ICN+ICBO共射直流電流放大系數(shù)穿透電流很小,可忽略共基直流電流放大系數(shù)

=IC/

IBIC=

IB54靜態(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一般認為：

==，近似為一常數(shù)，值范圍：20~100

IC=

IB

=IC/

IBIC=

IB551.3.3晶體管的共射特性曲線一、輸入特性曲線iB=f(VBE)|UCE=Const.becVBBVCCuI+--+uo輸入回路輸出回路56當VCE1V后，集電結(jié)場強足以將發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的決大部分非平衡載流子收集到集電區(qū)輸入回路PN結(jié)二極管的伏安特性(1)死區(qū)(2)非線性區(qū)(3)線性區(qū)573.飽和區(qū)：

uBE

>Uon

,uCE

<uBE

臨界狀態(tài)：uCE=uBE2.放大區(qū)：

uBE

>Uon,uCE

uBEIC=IB1.

截止區(qū)：

uBE

Uon,uCE

>uBEIB=0,Ic=ICEO二、輸出特性曲線bec58輸出特性三個區(qū)域的特點:(1)放大區(qū)

BE結(jié)正偏，BC結(jié)反偏，IC=IB,且

IC=

IB(2)飽和區(qū)

BE結(jié)正偏，BC結(jié)正偏，即UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO0

591.3.4晶體管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)1.共射直流電流放大系數(shù)2.共基直流電流放大系數(shù)3.極間反向電流60二、交流參數(shù)當

下降到1時所對應的頻率稱為特征頻率，用fT表示。1.共射交流電流放大系數(shù)2.共基交流電流放大倍數(shù)3.特征頻率61三、極限參數(shù)1.集電極最大耗散功率PCMPCM=ICVCB≈ICVCE2.集電極最大允許電流ICM使

明顯減小的IC623.極間反向擊穿電壓(BreakdownVoltage)UCEO<UCER<UCES<UCEX<UCBO63安全工作區(qū)SOA

(SafeOperationArea）

PCM、ICM和V(BR)CEO限定PCM: 過損耗區(qū)；ICM: 過流區(qū)；UCEO:過壓區(qū)64測量三極管電極對地電位，判斷三極管的工作狀態(tài)。-+正偏反偏-++-正偏反偏+-放大Vc>Vb>Ve放大Vc<Vb<Ve65

放大截止飽和發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反偏。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏。66測得VB=4.5

V、VE=3.8

V、VC=8

V，判斷三極管的工作狀態(tài)。放大P71,1.81.967§1.4FieldEffectTransistor(場效應晶體管）

(UnipolarJunctionTransistor)

1.結(jié)型場效應晶體管

(JunctionFieldEffectTransistor

JFET)2.絕緣柵型場效應晶體管

(

InsulatedGateFieldEffectTransistor

IGFET)

金屬-氧化物-半導體場效應晶體管

(MetalOxideSemiconductorFETMOSFET

）主要內(nèi)容：MOS管工作原理、特性曲線

FET主要參數(shù)及與三極管比較681.4.2絕緣柵型場效應管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)：

增強型

N溝道、P溝道

耗盡型

N溝道、P溝道N-channelenhancementMOSFETN-channeldepletionMOSFETP-channelenhancementMOSFETP-channeldepletionMOSFET增強型：沒有導電溝道，耗盡型：存在導電溝道，69N溝道P溝道

增強型N溝道P溝道

耗盡型增強型：沒有導電溝道，耗盡型：存在導電溝道，70FET特點：1.單極性器件(一種載流子導電)3.工藝簡單、易集成、功耗小、

體積小、成本低2.輸入電阻高

(107

1015

，IGFET可高達1015

)7172一、N溝道增強型MOSFETG:Gate,柵極S：Source,源極D：Drain，漏極B:Substrate,襯底(一)、結(jié)構及工作原理：73工作原理：1、柵源電壓對溝道的影響a.當VGS=0V時，因為漏源之間被兩個背靠背的PN結(jié)隔離，在D、S間也不可能形成電流。

b.當0<VGS<V(GS(th)(開啟電壓)時,柵極下方P型襯底表層的空穴向下排斥，同時，使兩個N區(qū)和襯底中的自由電子吸向襯底表層，并與空穴復合而消失，結(jié)果在襯底表面形成一薄層負離子的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道。管子仍不能導通，處于截止狀態(tài)。

