模擬電子線路辦公室：基礎實驗樓210/211電話:84315441E-mail:1.本課程的性質

是一門技術基礎課2.研究內容工程性質、實踐性很強模擬電子電路處理模擬信號的電子電路稱為模擬電路什么是模擬信號？導言模擬信號舉例：注：聲音信號、速度信號、溫度信號等都是模擬信號.模擬信號：時間連續、數值連續的信號tu0ut0tu0u0t電子信息系統D/A轉換提取出的信號：弱信號、噪聲大、易受干擾。傳感器、接收器預處理：隔離、濾波、阻抗變換、放大。加工：運算、轉換、比較等。驅動與執行：功率放大、阻抗匹配、負載驅動。模擬電路數字電路信號提取信號的預處理信號的加工信號的驅動與執行A/D轉換計算機或其它數字處理系統2.研究內容

電子元器件的工作原理（二極管、三極管和集成運放）

基本單元電路－放大器的構成原理及互聯

電子電路的分析方法

以器件為基礎、以“放大”為主線，以傳遞“模擬信號”為目的，研究各種模擬電子電路的工作原理、特點及性能指標等。3.教學目標

能夠對一般性的、常用的電子電路進行分析，同時對較簡單的單元電路進行設計。4.學習方法

重點掌握基本概念、基本電路的結構、基本分析方法，在此基礎上拓展知識面，拓寬思路。抓住“模電”的幾個特點，可以事半功倍：5.教材及參考書教材：華成英、童詩白主編，《模擬電子技術基礎》（第四版），高等教育出版社參考書：康華光主編，《電子技術基礎》（模擬部分）（第四版），高等教育出版社

線性要求和非線性器件的矛盾（概念、分析方法）

器件少、電路多（找出各電路之間的規律，可舉一反三）

工程估算

④分立是基礎、集成是應用

*

認真聽講，有問題及時提出

*

按時獨立完成作業，答題須有解題步驟，一周交一次作業（每周二交）

*認真做好試驗，充分利用實驗來消化、理解課程的理論內容

要求：課時安排：總課時：64學時其中：理論課：56學時實驗：8學時課程總成績組成：

期末考85％＋實驗成績15％考試方式：閉卷第一章常用半導體器件1.1半導體基礎知識1.2半導體二極管1.3晶體三極管1.4場效應管1.1.1本征半導體

概論半導體的導電機理

根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。

半導體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。一、概論1、定義：半導體——導電能力介于導體和絕緣體之間的物質2、半導體的特殊性質熱敏性:半導體受熱時，其導電能力增強。光敏性:半導體光照時，其導電能力增強。摻雜性:在純凈的半導體材料中，摻雜微量雜質，其導電能力大大增強。（可增加幾十萬至幾百萬倍）

制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。

它在物理結構上呈單晶體形態。二、半導體的導電機理本征半導體——化學成分純凈的、具有單晶體結構的半導體。

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結構的立體和平面示意圖如圖所示。(c)

(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結構平面示意圖本征半導體的導電機理

當本征半導體處于熱力學溫度0K和沒有外界影響時，它的價電子束縛在共價鍵中，不存在自由運動的電子，此時它是良好的絕緣體。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現正電性的這個空位為空穴。（動畫1-1）

這一現象稱為本征激發，也稱熱激發。本征半導體的導電機理

可見因熱激發而出現的自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為電子空穴對。

自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現的。（動畫1-2）

空穴的移動本征半導體中的兩種載流子負電荷載流子正電荷載流子自由電子的定向運動形成電子電流空穴的定向運動形成空穴電流皆為載流子，所帶電量相等電荷極性相反相同點：不同點：自由電子：空穴：運載電荷的粒子稱為載流子載流子的濃度載流子復合：自由電子與空穴在熱運動中相遇，使兩者同時消失的現象。載流子的動態平衡：在一定溫度下，單位時間內本征激發所產生的自由電子-空穴對的數目與復合而消失的自由電子-空穴對的數目相等，就達到了載流子的動態平衡狀態，使本征半導體中載流子的濃度一定。載流子的濃度當溫度一定時，激發和復合會達到動態平衡。這時，載流子的濃度可用公式表示為：可見本征載流子濃度和溫度有關，溫度升高，本征載流子濃度就增加，當溫度一定時，對固定的一塊半導體材料，本征載流子濃度是一定的。T為熱力學溫度,k為玻爾茲曼常數，EG0為熱力學零度時破壞共價鍵所需的能量，K1為與半導體材料載流子有效質量、有效能級密度有關的常量1.1.2雜質半導體

