1課程的性質與任務

性質

普通高等院校電類專業的一門學科基礎課，為后繼專業課程學習以及電子技術在專業中的應用打下基礎。任務

使學生掌握模擬電子技術方面的基本理論（電子電路的基本分析方法）、基本知識（常用電子器件和電子電路的性能以及主要應用）和基本技能（電子測試技術、電子電路的分析計算能力和識圖能力）。2模擬電子技術基礎電子器件及基本應用第一章晶體二極管工作原理及應用第二章晶體三極管及基本放大器第三章場效應管及其應用基本功能電路第四章負反饋放大器第五章振蕩電路第六章電流源電路第七章差分放大電路第八章功率放大電路模擬集成電路第九章運算放大器第十章集成穩壓電路第十一章在系統可編程模擬器件教材知識體系3

本課程是屬于技術基礎性質的課程，它與《大學物理》、《電路》等基礎理論課程相比，更接近工程實際。課程的特點和學習方法

4

課程安排：

共計3學分，其中：理論課占2.5學分實驗課占0.5學分考核方法：

閉卷考試

總評成績=平時成績20%+實驗成績10%+考試成績70%課程安排和考核方法

5第一章 晶體二極管工作原理及應用1.1引言1.2半導體物理知識1.3PN結1.4實際二極管的伏安特性1.5二極管的模型、參數、分析方法及基本應用1.6其它類型的二極管61.1引言P

N正極負極PN結外殼正極負極（a）二極管結構示意圖（b）二極管的電路符號71.2半導體物理知識1.2.1概述1.2.2

本征半導體

雜質半導體1.2.4載流子的運動81.2.1概述導體：電阻率小于10-3Ω.cm，很容易導電，稱為導體.如銅、鋁、銀等金屬材料；絕緣體：電阻率大于109Ω.cm，很難導電，稱為絕緣體，如塑料、橡膠、陶瓷等材料；半導體：電阻率在10-3~109Ω.cm，導電能力介于導體和絕緣體之間，例如硅(Si)和鍺(Ge)等半導體材料；9半導體材料制作電子器件的原因?不是因為它的導電能力介于導體和絕緣體之間，而是在于半導體材料具有熱敏性、光敏性和摻雜性。10半導體材料制作電子器件的原因?1、熱敏性：是半導體的導電能力隨著溫度的升高而迅速增加，例如純凈鍺從20℃升高到30℃時，電阻率下降為原來的1/2；2、光敏性：半導體的導電能力隨光照的變化有顯著改變的特性；例如硫化鎘薄膜在暗處：電阻為幾十MΩ。光照：電阻下降為幾十KΩ3、摻雜性：是半導體導電能力因摻入適量的雜質而發生很大的變化，例如在半導體硅中，只要摻入億分之一的硼雜質，電阻率下降到原來的幾萬分之一，利用這一特性，可以制造出不同性能不同用途的半導體器件。11+4+14284+3228184硅(鍺)的原子結構硅鍺硅(鍺)的原子結構簡化模型SiGe121.2.2本征半導體1、本征半導體：純凈的半導體單晶。原子按一定的規則整齊排列、結構完整。硅(鍺)的晶體結構13+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵1.2.2本征半導體A．硅原子電子數為14，最外層電子為四個，是四價元素B、硅原子結合方式是共價鍵結合：(i)每個價電子都要受到相鄰兩個原子核的束縛;(ii)半導體的價電子既不象導體的價電子那樣容易掙脫成為自由電子，也不象絕緣體中被束縛，所以其導電能力介于導體與絕緣體之間本征半導體的原子結構—共價鍵結合，以硅原子（T=0K）為例。14+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵2、本征激發和兩種載流子空穴自由電子空穴A、本征激發—

電子、空穴對的產生B、價電子填充空穴的運動C、空穴是可以移動的，其實是共價鍵的電子依次填補空穴，形成空穴的移動153、復合(1)復合：自由電子跳進空穴，并釋放出能量的現象。(2)當溫度一定時，激發和復合達到動態平衡，空穴濃度和自由電子濃度相等，而且是一個定值。(3)本征載流子濃度：本征半導體單位體積內的載流子數量。電子空穴對成對消失---本征激發現象的逆過程本征半導體中電子的濃度本征半導體中空穴的濃度與半導體材料有關的常數，Si：Ge：0K時半導體材料的帶隙能量。Si：1.207eVGe：0.785eV玻耳茲曼常數，k=8.63eV/K16例1.1.1計算在室溫270C（300K）時硅和鍺的本征載流子濃度。解：Si：

Ge：結論：相同溫度下。Ge的導電能力比Si強。17本征激發小結本征半導體中的電子和空穴是成對產生的，因此本征半導體還是電中性的。自由電子在晶格中運動；空穴在共價鍵內運動。溫度一定時激發和復合達到動態平衡，即溫度一定時半導體材料中的載流子濃度是一定的。溫度升高時半導體材料中的載流子濃度就增大，導電能力增強。因此本征半導體可以制成熱敏元件或光敏元件。181.2.3雜質半導體在室溫270C時，Si的本征載流子濃度為1.5×1010cm-3,原子密度為2.4×1022cm-3。只有三萬億分一的原子由于本征激發產生了電子-空穴對。結論：本征半導體導電能力很弱！為了提高半導體的導電能力，并且人為控制半導體材料的導電性，可以采用摻雜技術。摻雜：將半導體材料中摻入一定量的雜質元素，這樣的半導體稱為雜質半導體。雜質半導體可可分為：N型半導體和P型半導體摻雜要求：1.雜質元素的濃度要遠大于本征載流子濃度；

