ch1 模电基本概念

2. P型半导体
掺入杂质：少量的三价元素，如硼（Ｂ）原子 B只能提供3个价电子，
所以价键上空着一个位。当
空位附近的价电子受到热振 动或其他激发条件下获得能 量时，就会过来填补这个空 位，由此产生一个空穴。
2. P型半导体
室温下，B原子的空位健都被填满，在晶体中形成 大量的空穴和等量的B负离子。同时原晶体本身也产生 大量的电子空穴对。空穴数远大于自由电子数。这样的 一种半导体将以空穴导电为主。 空穴是多子，电子是少子。 由于Ｂ原子在Si晶体能接受电子，故称为受主原子。 这种掺有受主杂质的半导体称为P型半导体。
v
v
v
0
t
0
t
0
t
(a)
(b)
(c)
图1.3-2脉动信号分解为直流成分和交流成分
时域信号和频域信号
Fourier级数与谐波
1.3.2 关于放大的概念
直流电压源 （DC）
直流功率
话 筒 （传感器）
低信号Байду номын сангаас功率
放大器
扬声器 高信号 功率
（负载）
图1.3-6 扩音机的原理框图
对放大器而言，是在小能量输入信号的作用下，将直流电源的 能量转换成负载所得到的大能量。功率很大的音量，其能量的来源是 另一个直流电源。而人们从扬声器能听到什么样的声音取决于话筒送 来的输入信号。放大电路放大的本质是能量的控制和转换；放大的对 象是变化量；放大的特征是功率放大。
1) 模拟电路基础 李宁主编 清华出版社
2）模拟电子技术基础
童诗白
高教出版社
3）电子电路分析与设计 Electronic Circuit Analysis and
Design (Second Edition) （美） Donald A. Neamen 赵桂钦
卜艳萍 译 电子工业出版社 4)电子技术基础 模拟部分 （第四版） 康华光 主编 华中 理工大学电子学教研室编, 高等教育出版社
图解法 微变等效电路法
模拟电路
学习方法
• 基本概念
• 规律、思路、相互联系
• 做好小结
• 用好电路仿真软件，做好电路分析
• 理论联系实际，做好实验
• 课后练习和设计
模拟电路基础
第1章 模拟电路的基本概念
内容
1.1 什么是模拟电路
1.2 电路器件的半导体材料
1.3 相关知识和放大电路基础
1.1 什么是模拟电路
半导体的共价键结构 半导体中的载流子 杂质半导体
半导体材料
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分 导体、绝缘体和半导体。 导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称 为半导体。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
半导体特点
1．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。
2．半导体受外界光和热的刺激时，其导电能 力将会有显著变化。 3. 在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电 能力会急剧增强。
此时的杂质半导体中空穴浓度、电子浓度分别是多少？
10 3 n 1 . 43 10 cm 解： 此时的电子浓度： n＝Nd>> i
空穴浓度为： p ni2 ni2 (1.43 1010 ) 2 4.1 106 cm3 13
n Nd 5 10
1.3 相关知识和放大电路基础
模拟电路
课程特点
电子技术分为 模拟电子技术 ，数字电子技术 联系：组成元件都是半导体二极管、三极管和场效应管 区别：
模拟电子电路 数字电子电路
工作信号
三极管的 作用 工作状态 主要分析方法
模拟量
放大元件 主要工作在放大区
数字量
开关元件 主要工作在截止区和 饱和区 逻辑代数 真值表、卡诺图 状态图等
3.杂质半导体中的多子与少子浓度
在杂质半导体中，多子是由杂质原子提供的，而由本
征激发产生的少子浓度则因为有了与多子复合机会的增
多而大为减少。理论上可以证明，在热平衡条件下，两 种载流子的积是恒定值，与掺杂程度无关。即
pn pi ni pi2 ni2
n
— 热平衡条件下自由电子浓度；
多子越多； 少子越少。
由于P原子有5个电子，其中4个与Si原子形成共价键，
多余的一个电子受到P原子核的束缚较弱，在常温下就可以
脱离P原子，成为自由电子。 由于P原子在Si晶体中给出了一个多余电子，故成为施 主原子。
1. N型半导体
1. N型半导体
P原子本身即因失去电子而成为正离子（整个半导 体仍然呈中性）。 多子——自由电子成为多数载流子 少子——空穴是少数载流子 掺有施主杂质的半导体称为Ｎ型半导体。
模拟电路基础
主讲人：程红
模拟电路
课程介绍
课程学时：54学时/周课时4
课程学分：3分 课程学习目标：掌握基本概念、基本电路、基本方
法,为深入学习电子技术及在专业中的应用打下基础。
课程学习方法：定性分析、定量估算 课程考核：期末考试60%+期中考试20%+平时成绩20%
模拟电路
主要参考书
模拟电路
课程的任务
电子技术的研究对象是电子器件和由电子器件构
成的各种基本功能电路，以及由基本功能电路组成的 各种用途的装置或系统。具体运用于通信、自动控制、 计算机技术等许多方面。 本课程的任务是：
