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1、模拟电子技术基础,孙 肖 子,2.1 半导体物理基础,导体：对电信号有良好的导通性，如绝大多数金属，电解液，以及电离气体。 绝缘体：对电信号起阻断作用，如玻璃和橡胶，其电阻率介于108 1020 m。 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅 (Si) 、锗 (Ge) 和砷化镓 (GaAs),半导体的导电能力随温度、光照和掺杂等因素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。,2.1.1 半导体与绝缘体、导体的区别,3,2.1.2 本征半导体,纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体。,硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子，称为价电子，其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子，所
2、以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表 。,4,每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有，形成共价键。共价键中的价电子是不能导电的束缚电子。,当价电子获得足够大的能量，挣脱共价键的束缚，游离出去，成为自由电子，并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴。这个过程称为本征激发。 本征激发产生成对的自由电子和空穴，所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等。,5,本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴，二者都可以参与导电，统称为载流子。,自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时，自由电子填入空穴，释放出能量，从而消失一对载流子，这个过程称为复合，,6,分别用ni和pi表示自由电子和空穴
3、的浓度 (cm-3) ，,其中 T 为绝对温度 (K) ；EG0 为T = 0 K时的禁带宽度，硅原子为1.21 eV，锗为0.78 eV；k = 8.63 10- 5 eV / K为玻尔兹曼常数；A0为常数 ,浓度与温度关系极大,2.1.3 N 型半导体和 P 型半导体,本征半导体的导电能力很弱。人工少量掺杂某些元素的原子，可显著提高半导体的导电能力，杂质半导体分为 N 型半导体和 P 型半导体。,7,一、N 型半导体 掺入五价原子，即构成 N 型半导体。每个杂质元素的原子，提供一个自由电子，从而大量增加了自由电子的浓度一一施主电离 多数载流子一一自由电子 少数载流子一一空穴 但半导体仍保持
4、电中性,热平衡时，杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流子浓度 ni 的平方，所以少子空穴的浓度 pn为,自由电子浓度,(杂质浓度),少子浓度与温度关系极大,8,二、P 型半导体 掺入三价原子，即构成 P 型半导体。P 型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子，就提供一个空穴，从而大量增加了空穴的浓度一一受主电离 多数载流子一一空穴 少数载流子一一自由电子 但半导体仍保持电中性,而少子-自由电子的浓度 np 为 环境温度也明显影响 np 的取值。,空穴浓度,(掺杂浓度),9,4.1.3 漂移电流和扩散电流,半导体中载流子进行定向运动，就会形成半导体中的电流。 半导体电流,半导体电
5、流,漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。 扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。,10,2.2 PN 结,通过掺杂工艺，一边做成 P 型半导体，另一边做成 N 型半导体，则 P 型半导体和 N 型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层，称为 PN 结。,2.2.1 PN 结的形成,多子扩散,空间电荷区，内建电场和内建电位差的产生,少子漂移,动态平衡,11,空
6、间电荷区又称为耗尽区或势垒区。在掺杂浓度不对称的 PN 结中，耗尽区在重掺杂一边延伸较小，而在轻掺杂一边延伸较大。,12,4.2.2 PN 结的单向导电特性,一、正向偏置的 PN 结,正向偏置,耗尽区变窄,扩散运动加强，漂移运动减弱,正向电流,二、反向偏置的 PN 结,反向偏置,耗尽区变宽,扩散运动减弱，漂移运动加强,反向电流,13,PN 结的单向导电特性： PN 结只需要较小的正向电压，就能产生较大的正向电流， 而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变(指数特性) 而在反偏时，少子只能提供很小很小的漂移电流，并且基本上不随反向电压而变化。,14,2.2.3 PN 结的击穿特性,当 PN
