电子技术基础——模拟部分 主讲 申春.

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1 电子技术基础——模拟部分 主讲 申春

2 1、电子系统与信号 电子系统:是由若干相互联接、相互作用的基本电路 组成的具有特定功能的电路整体。
信号：是信息的载体。自然界的各种物理量必须先 经过传感器转换为电信号再送入电子系统中加以处理。 例如：气候信息就包含温度、气压、风速等信号。 模拟信号:在时间上和幅值上均连续的信号。 数字信号:时间和数值上都是离散的信号。

3 电压放大和功率放大 声音 音频放大器 传声器 传输导线 扬声器 模拟信号 例： 扩音系统

4 第一章 半导体二极管 1.1 半导体的基本知识 1.2 PN结的形成及特性 ※1.3 半导体二极管结构与特性
※1.4 二极管基本电路及其分析方法 1.5 特殊二极管

5 si 1.1 半导体的基本知识 一、 半导体材料 Ge 在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。
硅原子 Ge 锗原子 +4 硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。

6 二、 本征半导体 本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 %，常称为“九个9”。 本征半导体的共价键结构 束缚电子 在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。

7 +4 当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。 空穴 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。 自由电子 这一现象称为本征激发，也称热激发。

8 +4 可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。 与本征激发相反的现象——复合
自由电子 +4 空穴 可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。 与本征激发相反的现象——复合 在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。 常温300K时： 电子空穴对的浓度 硅： 锗： 电子空穴对

9 E 导电机制 自由电子 带负电荷 电子流 载流子 空穴 带正电荷 空穴流 +4 ＋ － 本征半导体的导电性取决于外加能量：
自由电子 带负电荷 电子流 载流子 空穴 带正电荷 空穴流 本征半导体的导电性取决于外加能量： 温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。

10 二. 杂质半导体 1. N型半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。

11 N型半导体---电子型半导体 多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴 N型半导体 + 硅原子 电子空穴对 自由电子 多余电子 磷原子
施主离子 多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴

12 2. P型半导体 多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子 +3 +3 +4 +4 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
电子空穴对 硅原子 空穴 － P型半导体 空穴 硼原子 受主离子 多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子

13 杂质半导体的示意图 N型半导体 + 多子—电子 多子—空穴 P型半导体 － 少子—电子 少子—空穴 少子浓度——与温度有关，本征激发产生
多子浓度——与温度无关，由掺杂杂质产生

14 1.2 PN结及其单向导电性 1 . 载流子的漂移和扩散 漂移：由于电场的作用导致载流子的运动，形成漂移电流
扩散：由于载流子的浓度差异，载流子由高浓度区域向低浓度区域扩散，形成扩散电流。

15 2 . PN结的形成 PN结合 因多子浓度差 多子的扩散 空间电荷区 形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移。 内电场E
耗尽层 多子扩散电流 少子漂移电流

16 耗尽层 动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流 总电流＝0
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 多子扩散 少子飘移 又失去多子，耗尽层宽，E 内电场E 多子扩散电流 少子漂移电流 耗尽层 动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流 总电流＝0

17 3. PN结的单向导电性 外电场的方向与内电场方向相反。 (1) 加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区 外电场削弱内电场
→耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动 →多子扩散形成正向电流I F 正向电流

18 (2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动 →少子漂移形成反向电流I R(10-8至10-14A) P N 在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

19 PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；

20 4. PN结的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图 IF（多子扩散） 反向饱和电流 正偏 反向击穿电压 反偏
IR（少子漂移） 电击穿——可逆。分为雪崩击穿和齐纳击穿两种 热击穿——烧坏PN结

21 ) 1 (e - = I i I i » 1 e << 1 e >> u nV S S 根据理论分析：
T S - = nV u I i 根据理论分析： u 为PN结两端的电压降 i 为流过PN结的电流 当 u> u>>VT时 1 e T >> nV u S I i IS 为反向饱和电流 n为发射系数，值1~2之间 VT称为温度的电压当量 当 u< |u|>>|U T |时 1 e T << nV u 对于室温（相当T=300 K） 则有VT=26 mV。

22 本征半导体，本征激发，载流子（空穴、电子） P型半导体，N型半导体，多子，少子 2、PN结的形成 载流子的漂移及扩散 PN结的形成
总结： 1、半导体的基本知识 本征半导体，本征激发，载流子（空穴、电子） P型半导体，N型半导体，多子，少子 2、PN结的形成 载流子的漂移及扩散 PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的V-I 特性

23 1.3 半导体二极管 二极管 = PN结 + 管壳 + 引线 1 结构 N P 阳极 + 阴极 - 符号

24 二极管按结构分两大类： PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。 但不能承受高的反向电压和 大电流 (1) 点接触型二极管

25 (2) 面接触型二极管` PN结面积大，可以 承受比较大的工作电流， 反向击穿电压高，用于 低频大电流整流电路。 正极引线 铝合金小球
(2) 面接触型二极管` 负极引线 正极引线 N型硅 PN结 铝合金小球 底座

26 1.3.2 二极管的 V—I 特性 (1) 正向特性 实验曲线 i u E (2) 反向特性 i 硅：0.5 V u E 锗 击穿电压UBR
(1) 正向特性 实验曲线 锗 u E i V mA 击穿电压UBR 反向饱和电流 导通压降 硅：0.7 V 锗：0.3V (2) 反向特性 死区 电压 u E i V uA 硅：0.5 V 锗： 0.1 V

27 3 二极管的主要参数 (2) 反向击穿电压UBR———
3 二极管的主要参数 二极管长期连续工 作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。 (1) 最大整流电流IF—— 二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压UBR。 (2) 反向击穿电压UBR——— (3) 反向电流IR—— 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。 (4) 最高工作频率fM: 由于PN结存在结电容,当频率升高到一定值时,二极管失去单向导电性.