N型半導體

P型半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。

一、N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。

在N型半導體中自由電子是多數載流子,它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子,由本征激發形成。提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。(2)P型半導體

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。

P型半導體中空穴是多數載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數載流子，由本征激發形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。P型半導體的結構示意圖2、兩種濃度不等的載流子：多子——由摻雜形成（主要取決于摻入的雜質濃度）少子——由熱激發形成（主要取決于溫度）N型半導體中，多子為自由電子，少子為空穴；3、微量摻雜就可形成大量的多子。故雜質半導體導電率高。4、雜質半導體呈電中性。在N型半導體中，自由電子數（摻雜+熱激發）=空穴數（熱激發）+正離子數在P型半導體中，空穴數（摻雜+熱激發）=自由電子數（熱激發）+負離子數雜質半導體小結：

1、兩種雜質半導體：

N型——本征硅或鍺摻微量五價雜質元素

P型——本征硅或鍺摻微量三價雜質元素P型半導體中，多子為空穴，少子為自由電子。PN結的形成PN結的單向導電性1.1.3PN結PN結的伏安特性及其表達式PN結的擊穿特性及電容效應1、PN結的形成PN結的形成過程

（動畫1-3）

在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:

因濃度差（電子和空穴）

多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區

空間電荷區形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

在出現了空間電荷區后，由于正負電荷間的相互作用，在空間電荷區中形成了一個電場，稱為內電場，其方向是從帶正電的N區指向帶負電的P區。

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。空間電荷區也稱耗盡層。PN結的形成過程擴散運動：由濃度高到濃度低（多子的運動）漂移運動：載流子在電場作用下的定向運動（少子的運動）PN結：穩定后的空間電荷區2、PN結的單向導電性PN結加正向電壓時的導電情況（動畫1-4）

a、PN結加正向電壓時的導電情況

外加的正向電壓有一部分降落在PN結區，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是,內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現低阻性。（動畫1-4）PN結加正向電壓時的導電情況外電場削弱了內電場PN結多子的擴散運動加強

PN結導通當外加正向電壓時：

b、PN結加反向電壓時的導電情況PN結加反向電壓時的導電情況

（動畫1-5）

外加的反向電壓有一部分降落在PN結區，方向與PN結內 電場方向相同，加強 了內電場，內電場對 多子擴散運動的阻礙 增強，擴散電流大大 減小。此時PN結區的 少子在內電場的作用 下形成的漂移電流大 于擴散電流，可忽略 擴散電流，PN結呈現高阻性PN結加反向電壓時的導電情況當外加反向電壓時：外電場加強了內電場PN結少子的漂移運動進行

PN結截止

（動畫1-5）

在一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。

PN結加反向電壓時的導電情況

（動畫1-5）

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流，PN處于導通狀態；PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流，PN處于截止狀態。結論：PN結具有單向導電性。3、PN結的伏安特性及其表達式

根據半導體物理的原理，從理論上可分析得到PN結的伏安特性表達式：

式中IS在數值上等于反向飽和電流，U為PN結所加端電壓，UT=kT/q

稱為溫度電壓當量，k為玻耳茲曼常數，q

為電子電荷量，T為熱力學溫度。對于室溫（相當T=300K），則有UT=26mV。PN結的伏安特性4、PN結的擊穿特性及電容效應

當PN結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為PN結的反向擊穿。(1)PN結的反向擊穿反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：

反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。

(摻雜濃度高，擊穿電壓

<6V，負溫度系數)雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數突增。—PN結未損壞，斷電即恢復。—PN結燒毀。(摻雜濃度低，擊穿電壓

>6V，正溫度系數)擊穿電壓在

6V左右時，溫度系數趨近零。

勢壘電容示意圖電容是電荷在兩個極板間的積累效應。外加電壓變化勢壘層寬度變化積累在勢壘層的電荷變化勢壘電容Cb

：當外加電壓使PN結上壓降發生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。正偏和反偏時都有Cb。(2)