7、 结上的反向电压足够大时，反向电流急增，这种现象称为 PN 结的击穿。,雪崩击穿：反偏的 PN 结中，耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功，动能增大。当少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞电离，把价电子击出共价键，产生一对新的自由电子和空穴，连锁碰撞使得耗尽区内的载流子数量剧增，引起反向电流急剧增大。雪崩击穿出现在轻掺杂的 PN 结中。 齐纳击穿：在重掺杂的 PN 结中，耗尽区较窄，所以反向电压在其中产生较强的电场。电场强到能直接将价电子拉出共价键，发生场致激发，产生大量的自由电子和空穴，使得反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。,PN 结击穿时，只要限制反向电流不要过大，就可以保护 P
8、N 结不受损坏。,PN 结击穿,15,4.2.4 PN 结的电容特性,PN 结能够存贮电荷，而且电荷的变化与外加电压的变化有关，这说明 PN 结具有电容效应。,一、势垒电容,CT0为 u = 0 时的 CT，与 PN 结的结构和掺杂浓度等因素有关；UB为内建电位差；n 为变容指数，取值一般在 1 / 3 6 之间。当反向电压 u 绝对值增大时，CT 将减小。,16,二、扩散电容,PN 结的结电容为势垒电容和扩散电容之和，即 Cj = CT + CD。CT 和 CD 都随外加电压的变化而改变，所以都是非线性电容。当 PN 结正偏时，CD 远大于 CT ，即 Cj CD ；反偏的 PN 结中，CT
9、 远大于 CD，则 Cj CT 。,17,2.3 晶体二极管,2.3.1 二极管的伏安特性一一 指数特性,IS 为反向饱和电流，q 为电子电量 (1.60 10- 19C) ；UT = kT/q，称为热电压，在室温 27 即 300 K 时，UT = 26 mV。,一、二极管的导通，截止和击穿 当 uD UD(on) 时，iD 明显增大，二极管导通，UD(on) 称为导通电压 (死区电压) ；uD 0 时，二极管是截止的；当反向电压足够大时，二极管中的反向电流急剧增大，二极管被击穿。,18,二、二极管的管压降,当电源电压 E 变化时，负载线平移到新的位置， ID 有比较大的变化，而UD 变化不
10、大，仍然近似等于 UD(on) ，所以认为 UD(on) 是导通二极管的近似管压降(硅管约0.6-0.7v,锗管约0.2-0.3v) 。,三、二极管的电阻,直流电阻,交流电阻,19,RD 和 rD 随工作点的位置变化而改变,2.3.2 温度对二极管伏安特性的影响,T 增大； Is 增大，T增大10倍，Is增大一倍。 减小， 雪崩击穿电压增大，齐纳击穿电压减小。,20,2.3.3 二极管的近似伏安特性和简化电路模型,21,【例 4.3.1】电路如图 (a) 所示，计算二极管中的电流 ID 。已知二极管的导通电压UD(on) = 0.6 V，交流电阻 rD 近似为零。,解：可以判断二极管处于导通状
11、态，将相应的电路模型代入，得到图 (b) 。节点 A 的电压 UA = E - I1R1 = - I2R2 = - E + UD(on) = - 5.4 ，解得 I1 = 5.7 mA，I2 = 5.4 mA，于是 ID = I1 + I2 = 11.1 mA 。,22,工作电流IZ可以在IZmin到IZmax的较大范围内调节，两端的反向电压成为稳定电压UZ。IZ应大于IZmin以保证较好的稳压效果。同时，外电路必须对IZ进行限制，防止其太大使管耗过大，甚至烧坏PN结，如果稳压二极管的最大功耗为PM，则IZ应小于IZmax = PM / UZ。,2.3.4 稳压二极管,23,例2.3.2稳压二
12、极管电路如图所示，稳定电压 UZ = 6 V。当限流电阻 R = 200 时，求工作电流 IZ 和输出电压 UO；当R = 11 k 时，再求 IZ 和 UO 。,1.当 R = 200 时，稳压二极管 DZ处于击穿状态,2.当 R = 11 k 时，DZ 处于截止状态，IZ = 0,解:首先要判断稳压二极管能否击穿,方法是假设稳压管断开,看UO是否大于UZ.,24,2.3.5 其它二极管 1. 变容二极管,2. 光电二极管,3.发光二极管（LED）,4.肖特基二极管,25,2.3.6 二极管应用电路举例,一、整流电路,例2.3.3分析图 (a) 所示的二极管整流电路的工作原理，其中二极管D的
