模电.docx

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模电

第0章导言

0.1电信号

1.信号：

信号是信息的载体。

2.电信号：

电信号是指随时间而变化的电压u或电流i，在数学描述上可将它表示为时间t的函数，即u=f（t）或i=f（t），并可画出其波形。

3.信息可通过电信号进行传送、交换、存储、提取等。

4.模拟信号和数字信号：

模拟信号：

在时间上和数量上都是连续的信号，其数量在一定范围内可能取任意值。

模拟信号的特点：

连续性。

大多数物理量为模拟信号。

（2）数字信号：

在时间上和数量上都是离散的信号，这些量的变化在时间上不连续，总发生在一系列离散的瞬间。

数字信号的特点：

离散性

第一章常用半导体器件

1.1半导体基础知识

根据物体导电能力（电阻率ρ）的不同，可将其划分为导体、绝缘体和半导体。

导体：

ρ<10－4Ω·cm绝缘体：

ρ>109Ω·cm..半导体：

导电性能介于导体和绝缘体之间。

典型半导体有Si（硅）和Ge（锗）。

硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。

它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。

共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。

共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。

1.1.1本征半导体

本征半导体——化学成分纯净的半导体。

制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。

它在物理结构上呈单晶体形态。

对于本征半导体，当其处于热力学温度0K时，半导体中没有自由电子，不能导电，此时相当于绝缘体。

当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。

这一现象称为本征激发，也称热激发。

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，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。

空穴：

共价键中的空位。

电子空穴对：

由本征激发（热激发）而产生的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。

载流子：

是指能够参与导电的带电粒子。

自由电子和空穴统称为载流子。

游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。

本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

空穴可以看成是一个带正电的粒子，和自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电场下，形成定向运动，从而产生电流。

所以，在半导体中具有两种载流子：

自由电子和空穴。

1.1.2杂质半导体

1、N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

在N型半导体中自由电子是多数载流子（简称多子），它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（简称少子）,由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。

二、P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。

三价杂质因而也称为受主杂质。

1.1.3PN结及其单向导电性

一、PN结的形成

物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。

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。

因内电场作用所产生的运动称为漂移运动。

1.2半导体二极管及其基本应用电路

1.2.1半导体二极管的几种常见结构

二极管的符号：

二极管按结构分有：

点接触型、面接触型和平面型三大类。

1.2.2半导体二极管的伏安特性

二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。

1.正向特性：

当U＞0即处于正向特性区域。

正向区又分为两段：

当0＜U＜Uon时，正向电流为零，Uon称为死区电压或开启电压。

当U＞Uon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。

硅二极管的死区电压Uon=0.5V左右，锗二极管的死区电压Uon=0.1V左右。

2.反向特性:

当U＜0时，即处于反向特性区域

反向击穿：

二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象称为反向击穿（电击穿）。

若不加限流措施，PN结将过热而损坏，此称为热击穿。

电击穿是可逆的，而热击穿是不可逆的，应该避免。

3.伏安特性受温度影响

T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓增大1倍/10℃→反向饱和电流IS↑，U（BR）↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移

1.2.3半导体二极管的主要参数

（1）最大整流电流IF：

指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。

（2）反向击穿电压UB：

指管子反向击穿时的电压值。

（3）最大反向工作电压UR：

二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UB的一半）。

（4）最大反向电流IR：

指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。

（5）最高工作频率fM：

主要取决于PN结结电容的大小。

理想二极管：

正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。

1.2.4二极管的等效电路（缺图）

1.将伏安特性折线化

2.微变等效电路（低频交流小信号作用下的等效电路）

当二极管在静态（直流）基础上有一动态（交变）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。

1.2.5稳压二极管

稳压二极管由一个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。

其工作于反向电击穿状态。

1.稳压二极管的伏安特性

2.稳压管的主要参数

稳定电压UZ

稳定电流IZ

最大功耗PZM＝IZMUZ

动态电阻rz＝UZ/ΔIZ

温度系数α＝ΔUZ/ΔT

稳压值小于4V的管子具有负温度系数，即温度升高时稳定电压值下降；稳定电压大于7V的管子具有正温度系数，即温度升高时稳定电压值上升;