PN結的電容效應擴散電容示意圖擴散電容Cd：擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。載流子向對方區域的擴散，必須有濃度差，即P(N)區有電荷的積累。外加電壓變化P(N)區濃度差變化正偏時才存在Cd。正向電流越大，Cd越大Cj=Cb+Cd1.2半導體二極管1.2.1半導體二極管的幾種常見結構1.2.2二極管的伏安特性1.2.3二極管的主要參數1.2.4二極管電路分析1.2.5穩壓二極管1.2.6其它類型二極管1.2.1半導體二極管的幾種常見結構

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。1、點接觸型二極管—PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型二極管的結構示意圖2、面接觸型二極管—PN結面積大，用于工作頻率低，大電流整流電路。(b)面接觸型二極管符號：(c)平面型3、平面型二極管—

往往用于集成電路制造工藝中。PN結面積可大可小，用于大功率整流和開關電路中。1.2.2二極管的伏安特性

處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。I=f(U)二極管的伏安特性1、正向特性

硅二極管的死區電壓Uth=0.5V左右，

鍺二極管的死區電壓Uth=0.2V左右。

當0＜U＜Uth時，正向電流為零，Uth稱為死區電壓或開啟電壓。

當U＞0即處于正向特性區域。正向區又分為兩段：

當U＞Uth時，開始出現正向電流，并按指數規律增長。2、反向特性當U＜0時，即處于反向特性區域反向區也分兩個區域：

當UBR＜U＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS

。

當U≥UBR時，反向電流急劇增加，UBR稱為反向擊穿電壓

在反向區，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同。

硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。

反向電流特點：1、隨溫度的上升增長很快。2、在反向電壓不超過一定范圍時，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓的高低無關。二極管長期工作時，允許通過二極管的最大正向平均電流。1.2.3二極管的主要參數

半導體二極管的主要參數包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓UBR、最大反向工作電壓UR、反向峰值電流IR等。1、最大整流電流IF——2、反向擊穿電壓UBR———和最大反向工作電壓UR使器件損壞的參數使器件的某個特性消失的參數主要參數極限參數特征參數二極管長期工作時，允許通過二極管的最大正向平均電流。1.2.3二極管的主要參數

半導體二極管的主要參數包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓UBR、最大反向工作電壓UR、反向峰值電流IR等。1、最大整流電流IF——2、反向擊穿電壓UBR———和最大反向工作電壓UR

二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。

保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓使器件損壞的參數使器件的某個特性消失的參數主要參數極限參數特征參數

3、反向峰值電流IR4、正向壓降UF

在室溫下，在規定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。

在規定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。5、最高工作頻率fMfM

值主要取決于PN結結電容的大小。使用時，如果信號頻率超過fM

，二極管的單向導電性將變差，甚至不復存在。結電容越大，則二極管允許的最高工作頻率越低。半導體二極管圖片半導體二極管圖片半導體二極管圖片1.2.4二極管的等效電路二極管的應用范圍很廣。主要都是利用它的單向導電性。它可以用于整流、檢波、元件保護及在數字電路中作為開關元件。非線性元件的認識（1）線性元件回顧電阻：元件兩端的電壓是元件通過的電流的線性函數ivR（3）半導體二極管的非線性伏安特性（2）線性電阻的伏安特性即是歐姆定律數學模型方法圖解分析方法模型簡化方法－折線化或其他簡化模型小信號線性化方法（4）含非線性元件的電路一般分析方法其本質是對非線性元件伏安特性的模型再構建1、二極管U-I特性的建模設有如右圖含二極管的非線性電路，電路分析要解出iD