13、导通电压UD(on) = 0.7 V，交流电阻rD 0。输入电压ui的波形如图 (b) 所示。,解：当ui 0.7 V时，D处于导通状态，等效成短路，所以输出电压uo = ui - 0.7；当ui 0.7 V时，D处于截止状态，等效成开路，所以uo = 0。于是可以根据ui的波形得到uo的波形，如图 (b) 所示，传输特性则如图 (c) 所示。电路实现的是半波整流，但是需要在ui的正半周波形中扣除UD(on) 得到输出。,26,例2.3.4分析图 (a) 所示的二极管桥式整流电路的工作原理，其中的二极管D1 D4为理想二极管，输入电压ui的波形如图 (b) 所示。,电路实现的是全波整流-又称”
14、绝对值电路。,当ui 0时，D1和D2导通，而D3和D4截止,故uo = ui； 当ui 0时，D1和D2截止，而D3和D4导通,故uo = - ui。,27,二、限幅电路,例4.3.6二极管限幅电路如图 (a) 所示，其中二极管D的导通电压UD(on) = 0.7 V，交流电阻rD 0。输入电压ui的波形在图 (b) 中给出，作出输出电压uo的波形。,解：首先判断二极管是导通或截止.当ui 2.7 V时，D导通，所以uo = 2.7 V；当ui 2.7 V时，D截止，其支路等效为开路，uo = ui。于是得到uo的波形，如图 (c) 所示，该电路把ui超出2.7 V的部分削去后输出，是上限幅
15、电路。,28,例2.3.7二极管限幅电路如图 (a) 所示，其中二极管D1和D2的导通电压UD(on) = 0.3 V，交流电阻rD 0。输入电压ui的波形在图 (b) 中给出，作出输出电压uo的波形。,首先判断二极管是导通或截止.,解：当ui - 2.3 V时，D1截止，支路等效为开路，uo = ui。所以D1实现了下限幅；当ui 2.3 V时，D2导通，uo = 2.3 V；当ui 2.3 V时，D2截止，支路等效为开路，uo = ui。所以D2实现了上限幅。综合uo的波形如图 (c) 所示，该电路把ui超出 2.3 V的部分削去后进行输出，完成双向限幅。,29,三、电平选择电路,例2.3
16、.9图 (a) 给出了一个二极管电平选择电路，其中二极管D1和D2为理想二极管，输入信号ui1和ui2波形如图 (b) 所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。,解:当tT3时,D1,D2也同时导通， uo = ui1 = ui2=0。该电路完成低电平选择功能， 并实现了逻辑“与”运算。,30,2.4 双极型晶体管,NPN型晶体管,PNP型晶体管,晶体管的物理结构有如下特点：发射区重掺杂；基区很薄，且 轻掺杂,集电结面积大于发射结面积。,31,一、发射区向基区注入电子 电子注入电流IEN， 空穴注入电流IEP 二、基区中自由电子边扩散 边复合 基区复合电流IBN 三、集电区收集自由
17、电子 收集电流ICN 反向饱和电流ICBO,2.4.1 晶体管的工作原理,32,共发射极直流电流放大倍数： 共基极直流电流放大倍数： 换算关系：,晶体管的放大能力参数,33,晶体管各极电流关系,描述： 描述：,34,2.4.2 晶体管的伏安特性,一、输出特性,放大区(发射结正偏，集电结反偏 ) 共发射极交流电流放大倍数： 共基极交流电流放大倍数： 近似关系： 恒流输出和基调效应 饱和区(发射结正偏，集电结正偏 ) 饱和压降 uCE(sat) 截止区(发射结反偏，集电结反偏 ) 各极电流绝对值很小,35,二、输入特性,当uBE大于导通电压 UBE(on) 时，晶体管导通，即处于放大状态或饱和状态
18、。这两种状态下uBE近似等于UBE(on) ，所以也可以认为UBE(on) 是导通的晶体管输入端固定的管压降；当uBE UBE(on) 时，晶体管进入截止状态。,晶体管电流方程：,36,2.4.3 晶体管的近似伏安特性和简化直流模型,近似伏安特性,简化直流模型,I放大区 II饱和区 III截止区,37,2.4.4 直流偏置下晶体管的工作状态分析,确定直流偏置下晶体管工作状态的基本步骤： 1根据外电路电源极性判断发射结是正偏还是反偏。如果发射结反偏或正偏电压不到 | UBE(on) | ，则晶体管处于截止状态，IB、IC和IE均为零，再由外电路计算极间电压UBE、UCE和UCB； 2如果第1步判
19、断发射结正偏电压达到 | UBE(on) | ，则晶体管处于放大状态或饱和状态，再判断集电结是正偏还是反偏。如果集电结反偏，则晶体管处于放大状态，这时UBE = UBE(on) 。根据外电路和UBE(on) 计算IB，接下来IC = bIB，IE = IB + IC。再由这三个极电流和外电路计算UCE和UCB； 3如果第2步判断集电结正偏，则晶体管处于饱和状态。这时 UBE = UBE(on) ，UCE = UCE(sat) ，UCB = UCE - UBE，再由这三个极间电压和外电路计算IB、IC和IE。,38,例2.4.1晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管的UBE(on) = 0.6
