模拟电子线路课件

模拟电子线路模拟电子线路模拟电子线路半半导导体体器器件件是是组组成成各各种种电电子子电电路路包包括括模模拟拟电电路路和和数数字字电电路路，分分立立元元件件电电路路和和集集成成电电路的基础。路的基础。本本章章讨讨论论半半导导体体的的特特性性，PN结结的的单单向向导导电电性性，二二极极管管、三三极极管管、场场效效应应管管的的结结构构，工工作原理，特性曲线和主要参数作原理，特性曲线和主要参数第第1章半导体器件章半导体器件模拟电子线路物质可分为：物质可分为：导体：导体：=10-4.cm如：铜，银，铝如：铜，银，铝绝缘体：绝缘体：=109.cm如：橡胶，塑料如：橡胶，塑料半半导导体体其其导导电电能能力力介介于于上上面面两两者者之之间间，一一般般为为四四价价元元素素的的物物质质，即即原原子子最最外外层层的的轨轨道道上上均均有有四个价电子四个价电子,所以称它们为所以称它们为4价元素。价元素。半导体有：元素半导体：硅（半导体有：元素半导体：硅（Si）、锗（）、锗（Ge）等；）等；化合物半导体：砷化镓（化合物半导体：砷化镓（GaAs）等）等第一节半导体的特性第一节半导体的特性模拟电子线路原子结构的简化模型原子结构的简化模型图1.1.1硅或锗的简化原子结构模型图1.1.2硅或锗晶体的共价健结构示意图模拟电子线路本征半导体本征半导体通通常常把把非非常常纯纯净净的的、几几乎乎不不含含杂杂质质的的且且结结构构完整的半导体晶体称为本征半导体。完整的半导体晶体称为本征半导体。在在T=0K（相相当当于于273oC）时时半半导导体体不不导导电电，如同绝缘体一样。如同绝缘体一样。如如温温度度升升高高，如如在在室室温温条条件件下下，将将有有少少数数价价电电子子获获得得足足够够的的能能量量，以以克克服服共共价价键键的的束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子，其其载载流流子子的的数数量量很很少少（自自由由电电子子的的数量）导电能力很弱。数量）导电能力很弱。1.1.1 本征本征半导半导体体模拟电子线路束缚电子束缚电子本征激发本征激发空穴、电子对空穴、电子对两种载流子：两种载流子：电子与空穴载流子电子与空穴载流子产生与复合产生与复合动态平衡动态平衡载流子浓度与载流子浓度与T有关有关图1.1.3本征激发现象模拟电子线路在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入少少量量的的杂杂质质，就就会会使使半半导体的导电性能发生显著的改变。导体的导电性能发生显著的改变。根根据据掺掺入入杂杂质质的的化化合合价价的的不不同同，杂杂质质半半导导体体分为分为:N型半导体和型半导体和P型半导体两大类型半导体两大类。一一N型半导体：型半导体：在在4价价硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的5价价杂杂质质元元素，如磷，锑，砷等。素，如磷，锑，砷等。1.1.2杂质半导体杂质半导体模拟电子线路施主杂质施主杂质、多数载流子（多子）、少数载流子（少子）、多数载流子（多子）、少数载流子（少子）、电子型半导体电子型半导体（a）（b）图1.1.4N型半导体（a）结构示意图（b）离子和载流子（不计本征激发）模拟电子线路受主杂质受主杂质、多子多子、少子少子、空穴型半导体空穴型半导体（a）（b）图1.1.5P型半导体（a）结构示意图（b）离子和载流子（不计本征激发）二二P型半导体：型半导体：在在4价硅或锗的晶体中掺入少量价硅或锗的晶体中掺入少量的的3价杂质元素，如硼，锡，铟等。价杂质元素，如硼，锡，铟等。模拟电子线路 N半导体、半导体、P半导体电中性半导体电中性 半导体的特性：半导体的特性：1、热敏性热敏性 2、掺杂性掺杂性 3、光敏性光敏性模拟电子线路1.2.1PN结及其单向导电性结及其单向导电性单单纯纯的的P型型或或N型型半半导导体体，仅仅仅仅是是导导电电能能力力增增强强了了，因因此此它它还还不不是是电电子子线线路路中中所所需需要要的的半半导导体体器器件件。