和vD

(1)采用數學模型方法，需解非線性方程由：iD=(VDD-uD)/R（2）應用圖解分析方法uD

＝0

時iD=VDD/RiD

＝0

時uD

=VDD因為加有正向電壓，所以在二極管的正向伏安特性上作負載線

VDDiuiDuDVDD／R則在兩線的交叉點上為所求

（3）應用簡化模型方法①

由伏安特性折線化得到的等效電路(a)理想二極管(b)正向導通時端電壓為常量(c)正向導通時端電壓與電流成線性關系

得Q點處的微變電導常溫下（T=300K）②

小信號模型

二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。二極管的微變等效電路圖2、二極管電路分析例題1：已知：求：的波形解：求解這類電路的思路是確定二極管D在信號作用下所處的狀態。只有當時，D導通否則，D截止，二極管削波（限幅）作用解：分析此電路的關鍵是判斷二極管是否導通。判斷的方法是將二極管拿開，通過比較兩個二極管的正向開路電壓的大小來判斷二極管是否導通，正向開路電壓大的二極管搶先導通。例題2：如圖所示電路，輸入端A的電位B的電位，求輸出端F的電位電阻R接負電壓-12V。由此，二極管A優先導通。如果二極管的正向壓降是0.3V，則F端的電壓為2.7V。當二級管A導通后，二極管B上加的是反向電壓，因而截止。在這里，二極管A起鉗位作用。它將F端的電壓鉗在2.7V；二極管B起隔離作用，把輸入端B和輸出端F隔離開來。例3：試求電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓

UO的值(二極管采用恒壓源模型)。解：假設二極管斷開UP=15VUP>UN二極管導通等效為0.7V的恒壓源UO=VDD1

UD(on)=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)3、二極管的應用（1）單相半波整流電路電路結構及工作原理正的半個周期：二極管導通負的半個周期：二極管截止正的半個周期：二極管導通負的半個周期：二極管截止交流電壓單向脈動電壓（2）單相橋式整流電路電路結構及工作原理

當正半周時二極管D1、D3導通，在負載電阻上得到正弦波的正半周。

在負載電阻上正負半周經過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。

當負半周時二極管D2、D4導通，在負載電阻上得到正弦波的負半周。作業:P69:1.3、1.4硅穩壓管及其伏安特性穩壓管的主要參數1.2.5穩壓二極管硅穩壓管穩壓電路1、硅穩壓管及其伏安特性

穩壓管是一種用特殊工藝制造的面結型硅半導體二極管。它是應用在反向擊穿區的特殊的硅二極管。穩壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，穩壓二極管伏安特性曲線的反向區、符號和典型應用電路如圖所示。圖見下頁穩壓管的伏安特性和等效電路(a)伏安特性(b)符號和等效電路

從穩壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩壓二極管的參數。

(1)穩定電壓UZ——(2)動態電阻rZ——

在規定的穩壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。rZ=UZ/IZrZ愈小，反映穩壓管的擊穿特性愈陡。2、穩壓管的主要參數

(3)最大耗散功率

PZM

——

穩壓管的最大功率損耗取決于PN結的面積和散熱等條件。反向工作時PN結的功率損耗為

PZ=UZIZ，由

PZM和UZ可以決定IZmax。

(4)最大穩定工作電流IZmax和最小穩定工作電流IZmin——

穩壓管的最大穩定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。而Izmin對應UZmin。若IZ＜IZmin則不能穩壓。3、硅穩壓管穩壓電路（1）電路結構UIUO+UR

它是利用穩壓管的反向擊穿特性穩壓的，由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會引起較小的電壓變化。（2）工作原理當輸入電壓變化時如何穩壓

輸入電壓VI的增加，必然引起UO的增加，即UZ增加，從而使IZ增加，IR增加，使UR增加，從而使輸出電壓UO減小。這一穩壓過程可概括如下：UIUO+URUI↑→UO↑→UZ↑→IZ↑→IR↑→UR↑→UO↓

這里UO減小應理解為，由于輸入電壓UI的增加，在穩壓管的調節下，使UO的增加沒有那么大而已。UO還是要增加一點的，這是一個有差調節系統。當負載電流變化時如何穩壓

負載電流IL的增加，必然引起IR的增加，即UR增加，從而使UZ=UO減小，IZ減小。IZ的減小必然使IR減小，UR減小，從而使輸出電壓UO增加。這一穩壓過程可概括如下：

IL↑→IR↑→UR↑→UZ↓（UO↓）→IZ↓→IR↓→UR↓→UO↑UIUO+UR

穩壓二極管在工作時應反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以保護穩壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電