28 1.4 二极管的基本电路及分析方法 一、简单二极管电路的图解分析方法 i R + 1kΩ E vD 10V – 端口左边为线性器件
1.4 二极管的基本电路及分析方法 一、简单二极管电路的图解分析方法 端口左边为线性器件 i = ( E–vD)/ R 端口右边为非线性器件 i vD i R i vD E E /R + 1kΩ E vD 10V – i vD 图解分析 Q

29 二、二极管的简化模型分析方法 - 1.理想二极管模型 二极管的V—A特性 2.恒压降模型（串联电压源模型） i u i u 正偏 反偏
导通压降 二极管的V—A特性 - + i u 2.恒压降模型（串联电压源模型） D i u U D U U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。

30 U th 二极管的门坎电压。硅管 0.5V；锗管 0.1V。
3.折线模型 u≥Uth u<Uth + - u i th U rD i u Uth th U rD=200W 导通压降 二极管的V—A特性 - + i u U th 二极管的门坎电压。硅管 0.5V；锗管 0.1V。 rD=(0.7V-0.5V)/1mA=200W D U 2.恒压降模型（串联电压源模型） U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。 i u 如果信号在静态工作Q（v=VD,i=ID）附近工作，可以把与Q点处相切直线的斜率的倒数作用微变电阻rD rD= △uD / △iD≈VT/ID=26(mV)/ ID 4.小信号模型 i u Q △iD △uD rD △iD + - △uD

31 二极管的近似分析计算 R 10kΩ 相对误差 例1： E R I 10V 10kΩ E I R 10V 10kΩ E 相对误差 I 0.7V
mA 1 K 10 V = W I 相对误差 7 100 0.932 d × ≈ R I 10V E 10kΩ 理想二极管模型 例1： I R 10V E 10kΩ I R 10V E 10kΩ 0.7V mA 0.93 V ) 7 . 10 ( = 10KW - I 相对误差 0.2 100 0.932 d × ≈ 恒压降模型 测量值 mA 0.5V I R 10V E 10kΩ rD =200W d mA 0.931 V ) 5 . 10 ( ≈ 10.2KW - = I 相对误差 0.1 100 0.932 × 折线模型

32 1.4.2 二极管应用的典型电路 1.限幅电路:能把输出电压限制在一定幅值内的电路。 ui 采用恒压降模型 UREF = 2V uo 4V
二极管应用的典型电路 1.限幅电路:能把输出电压限制在一定幅值内的电路。 ui 采用恒压降模型 UREF = 2V 4V 2.7V t -4V uo 2.7V t

33 2.整流电路：将交流电压转变成单向直流电压的电路
vi 采用理想模型 t vi + + vi vo t - -

34 该电路是“与”门电路。完成了“与”的逻辑关系
3.开关电路: 利用二极管的单向导电性，可以接通或断开 电路。 采用理想模型 VCC +5V vi1 vo vi2 该电路是“与”门电路。完成了“与”的逻辑关系

35 例: 电路如图（a）所示，其输入电压vi1和vi2的波形如图（b）所示，设二极管为理想二极管。试画出输出电压vo的波形。

36 例:电路如图所示，设ui=10sinωt ，二极管使用恒压降模型（0.7V），试画出输出电压uo的波形。

37 例:在0 ≤ t ≤ 10ms时间内，电路输入vi(t)波形如图所示。分别绘出以下两图电路的输出电压Vo(t)的波形。 设二极管是理想的。

38 1.5 特殊二极管

39 当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数
稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管 ＋ UZ － 限流电阻 反偏电压≥UZ 反向击穿 稳定电压 正向同二极管 当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数

40 【例1.4】由稳压管可以组成稳压限幅电路。（设稳压管导通时的管压降是0V）

41 本章小结 1．半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。
2．采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在一起，就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电性。 3．二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。

42 13.分析题中各二极管的工作状态（导通或截止），并求出输出电压，设二极管是理想的。

43 作业 习题 1，2，4，5，9，10，13，15，17

44 14．分析题图中各二极管的工作状态（导通或截止），并求出输出电压的值

45 15．电路如下图，输入电压如题图（b），在0 < t < 5ms的时间周期内，给出输出电压的波形。用恒压降模型，管压降为0
15．电路如下图，输入电压如题图（b），在0 < t < 5ms的时间周期内，给出输出电压的波形。用恒压降模型，管压降为0.7V。

46 17．电路如题图所示，当vi1、vi2、vi3分别输入0V或5V电压时，求输出电压vo的值，用表格的形式给出。

47 20．电路如题图1-6所示，DZ的稳压值等于5V，当输入电压为vi=15sinωt（V）的正弦波时，画出输出电压vo的波形，设稳压管导通时的压降等于0V。