清华大学模电4版华成英课件第一章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2012/9/29,#,模拟电子技术基础,清华大学 华成英,绪 论,一、电子技术的发展,二、模拟信号与模拟电路,三、电子信息系统的组成,四、模拟电子技术基础课的特点,五、如何学习这门课程,六、课程的目的,七、考查方法,一、电子技术的发展,电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之,“,无孔不入,”,，应用广泛！,广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机,网络：路由器、,ATM,交换机、收发器、调制解调器,工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床,交通：飞机、火车、轮船、汽车,军事：雷达、电子导航,航空航天：卫星定位、监测,医学：,刀、,CT,、,B,超、微创手术,消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统,电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管半导体管集成电路,1904,年,电子管问世,1947,年,晶体管诞生,1958,年集成电路研制成功,电子管、晶体管、集成电路比较,半导体元器件的发展,1947,年 贝尔实验室制成第一只晶体管,1958,年 集成电路,1969,年 大规模集成电路,1975,年 超大规模集成电路,第一片集成电路只有,4,个晶体管，而,2019,年一片集成电路中有,40,亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按,10,倍,/6,年的速度增长，到,2019,或,2020,年达到饱和。,学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！,第一只晶体管的发明者,（,by John Bardeen,William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab,）,第一个集成电路及其发明者,（,Jack Kilby from TI,）,1958,年,9,月,12,日，在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。,42,年以后，,2000,年获诺贝尔物理学奖。“为现代信息技术奠定了基础”。,他们在,1947,年,11,月底发明了晶体管，并在,12,月,16,日正式宣布“晶体管”诞生。,1956,年获诺贝尔物理学奖。,巴因,所做的超导研究于,1972,年第二次获得诺贝尔物理学奖。,值得纪念的几位科学家！,二、模拟信号与模拟电路,1.,电子电路中信号的分类,数字信号,：离散性,模拟信号：连续性。,大多数物理量为模拟信号。,2.,模拟电路,模拟电路,是对模拟信号进行处理的电路。,最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。,其它模拟电路多以放大电路为基础。,“1”,的电压当量,“1”,的倍数,介于,K,与,K,+1,之间时需根据阈值确定为,K,或,K,+1,任何瞬间的任何值均是有意义的,三、电子信息系统的组成,模拟电子电路,数字电子电路（系统）,传感器接收器,隔离、滤波、放大,运算、转换、比较,功放,模拟,-,数字混合电子电路,模拟电子系统,执行机构,四、模拟电子技术基础课的特点,1,、,工程性,实际工程需要证明其可行性。,强调定性分析。,实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存,在一定的误差范围的。,定量分析为,“,估算,”,。,近似分析要,“,合理,”,。,抓主要矛盾和矛盾的主要方面。,电子电路归根结底是电路。,不同条件下构造不同模型。,2.,实践性,常用电子仪器的使用方法,电子电路的测试方法,故障的判断与排除方法,EDA,软件的应用方法,五、如何学习这门课程,1.,掌握,基本概念、基本电路和基本分析方法,基本概念：,概念是不变的，应用是灵活的，,“,万变不离其宗,”,。,基本电路：,构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。,基本分析方法：,不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。,2.,注意定性分析和近似分析的重要性,3.,学会辩证、全面地分析电子电路中的问题,根据需求，最适用的电路才是最好的电路。,要研究利弊关系，通常,“,有一利必有一弊,”,。,4.,注意电路中常用定理在电子电路中的应用,六、课程的目的,1.,掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。,2.,具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。,本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。,注重培养系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识，学习科学的思维方法。提倡快乐学习！,清华大学 华成英 hchyatsinghua.edu,七、考查方法,1.,会看：读图，定性分析,2.,会算：定量计算,考查分析问题的能力,3.,会选：电路形式、器件、参数,4.,会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、,EDA,考查解决问题的能力设计能力,考查解决问题的能力实践能力,综合应用所学知识的能力,第一章 半导体二极管和三极管,第一章 半导体二极管和三极管,1.1,半导体基础知识,1.2,半导体二极管,1.3,晶体三极管,1,半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、,PN,结的形成及其单向导电性,四、,PN,结的电容效应,一、,本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1,、什么是半导体？什么是本征半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体硅（,Si,）、锗（,Ge,），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,无杂质,稳定的结构,2,、本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,动态平衡,两种载流子,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？,3,、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。,热力学温度,0K,时不导电。,二、杂质半导体,1.,N,型半导体,磷（,P,）,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,多数载流子,空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,2.,P,型半导体,硼（,B,）,多数载流子,P,型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,三、,PN,结的形成及其单向导电性,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,扩散运动,P,区空穴浓度远高于,N,区。,N,区自由电子浓度远高于,P,区。,扩散运动使靠近接触面,P,区的空穴浓度降低、靠近接触面,N,区的自由电子浓度降低，产生内电场。