2.雜質元素的濃度又要遠小于材料的原子密度。

19+4+4+4+5+4+4磷原子空穴是少子電子是多子硅原子多數載流子電子少數載流子空穴N型半導體簡化模型1、N型半導體（N-typeSemiconductor）A、在四價的本征硅中摻入微量的五價元素（如磷、砷）。B、磷原子失去一個電子自身成不能移動的帶正電荷的離子，稱為施主雜質。摻入一個磷原子就提供一個自由電子。C、N型半導體中,電子是多子,空穴是少子D、整塊的半導體仍為中性多子（自由電子）濃度≈施主雜質摻雜濃度根據半導體物理中的熱平衡條件：少子（空穴）濃度：20A、在四價的本征硅中摻入微量的3價硼B、硼原子在共價鍵留下一個空位，相鄰硅原子中的價電子容易移過來填補個空位。硼原子接受一個電子，成為帶負電的離子，稱受主雜質；在相鄰硅共價鍵中產生一個帶正電的空穴C、P型半導體中：空穴是多子；電子是少子D、整塊的半導體仍為中性+4+4+4+3+4+42、P型半導體（P-typeSemiconductor）硅原子硼原子空穴是多子電子是少子多子（空穴）濃度≈受主雜質摻雜濃度根據半導體物理中的熱平衡條件：少子（自由電子）濃度：P型半導體簡化模型多數載流子少數載流子21雜質半導體小結雜質半導體有兩類：一類是N型半導體，另一類是P型半導體。雜質半導體摻雜濃度要遠大于對應的本征載流子濃度，又要遠小于半導體的原子密度。本征半導體中摻入5價元素（施主雜質）就形成N形半導體，N型半導體的多子是電子，少子是空穴；當本征半導體中摻入3價元素（受主雜質）就形成P型半導體，P型半導體的多子是空穴，少子是電子。22雜質半導體小結在一定的溫度范圍內，雜質半導體中的多子濃度近似等于摻雜濃度，幾乎和溫度無關；少子濃度是對應溫度下的本征載流子濃度的平方除以摻雜濃度，并隨溫度的升高而增加。當溫度過高時，本征載流子濃度可能會高于摻雜濃度，此時的半導體具有本征半導體的特性了。23半導體中的電子和空穴有兩種運動形式。

1、載流子的漂移運動：載流子在外加電場的作用下而產生的運動。

2、載流子的擴散運動：由于濃度差而引起的載流子的運動。1.2.4載流子的運動24I

IPIN空穴電流電子電流外電路電流本征半導體中載流子的飄移運動示意圖

半導體中兩種載流子：帶正電荷的空穴帶負電荷的自由電子外電場它們在外電場的作用下，會出現定向運動本征半導體1、載流子的漂移運動252、載流子的擴散運動N注入空穴擴散電流26漂移運動和擴散運動小結載流子有兩種運動：漂移運動和擴散運動。在電場的作用下，載流子的運動為漂移運動，載流子的漂移運動產生漂移電流。在濃度差的作用下，載流子的運動稱為擴散運動，載流子的擴散運動產生擴散電流。271.3PN結1.3.1概述1.3.2熱平衡情況下的PN結1.3.3PN結的伏安特性1.3.4PN結的電容特性28

熱平衡情況下的PN結P型區N型區內建電場

PN結(2)隨著內電場由弱到強的建立,少子漂移從無到有,逐漸加強,而擴散運動逐漸減弱,

形成平衡的PN結。(1)多子的擴散運動產生空間電荷區建立內電場1、PN結(PNJunction)的形成多子的擴散多子的擴散動畫演示291.3.2熱平衡情況下的PN結2、內建電位差或內建電壓：熱平衡情況下，PN結的寬度一定，在PN結兩端存在的電壓。P型區內建電場

PN結溫度的電壓當量。室溫下VT=26mV30PN結的伏安特性伏安特性：PN結的電流和加在它兩端的電壓的關系。1.PN結的正向特性(forwardbias外加正向電壓)2.PN結的反向特性(reversebias外加反向電壓)311、PN結的正向特性

P

N內電場外電場正向電流IFIF=I多子I少子

I多子A、正向偏壓的接法：P區接高電位，N區接低電位B、正向偏壓削弱內電場，有利多子的擴散運動，使PN結空間電荷區變窄；C、正向偏壓時，PN結為導通狀態，外電路電流IF很大，PN結呈現的正向電阻很小限流電阻RUI多子PN結為導通狀態動畫演示32D、反向偏壓PN結為截止狀態，外電路電流接近為O，PN結呈現的反向電阻很大