若若在在一一块块本本征征半半导导体体上上，两两边边掺掺入入不不同同的的杂杂质质，使使一一边边成成为为P型型半半导导体体，另另一一边边成成为为N型型半半导导体体，则则在在两两种种半半导导体体的的交交界界面面附附近近形形成成一一层层很很薄薄的的特特殊殊导导电电层层PN结结。PN结结是是构构成成各各种种半半导体器件的基础导体器件的基础。第二节半导体二极管第二节半导体二极管模拟电子线路1.PN结的形成结的形成扩散运动、扩散运动、空间电荷区、耗尽层、漂移运动、漂移运动、动态平衡、内建电位差、势垒区或阻挡层（a）（b）图1.2.1PN结的形成（a）载流子的扩散运动（b）平衡状态下的PN结模拟电子线路2.PN结的单向导电性原理结的单向导电性原理偏置、偏置、正向偏置（正偏）、反向偏置（反偏）正向导通、反向截止正向导通、反向截止（a）（b）图1.2.2外加电压时的PN结（a）正偏（b）反偏模拟电子线路 PN PN结正偏时产生较大的正向电流结正偏时产生较大的正向电流PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。PNPN结反偏时产生较小的反向电流，结反偏时产生较小的反向电流，PNPN结处于截止状态。结处于截止状态。故故PNPN结具有单向导电性。结具有单向导电性。模拟电子线路1.2.2 半导体二极管及其基本特性半导体二极管及其基本特性（a）（b）图1.2.3二极管的结构和符号（a）结构示意图（b）符号一、一、二极管的结构与符号二极管的结构与符号模拟电子线路图1.2.4二极管的伏安特性曲线二、二极管（二、二极管（PN结）伏安特性结）伏安特性1、正向特性、正向特性、“死区死区”、导通电压或开启电压；、导通电压或开启电压；室温下，硅管的室温下，硅管的Uon0.5V，锗管的锗管的Uon0.1V。管压降：硅管管压降：硅管UD=0.60.8V，锗管锗管UD=0.10.3V模拟电子线路2反向击穿特性反向击穿特性反向特性、反向饱和电流、反向击穿电压。反向特性、反向饱和电流、反向击穿电压。电击穿：电击穿：雪崩击穿、齐纳击穿。热击穿热击穿需要特别指出的是，普通二极管的反向击穿电压较高，一般在几十伏到几百伏以上（高反压管可达几千伏）。普通二极管在实际应用中不允许工作在反向击穿区。模拟电子线路二极管的伏安特性方程：二极管的伏安特性方程：可近似用可近似用PN结的伏安特性方程来表示。理论研究表明，结的伏安特性方程来表示。理论研究表明，PN结两端电压结两端电压U与流过与流过PN结的电流结的电流I之间的关系为之间的关系为（1.2.1）Isat-反向饱和电流反向饱和电流UT=kT/q-温温度度电电压压当当量量，其其中中k为为玻玻耳耳兹兹曼曼常常数数，T为为绝绝对对温温度度，q为为电电子子电电量量。在在室室温温（27或或300K）时时UT26mV。模拟电子线路三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数1、最大整流电流、最大整流电流IF：指二极管长期工作时，允许通：指二极管长期工作时，允许通过管子的最大正向平均电流。过管子的最大正向平均电流。2、最高反向工作电压、最高反向工作电压UR：3、反向电流反向电流IR：指在室温下，在二极管两端加上：指在室温下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。规定的反向电压时，流过管子的反向电流。IR愈小单向导电性愈好。愈小单向导电性愈好。IR与温度有关（少子运动）与温度有关（少子运动）4、最高工作频率：最高工作频率：fM值主要决定于值主要决定于PN结结电容的结结电容的大小。结电容愈大，则大小。结电容愈大，则fM愈低。愈低。