而稳定电压在4～7V之间的管子，温度系数非常小，近似为零。

由于稳压管的反向电流小于Izmin时不稳压，大于Izmax时会因超过额定功耗而损坏，所以在稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流，从而保证稳压管

正常工作，故称这个电阻为限流电阻。

3.稳压管稳压电路

图示为稳压管稳压电路，由限流电阻R和稳压管DZ组成，其输入为变化的直流电压UI，输出为稳压管的稳定电压UZ，因在输入电压和负载电阻一定的变化范围内输出电压（即负载电阻上的电压）基本不变，故称为稳压电路。

1.结构特点：

•发射区的掺杂浓度最高；

•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；

•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。

1.3.2晶体三极管的电流放大作用

三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。

外部条件：

发射结正偏，集电结反偏。

发射区：

发射载流子集电区：

收集载流子基区：

传送和控制载流子

三极管三个极电流之间的关系为：

Ie=Ib+Ic

可见，三极管内有两种载流子（自由电子和空穴）参与导电，故称为双极型三极管

扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。

ICEO称为穿透电流，其物理意义是，当基极开路（IB=0）时，在集电极电源VCC作用下的集电极与发射极之间形成的电流；

ICBO是发射极开路时，集电结的反和饱和电流.基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，

表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。

①截止区：

发射结反向偏置（或零偏），集电结反向偏置

②放大区：

发射极正向偏置，集电结反向偏置

③饱和区：

发射结正向偏置，集电结正向偏置，此时

1.3.4晶体管的主要参数

1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响

NPN管

（1）放大状态：

VBE>Von,VCE>VBE即发射结正偏、集电结反偏;

（2）饱和状态：

VBE>Von,VCE

（3）截止状态：

VBE

1.4场效应管

场效应管的特点：

（1）它是一种利用改变外加电压产生的电场强度，来控制其导电能力的半导体器件。

（2）它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。

（4）在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。

场效应管的与三极管的三个电极的对应关系：

栅极g--基极b

源极s--发射极e

漏极d--集电极c

N沟道结型场效应管的电路符号如图所示。

1.4.3场效应管的主要参数

（一）直流参数

①开启电压VGS（th）：

对增强型MOS管，当VDS为定值时，使iD刚好大于0时对应的VGS值。

②夹断电压VGS（off）（或VP）：

对耗尽型MOS管或JFET，当VDS为定值时，使iD刚好大于0时对应的VGS值。

③饱和漏极电流IDSS：

对耗尽型MOS管或JFET，

VGS=0时对应的漏极电流。

④直流输入电阻RGS：

对于结型场效应三极管，

RGS大于107Ω，MOS管的RGS大于109Ω，。

（2）交流参数

①低频跨导gm：

低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。

gm可以在转移特性曲线上求得。

②极间电容：

Cgs和Cgd约为1~3pF，和Cds约为0.1~1pF。

高频应用时，应考虑极间电容的影响

1.4.4场效应管与晶体三极管的比较

1．场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于晶体三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。

2．场效应管是电压控制电流器件，由uGS控制iD；晶体三极管是电流控制电流器件，由iB控制iC。

3．场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。

因此，场效应管的输入电阻比晶体三极管的输入电阻高。

4．场效应管只有多子参与导电，为单极型器件；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，为双极型器件因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。

在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。

5．场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，值将减小很多。

6.场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。

7.场效应管和晶体管三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。

第二章基本放大电路

2.1放大的概念和放大电路的主要性能指标

放大的对象：

变化量;

放大的本质：

能量的控制和转换;

放大电路的必备元件：

有源器件（晶体管或场效应管）;

放大的前提：

不失真