P

N內電場IR=I少子

0反向電流IRA、反向偏壓的接法：P區接低電位，N區接高電位B、反向偏壓內電場增強，不利多子擴散運動，有利于少子的漂移運動，形成反向電流IR，IR很小，硅管為納安數量級，鍺管為微安數量級。限流電阻R外電場UI少子PN結為截止狀態2、PN結的反向特性C、反向偏壓，使PN結空間電荷區變寬。D、反向偏壓PN結為截止狀態，外電路電流接近為O，PN結呈現的反向電阻很大333、PN結的伏安特性表達式PN結的反向飽和電流(1)當所加正向電壓V遠大于VT（>0.1V）時，(2)當所加正向電壓V遠小于VT（<-0.1V）時，34IS擊穿電壓UBRPN結的伏安特性硅PN結4、PN結的擊穿硅PN結鍺PN結死區電壓IF/mA正向電流104030200.20.60.41.00.8UF/VUR/VIR/A反向電流反向電壓正向電壓A、正向特性—加正向偏壓UFA、UF較小時，IF較小

B、UF大于死區電壓時，IF迅速增加，并按指數規律上升。如圖中A段所示

C、當正向電流變化很大時，PN結兩端電壓幾乎不變，硅PN結約0.6~0.7V，鍺PN結約0.2~0.3V，分別作為正向工作時兩端直流壓降的估算值。B、反向特性——加反向偏壓URA、反向電流IR是少子漂移運動引起，所以數量小，幾乎不變，又稱為反向飽和電流IS。

B、當溫度升高，IS增加

C、硅PN結IS小于1uA，鍺PN結為幾十到幾百uA。C、擊穿特性——

當UR繼續增大，并超過某一個特定電壓值時，IR將急劇增大，這種現象稱為擊穿，這時對應的電壓叫擊穿電壓UBR。鍺PN結351、反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿2、反向擊穿原因：

齊納擊穿：(Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。

(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?！狿N結未損壞，斷電即恢復。—PN結燒毀。(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。第1章半導體二極管4、PN結的擊穿36IF/mA0.20.60.40.8UF/VT

升高時，Uth以(22.5)mV/C

下降,輸入曲線左移當溫度升高10C時，Is增加一倍IR/AUth半導體具有熱敏性，溫度變化,使二極管參數發生變化，使二極管工作不穩定。IF/A5、PN結的溫度特性37PN結的電容特性若PN結兩端加上隨時間變化的電壓時，PN結還會顯示出電容特性，PN結電容有兩種類型：一種稱為勢壘電容，用CB表示；另一種稱為擴散電容，用CD表示。38PN結小結當溫度一定時，PN結處于動態平衡，多子的擴散等于少子的漂移數量，因此空間電荷區寬度一定，內建電位差為一個定值，當溫度升高時，VB下降。PN結的伏安特性是非線性的，它的表達式為：

PN結加正向電壓時，IF和V近似成指數關系

PN結加反向電壓時，反向電流和反向電壓無關。當PN上的反響電壓大于VBR時，PN結擊穿。PN結的擊穿特性可以用來穩壓。39PN結小結當溫度升高時，PN結伏安特性曲線的正向特性向左移；反向飽和電流IS增大；擊穿電壓VBR可能是負溫度系數（對應齊納擊穿），也可能是正溫度系數（對應雪崩擊穿）。PN電容Cj=CB+CD，當PN結加正向電壓時，以擴散電容CD為主，即Cj≈CD；當PN結加反向電壓時，以勢壘電容CB為主，即Cj=CB。

401.4

實際二極管的伏安特性IF/mA正向電流104030200.20.60.41.00.8UF/VUR/VIR/A反向電流反向電壓正向電壓IS擊穿電壓UBR411.5

二極管的模型、參數、分析方法及基本應用1.5.1概述1.5.2二極管的開關模型及應用1.5.3二極管的恒壓模型及應用1.5.4二極管的小信號模型1.5.5二極管電路的分析方法1.5.6二極管的主要參數421.5.1緒論ivQ1Q2V1I1V2I2直流電阻：交流電阻：431、UD≥0時，二極管正向導通，管壓降為0，即UF=0，視二極管為短路；2、UD＜0時，二極管反向截止，電流為0，即IF=0，視二極管為開路。UFIF二極管的開關模型1.5.2二極管的開關模型及應用導通截止441、UD≥0.7V時，二極管正向導通，管壓降為0.7V，即UF=0.7V，視二極管為短路；2、UD＜0.7時，二極管反向截止，電流為0，即IF=0，視二極管為開路。UFIF二極管的恒壓模型1.5.2二極管的恒壓模型及應用導通截止45

二極管電路分析舉例

定性分析：判斷二極管的工作狀態導通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止

若二極管是理想的，正向導通時正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。46電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。

在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–47兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB

在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–48ui>8V，二極管導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償等。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––491、整流應用利用二極管單向導電性把大小和方向都變化的正弦交流電變為單向脈動的直流電。2、限幅應用利用二極管單向導性，將輸出電壓限定在要求的范圍之內，稱為限幅。二極管的應用50UiUott截止