模拟电子线路图1.2.5稳压二极管的电路符号四四稳压二极管稳压二极管利用二极管的反向击穿特性，可将二极管做成一种特特殊二极管殊二极管稳压二极管稳压二极管。稳压二极管简称稳压管稳压二极管的电路符号如图1.2.5所示稳压二极管参数：稳定电压、稳定电流、动态电阻、额定功耗、稳定电压的温度系数。模拟电子线路五、五、二极管的分类及其选择二极管的分类及其选择1二极管的分类二极管的分类按材料的可分为锗管和硅管；按功能可分为开关管、整流管、稳压管、变容管、发光管和光电（敏）管等，普通二极管、特殊二极管；按工作电流可分为小电流管和大电流管；按耐压高低可分为低压管和高压管；按工作频率高低可分为低频管和高频管等。模拟电子线路2二极管的选择二极管的选择（1）要求导通电压低时选锗管；要求反向电流小时选硅管；要求击穿电压高时选硅管；要求工作频率高时选点接触型高频管；要求工作环境温度高时选硅管。（2）在修理电子设备时，如果发现二极管损坏，则用同型号的管子来替换。如果找不到同型号的管子则可改用其他型号二极管来代替，替代管子的极限参数IF、UR和 fM应不低于原管，且替代管子的材料类型（硅管或锗管）一般应和原管相同。模拟电子线路1电容效应电容效应二极管除了单向导电性外，还具有电容效应（PN结电容效应），即当其两端电压变化时，其存储的电荷也发生变化，因此就出现充、放电现象。按产生的原因不同分为势垒电容和扩散电容两种。（1）势垒电容Cb（2）扩散电容Cd结电容Cj为两者之和，即Cj=Cb+Cd 正偏时，Cb Cd，Cj主要由势垒电容决定。1.2.3 二极管的电容效应二极管的电容效应模拟电子线路2变容二极管变容二极管利用二极管的电容效应，可将二极管做成一种特殊二极管变容二极管，其电路符号如图1.2.9所示。主要用作可变电容可变电容（受电压控制）必须工作在反偏状态常用于高频电路中的电调谐电路。图1.2.6变容二极管的电路符号模拟电子线路1光敏特性与光敏二极管光敏特性与光敏二极管半导体具有光敏特性，光照越强，受激产生的电子空穴对的数量越多。普通二极管的外壳都是不透光的利用二极管的光敏特性，可制成一种特殊二极管光敏二极管。光敏二极管又称光电二极管，属于光电子器件。为了便于接受光照，光电二极管的管壳上有一个玻璃窗口，让光线透过窗口照射到PN结的光敏区。光电二极管的符号如图1.2.7（a）所示。1.2.4 二极管的光电效应二极管的光电效应模拟电子线路（a）（b）图1.2.7光电二极管的符号与光电特性的测量电路（a）符号（b）光电特性的测量电路模拟电子线路2发光二极管发光二极管发光二极管的符号与基本应用电路如图1.2.8所示。显然，发光二极管应工作在正偏状态，且当正向电流达到一定值时才能发出光。（a）（b）图1.2.8光电二极管的符号与发光特性的测量电路（a）符号（b）发光特性的测量电路模拟电子线路1.2.5二极管的温度特性二极管的温度特性半导体还具有热敏特性温度每升高1，正向压降减小22.5mV；温度每升高10，反向电流约增大一倍。二极管的反向特性受温度的影响较大二极管的反向特性受温度的影响较大温度对二极管的影响是不可避免的，因为温度总是存温度对二极管的影响是不可避免的，因为温度总是存在于器件中存在且经常变化的。在于器件中存在且经常变化的。模拟电子线路它有空穴和电子两种载流子参与导电，故称双极型。分为硅管和锗管；大、中、小功率管；高频管和低频管。半导体三极管（简称三极管）就是一种能将直流能量转化为交流能量的器件，这样的器件也称为有源器件。第三节、晶体三极管第三节、晶体三极管模拟电子线路半导体三极管又称为双极型三极管（BipolarJunctionTransistor，BJT）、晶体三极管，简称三极管，是最为常用的一种半导体器件。它是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。由于PN结之间的相互影响，使三极管表现出不同于二极管单个PN结的特性而具有电流放大作用，从而使PN结的应用发生了质的飞跃。