74反型層開啟電壓UGS(th)c.當VGS＞VGS(th)時,由于柵極電壓已經(jīng)比較強，在靠近柵極下方聚集較多的電子，可以形成D和S間的導電溝道，如果加有漏源電壓，就可形成漏極電流ID。在導電溝道中的電子，因與P型半導體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。VGS值越大，溝道內(nèi)電子越多，溝道電阻越小，ID

越大。這樣，就實現(xiàn)了輸入電壓VGS

對輸出電流ID

的控制。VGS對漏極電流的控制關系可用轉(zhuǎn)移特性曲線描述。75UDS<UGS-UGS(th)2、漏源電壓對導電溝道的影響a.當VGS＞VGS（TH），若給D、S間加正電壓則形成漏極電流ID。當VDS較小時，ID從D

S流過溝道時，沿途會產(chǎn)生壓降，進而導致沿著溝道長度上柵極與溝道間的電壓分布不均勻。源極端電壓最低，由此感生的溝道最深；離開源極端，越向漏極端靠近，由它們感生的溝道越來越淺。76UDS=UGS-UGS(th)b.若VDS增大，直至VDS=VGS-VGs(th)

時，則漏端溝道消失，出現(xiàn)預夾斷點。77UDS>UGS-UGS(th)c.當VDS繼續(xù)增加到使UDS>UGS-UGS(th)時，預夾斷點向源極端延伸成小的夾斷區(qū)。由于預夾斷區(qū)呈現(xiàn)高阻，ID基本不隨VDS增加而變化。其中，VDS對ID的影響，即ID=f(VDS)

VGS=const這一關系曲線可用漏極輸出特性曲線來描述。78(二)、特性曲線1、輸入特性曲線2、漏極輸出特性曲線3、轉(zhuǎn)移特性曲線描述VGS＞VGS(th)，VDS對ID的影響ID=f(VDS)

VGS=constVGS對漏極電流ID的控制關系

ID=f(VGS)

VDS=const柵極電流和VGS間的關系，由于G、S間有SiO2絕緣層，故柵極電流為零。輸入特性不必考慮。79ID=f(VDS)

VGS=const4.擊穿區(qū)2、漏極輸出特性曲線1.夾斷區(qū)，VGS<VGS(th)2.可變電阻區(qū)

VDS=VGS-VGS(th)左邊區(qū)域3.恒流區(qū)VDS>VGS-VGS(th)夾斷區(qū)不同斜率的直線，直線斜率為D和S間的等效電阻。阻值和VGS、VDS有關。iD隨VGS變化而變化VDS很大時，擊穿803、轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。gm

的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導。

gm=

ID/

VGS

VDS=const(單位mS)

ID=f(VGS)

VDS=const

IDO是VGS=2VGS(th)時的iD的值。81從漏極輸出特性曲線可以得到轉(zhuǎn)移特性曲線，過程如下：82

二、N溝道耗盡型MOSFET

N溝道耗盡型MOSFET是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當VGS=0時，這些正離子已經(jīng)在感應出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。83

三、P溝道MOSFETP溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。曲線分五個區(qū)域：（1）可變電阻區(qū)（2）恒流區(qū)（放大區(qū)）（3）截止區(qū)（4）擊穿區(qū)（5）過損耗區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)過損耗區(qū)可變電阻區(qū)85各類場效應三極管的特性曲線絕緣柵場效應管N溝道增強型P溝道增強型86絕緣柵場效應管

N溝道耗盡型P

溝道耗盡型871.4.3場效應晶體管的參數(shù)1.開啟電壓VGS(th)

增強型場效應管參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應管不能導通。

2.夾斷電壓VGS(off)(或VP)

結(jié)型、耗盡型場效應管參數(shù)，VGS=VGS(off)時,

漏極電流為零飽和漏極電流IDSS

耗盡型場效應管