20、V， = 50。当输入电压UI分别为0 V、3 V和5 V时，判断晶体管的工作状态，并计算输出电压UO。,解：晶体管三个极电流的正方向如图中所示。当UI = 0 V时，晶体管处于截止状态，IC = 0，UO = UCC - ICRC = 12 V；当UI = 3 V时，晶体管处于放大或饱和状态，假设晶体管处于放大状态，IB = UI - UBE(on) / RB = 40 A，IC = bIB = 2 mA，UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - UBE(on) = 3.4 V 0，所以集电结反偏，假设成立，UO = UC = 4 V；当UI = 5 V时，计算得到UCB
21、 = - 3.28 V 0，所以晶体管处于饱和状态，UO = UCE(sat) 。,39,例4.4.2晶体管直流偏置电路如图所示，已知晶体管的UBE(on) = - 0.7 V， = 50。判断晶体管的工作状态，并计算IB、IC和UCE。,解：图中晶体管是PNP型，UBE(on) = UB - UE = (UCC - IBRB) - IERE = UCC - IBRB - (1+b)IBRE = - 0.7 V，得到IB = - 37.4 A 0，所以晶体管处于放大或饱和状态。IC = bIB = - 1.87 mA，UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - (UCC -
22、IBRB) = - 3.74 V 0，所以集电结反偏，晶体管处于放大状态，IB = - 37.4 A，IC = - 1.87 mA，UCE = UCB + UBE(on) = - 4.44 V。,40,2.5.1 结型场效应管,5.5 场效应管,41,一、工作原理,饱和电流 IDSS 夹断电压UGS(off) 栅极电流 IG 0 输入阻抗很大,UGS增大导电沟道变窄ID减小,42,二、输出特性,恒流区(| uGS | | UGS(off) |且| uDG | = | uDS - uGS | | UGS(off) | ) uGS和iD为平方率关系。预夹断导致uDS对iD的控制能力很弱。 可变电阻
23、区(| uGS | | UGS(off) |且 | uDG | | UGS(off) |) iD = 0,43,三、转移特性,预夹断,44,2.5.2 绝缘栅场效应管,绝缘栅场效应管记为MOSFET，根据结构上是否存在原始导电沟道，MOSFET又分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET。,45,一、工作原理,UGS = 0 ID 0 UGS UGS(th) 电场 反型层 导电沟道 ID 0 UGS控制ID的大小,N沟道增强型MOSFET,46,N沟道耗尽型MOSFET在UGS = 0时就存在ID = ID0。UGS的增大将增大ID。当UGS 0时，且| UGS | 足够大时，导电沟道消失，I
24、D = 0，此时的UGS为夹断电压UGS(off) 。,N沟道耗尽型MOSFET,二、特性曲线,预夹断,N沟道增强型MOSFET,47,n为导电沟道中自由电子运动的迁移率； Cox为单位面积的栅极电容； W 和 L分别为导电沟道的宽度和长度，W / L为宽长比。,48,N沟道耗尽型MOSFET,49,2.5.3 各种场效应管的比较以及场效应管与晶体管的对比,电路符号,特性曲线,50,例2.5.1判断图中场效应管的工作状态。,= IDSS，UDG = UDS - UGS = UDS = UDD - IDRD = 6 (V) - UGS(off) ，所以该场效应管工作在恒流区。 图 (b) 中是P
25、沟道增强型MOSFET，UGS = - 5 (V) - UGS(th) ，所以该场效应管工作在可变电阻区。,解 图 (a) 中是N沟道JFET，UGS = 0 UGS(off) ，所以该场效应管工作在恒流区或可变电阻区，且ID,51,NPN晶体管,结型场效应管JEFT,增强型NMOSEFT,指数关系,平方律关系,52,场效应管和晶体管的主要区别包括： 晶体管处于放大状态或饱和状态时，存在一定的基极电流，输入电阻较小。场效应管中，JFET的输入端PN结反偏，MOSFET则用SiO2绝缘体隔离了栅极和导电沟道，所以场效应管的栅极电流很小，输入电阻极大。 晶体管中主要导电依靠基区中非平衡少子的扩散运动，所以导电能力容易受外界因素如温度的影响。场效应管则依靠自由电子或空穴之一的多子在导电沟道中作漂移运动实现导电，导电能力不易受环境的干扰。 场效应管的源极和漏极结构对称，可以互换使用。晶体管虽然发射区和集电区是同型的杂质半导体，但由于制作工艺不同，二者不能互换使用。,53,2.6 晶体三极管和场效应管的低频交流小信号简化模型,54,2.6.1 晶体三极管的低频交流小信号模型,首先看,变化引起,的变化量体现在管子的输入电阻,2.,对,的控制作用,体现在受控源,3.,对,的影响,体现在管子的输出电阻,55,-表示,对,的控制能力,56,2.6.2 场效应管的低频交流小信号模型,