本节将围绕三极管为什么具有电流放大作用这个核心问题，讨论三极管的结构、内部载流子的运动过程以及它的各极电流分配关系。模拟电子线路1.3.1三极管的结构与符号三极管的结构与符号实物演示实物演示各类三极管及其外形各类三极管及其外形三极管按结构可分为NPN和PNP两类。三极管的结构：（硅平面型、锗合金型）三个区：基区、发射区、集电区三个极：基极、发射极、集电极三个结：发射结、集电结模拟电子线路集电极集电结Jc发射结JeN基区P发射区P发射区cc发射极e基极b（a）结构示意图（b）符号1.3.2PNP型三极管（a）结构示意图（b）符号图1.3.1NPN型三极管集电结Jc发射结JeP基区N发射区N发射区集电极cc发射极e基极b模拟电子线路1.3.2三极管放大原理三极管放大原理1三极管的偏置三极管的偏置放大电路中的三极管都需要提供直流电源，并得到一个合适的偏置。模拟电子线路由于三极管有两个PN结，所以偏置的方式有四种：发射结正偏、集电极反偏；发射极反偏、集电结正偏；二结均正偏；二结均反偏。放大电路中的三极管的偏置应为发射结正偏、集电结反放大电路中的三极管的偏置应为发射结正偏、集电结反偏。偏。NPN型三极管，UCUBUE；PNP型三极管，UCUBUE。模拟电子线路（a）（b）图1.3.3三极管的直流供电电路之一（a）NPN型三极管的直流供电电路（b）PNP型三极管的直流供电电路模拟电子线路（a）（b）图1.3.4三极管的直流供电电路之二（a）NPN型三极管的直流供电电路（b）PNP型三极管的直流供电电路模拟电子线路图1.3.5NPN三极管内部载流子的运动2三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系模拟电子线路半导体三极管内有两种载流子参于导电，故称为双极型三极管（BJT）。图1.3.6 三极管的电流分配关系模拟电子线路由节点电流定律，有IE=ICN IBN （1.3.1a）IB=IBN ICBO （1.3.1b）IC=ICN ICBO （1.3.1c）由上述三式可得IE=IB IC （1.3.2）模拟电子线路定义（1.3.3a）称为共基极直流电流放大系数，其值一般在0.95至0.995之间；定义（1.3.3b）称为共发射极直流电流放大系数,其值一般在几十至几百之间。模拟电子线路由于ICBO一般很小，若忽略ICBO，则有IB IBN （13.4a）IC ICN （1.3.4b）IE =ICN IBN=IB IC （1.3.4c）（1.3.5a）（1.3.5b）模拟电子线路因此，（1.3.6）（1.3.7）且有(1.3.8a)(1.3.8b)模拟电子线路若考虑ICBO，则由式（1.3.1）、（1.3.2）和（1.3.3）得(1.3.9)上式第二项用ICEO表示，即于是通常称ICEO为穿透电流，或集电极.发射极间反向饱和电流。模拟电子线路管子各极的电流及方向如图2.1.7所示。PNP型管的各极电流方向与NPN型管相反，但电流分配关系完全相同。三极管三个电极的电流中，IB最小，IE最大，ICIE,即IEICIB。（a）（b）图1.3.7 三极管各极的电流及方向（a）NPN型（b）PNP型模拟电子线路1.3.3 三极管的共射特性曲线三极管的共射特性曲线采用共射接法的三极管的特性曲线称为共射特性曲线。采用共射接法的三极管的特性曲线称为共射特性曲线。三极管有三个电极，而且还有放大作用，所以它的特性曲线要比二极管复杂的多。常用的是输入特性曲线和输出特性曲线。图1.3.8测量三极管共射特性曲线的电路模拟电子线路输入特性曲线反映了三极管输入端的电流iB和电压uBE关系，输出特性曲线则反映了三极管输出端的电流iC和电压uCE的关系。1.共射输入特性曲线共射输入特性曲线三极管的共射输入特性曲线表示当管子的输出电压uCE为常数时，输入电流iB与输入电压uBE之间的关系曲线，即在一般情况下，当uCE较大（大于1V）时，三极管工作在正常放大状态，则uCE对iB的影响很小。