,PN,结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了,PN,结。,漂移运动,由于扩散运动使,P,区与,N,区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从,N,区向,P,区、自由电子从,P,区向,N,区运动。,PN,结加正向电压导通：,耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，,PN,结处于导通状态。,PN,结加反向电压截止：,耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,PN,结的单向导电性,必要吗？,清华大学 华成英 hchyatsinghua.edu,四、,PN,结的电容效应,1.,势垒电容,PN,结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容,C,b,。,2.,扩散电容,PN,结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容,C,d,。,结电容：,结电容不是常量！若,PN,结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,问题,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？,为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？,为什么半导体器件有最高工作频率？,2,半导体二极管,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,五、稳压二极管,一、二极管的组成,将,PN,结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压,二极管,发光,二极管,一、二极管的组成,点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。,面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。,二、二极管的伏安特性及电流方程,材料,开启电压,导通电压,反向饱和电流,硅,Si,0.5V,0.50.8V,1,A,以下,锗,Ge,0.1V,0.10.3V,几十,A,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的,电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,利用,Multisim,测试二极管伏安特性,从二极管的伏安特性可以反映出：,1.,单向导电性,2.,伏安特性受温度影响,T,（）在电流不变情况下管压降,u,反向饱和电流,I,S,，,U,(BR),T,（）正向特性左移,，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大,1,倍,/10,三、二极管的等效电路,理想,二极管,近似分析中最常用,理想开关,导通时,U,D,0,截止时,I,S,0,导通时,U,D,U,on,截止时,I,S,0,导通时,i,与,u,成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1.,将伏安特性折线化,？,100V,？,5V,？,1V,？,2.,微变等效电路,Q,越高，,r,d,越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,u,i,=0,时直流电源作用,小信号作用,静态电流,四、二极管的主要参数,最大整流电流,I,F,：最大平均值,最大反向工作电压,U,R,：最大瞬时值,反向电流,I,R,：即,I,S,最高工作频率,f,M,：因,PN,结有电容效应,第四版,P20,讨论：,解决两个问题,如何判断二极管的工作状态？,什么情况下应选用二极管的什么等效电路？,u,D,=,V,iR,Q,I,D,U,D,V,与,u,D,可比，则需图解：,实测特性,对,V,和,U,i,二极管,的模型有什么不同？,五、稳压二极管,1.,伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个,PN,结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2.,主要参数,稳定电压,U,Z,、稳定电流,I,Z,最大功耗,P,ZM,I,ZM,U,Z,动态电阻,r,z,U,Z,/,I,Z,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻,斜率？,1.3,晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,一、晶体管的结构和符号,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个,PN,结。,小功率管,中功率管,大功率管,为什么有孔？,二、晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流,I,E,，复合运动形成基极电流,I,B,，漂移运动形成集电极电流,I,C,。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配：,I,E,I,B,I,C,I,E,扩散运动形成的电流,I,B,复合运动形成的电流,I,C,漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,为什么,U,CE,增大曲线右移？,对于小功率晶体管，,U,CE,大于,1V,的一条输入特性曲线可以取代,U,CE,大于,1V,的所有输入特性曲线。,为什么像,PN,结的伏安特性？,为什么,U,CE,增大到一定值曲线右移就不明显了？,1.,输入特性,2.,输出特性,是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下,?,对应于一个,I,B,就有一条,i,C,随,u,CE,变化的曲线。,为什么,u,CE,较小时,i,C,随,u,CE,变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流,i,C,几乎仅仅决定于输入回路的电流,i,B,，即可将输出回路等效为电流,i,B,控制的电流源,i,C,。,状态,u,BE,i,C,u,CE,截止,U,on,I,CEO,V,CC,放大,U,on,i,B,u,BE,饱和,U,on,i,B,u,BE,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,直流参数,：、,I,CBO,、,I,CEO,c-e,间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，,P,CM,i,C,u,CE,安全工作区,交流参数：,、,、,f,T,（使,1,的信号频率）,极限参数,：,I,CM,、,P,CM,、,U,（,BR,）,CEO,清华大学 华成英 hchyatsinghua.edu,讨论一,由图示特性求出,P,CM,、,I,CM,、,U,（,BR,）,CEO,、,。,2.7,u,CE,=1V,时的,i,C,就是,I,CM,U,（,BR,）,CEO,讨论二：,利用,Multisim,测试晶体管的输出特性,利用,Multisim,分析图示电路在,V2,小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。,讨论三,以,V2,作为输入、以节点,1,作为输出，采用直流扫描的方法可得！,约小于,0.5V,时截止,约大于,1V,时饱和,描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。,