因此，为使问题简单化，将只考虑保证uCE始终大于1V，但并不固定uCE为某一数值，其误差很小。模拟电子线路0.6图1.3.9共射输入特性曲线1V0.5VuCE=0V0.20.40.8020406080iB(mA)20uCE(V)图1.3.9为某硅NPN管的共射输入特性曲线模拟电子线路（1）uCE=0V时，相当于c、e极短路，这时三极管可以看为两个二极管的正向并联，因此uCE=0V的输入特性与二极管的正向特性相似，但更陡一些。（2）随着uCE的增大，曲线逐渐右移。这是因为随着uCE的增大，基区调宽效应使电子在基区与空穴的复合减少，在相同的uBE下iB减小，曲线右移。（3）uCE1V以后各条输入特性曲线密集在一起，几乎重合。由于在实际使用时，uCE一般总是大于1V的，因此通常只画出有用的uCE=1V的那条输入特性曲线。模拟电子线路(4)一般硅管的UBE0.7V，锗管的UBE0.2V。(5)输入特性是非线性的。总之，三极管的输入特性曲线与二极管的正向特性相似，因为b、e极间是正向偏置的PN结。模拟电子线路2共射输出特性曲线共射输出特性曲线共射组态时，三极管的输出电流iC不但取决于输出电压uCE，而且与输入电流iB有关。三极管的共射输出特性曲线表示当管子的输入电流iB为某一常数时，输出电流iC与输出电压uCE之间的关系曲线，即模拟电子线路图1.3.10共射输出特性曲线i放大区uCE=uBEiBICEO iC(mA)u CE(V)02468101024680iB=140A120A100A80A60A40A20A截止区饱和区20图图1.3.10为某硅为某硅NPN三极管的共射输出特性曲线三极管的共射输出特性曲线模拟电子线路（1）曲线起始部分较陡，且不同iB曲线的上升部分几乎重合。这表明uCE很小时，uCE略有增大，iC就很快增加，但iC几乎不受iB的影响。（2）当uCE较大（如大于1V）后，曲线比较平坦，但略有上翘。（3）输出特性是非线性的。由共射输出特性曲线，可以把三极管的工作状态分为三个区域：截止区截止区、放大区、饱和区放大区、饱和区模拟电子线路（1）截止区截止区通常把iB=0（此时iC=iE=ICEO）的输出特性曲线以下的区域称为截止区。截止区的特点是各极电流均很小（接近或等于零），此时发射结和集电结均反偏，三极管失去放大作用且呈高阻状态，e、b、c极之间近似看作开路。模拟电子线路（2）放大区放大区放大区指iB0和uCEuBE的区域，粗略看来就是图2.5.4中曲线的平坦部分。在放大区，发射结正偏，集电结反偏。此时由于iCiB，则iC随时iB而变化，即iC受控于iB（受控特性）；同时iC与uCE基本无关，即iC对uCE而言可近似看成恒流（恒流特性）。由于iCiB，所以三极管有电流放大的作用。曲线间的间隔大小反映出的大小，即管子的电流放大能力。三极管只有工作在放大区才有放大作用。由于iC受控于iB，所以三极管是一种电流控制型器件电流控制型器件。模拟电子线路（3）饱和区饱和区饱和区指uCEuBE的区域，大致是图2.5.4中曲线靠近纵轴的区域。在饱和区，发射结和集电结均正偏，三极管也失去放大作用，iC=iB不再成立。这时，iC随uCE而变化，却几乎不受iB控制，即：当uCE一定时，即使iB增加，iC却几乎不变，这就是饱和现象。由于三极管饱和时，各极之间电压很小，而电流却较大，呈现低阻状态，故各极之间可近似看成短路。模拟电子线路饱和时的uCE称饱和压降，用UCE（sat）表示。小功率硅管UCE（sat）0.3V；小功率锗管UCE（sat）0.1V；大功率硅管UCE（sat）1V。uCE=uBE（即uCB=0，集电结零偏）时的状态称临界饱和，见图1.3.10中的虚线，此线称临界饱和线。临界饱和线是饱和区和放大区的分界线，该线左方区域的uCEuBE（或uCB0），称为过饱和。应当指出，当uCE增大到某一值时，iC将急剧增加，这时三极管发生击穿，击穿电压随iB的增加而减小。（未画）PNP型管的特性曲线是“倒置”的。模拟电子线路