• 探讨常用半导体器件（二极管、三极管、运算放大
器）内在的物理机制和外部的伏安特性； • 考察和分析用这些器件构成的基本模拟电路； • 利用这些器件设计和构建人们所需要的功能电路。
极管、三极管、集成运放等器件组合而成的电路。它可 以用于放大小信号，产生周期性波形，改变输入信号的
波形并传送出去的电路。
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
1.2 电路器件的半导体材料
p — 热平衡条件下空穴的浓度；
ni 、pi
— 本征浓度
3.杂质半导体中的多子与少子浓度
室温下（T=300K)，每个施主原子在半导体中产生 一个自由电子。当施主原子浓度 N d 远大于本征浓度时，
ni 2 可近似认为 n N d ，那么，空穴的浓度即为 p 。 Nd
2 p 近似认为 p N d ，那么，电子的浓度 n i 。 Nd
1.3.1 关于信号 交流：对大小和方向（极性）都随时间变化，一个周期内 时间的平均值为零的周期时变电信号，称为交流电 直流：大小和极性都不随时间变动的称为直流电
v
v
0
t
0
t
图1.3-1交流电压
图1.3-2(a)所示的脉动电信号仅是大小随时间变化，时间 平均值不为零，而是一个定值。该定值称为直流成分。从 脉动成分中除掉直流成分（图1.3-2（b））就余下交流成分 （图1.3-2（c））。显然，信号（a）是直流信号（b）与交 流信号（c）叠加的结果。
模拟电路
课程特点
具有不同于数、理等学科的一些工程分析方法
①近似法—突出主要矛盾，简化实际问题
②等效法—一定条件下转化矛盾 ③图解法—直观形象地分析全局 电子学所采用的分析方法是： 定性分析、定量估算、仿真验证、实验调整相 结合。
模拟电路
课程特点
具有不同于电路基础等学科的一些特有概念 主要与非线性器件打交道。 交、直流共存于同一电路之中。 常遇到受控源。 带有反馈，从而构成了学习中的难点。
. VO
=
. . A v Vi
----称为电压放大器
2、只考虑电路的输出电流和输入电流的关系，表示为：
. IO
=
. . AI I i
----称为电流放大器
3、当需要把电流信号转换为电压信号，可表示为：
. . . ----称为互阻放大器 VO = AR I i 4、当需要把电压信号转换为电流信号，可表示为： . . . ----称为互导放大器 I O = AG Vi
同理，当受主原子浓度 N d 远大于本征浓度时，可
【例1.2-1】 已知在T=300K时本征硅受激产生的电子浓度 为1.431010cm-3，而本征硅原子浓度为5.11022cm-3，如果 在本征硅中掺入十亿分之一的施主杂质，即杂质浓度为
N d 5 1022 109 cm 3 5 1013 cm 3
1.2.2 半导体中的载流子
空穴——当一个价电子成为自由电子之后，便在共价键上 留下了一个空位，这个空位称为空穴。 空穴的移动——由于空穴的出现，邻近健中的价电子随时 可跳过来填补到这个空位上，于是在其原来的位置上又留 下了新的空位。这样，空位就转移到了邻健上，而其他价 电子又可以填补到这个新的空位上，所以，空穴也是可以 移动的。这样，共价键中就出现了一定的电荷迁移。 这种共有电子的填补运动，相当于带正电荷的空穴在 运动，为与自由电子的运动区别开来，称之为空穴的运动。 并将空穴看成为带正电的载流子。
1.2.3 杂质半导体 杂质半导体
由于本征半导体的本征载流子的浓度低，所以导电 能力很差，但 如果在本征半导体中掺入某种特定的杂 质，成为杂质半导体后，可使半导体的导电性发生显著 变化。
掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
1. N型半导体
掺入杂质：少量的五价元素 如磷（P）、砷（As）
本征载流子浓度
ni pi AT e
A = 与半导体材料有关的常数
3 2
EG 2 kT
T = 温度
K = 波尔兹曼常数(1.38×10-23J/K) EG = 禁带宽度，电子摆脱共价键所需的最小能量 ni、pi 代表本征半导体中电子和空穴的浓度，则 ni＝pi
半导体的导电能力将随温度上升而显著增加。
电子系统 模拟信号 模拟电路
1.电子系统：完成某种特定功能的电子装置。 模拟子系统——由模拟电路构成，包括信号传感、高低 频放大、模/数、数/模转换、输出执行机构等； 数字子系统——由数字电路构成，包括信息处理、控制 等；
信息输入
传感
电信号
放大 变换
信息处理 与决策
放大 变换
控制、 执行输出
1.2.1 半导体的共价键结构 半导体材料中用得最多的Si和Ge 最外层轨道上均有４个电子，称为价电子 纯净的、结构完整的半导体单晶，称为本征半导体 一对共有价电子与两个原子核都有吸引，称为共价键。
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
1.3.3 放大的性能指标 电压放大模型
输入和输出都是电压，每一端口都用Thevenin等效电路建模。输
入端口通常的作用相当于无源的，用一个电阻Ri建模，被称为放大器
的输入电阻。输出端口用一个表明与输入电压有关的受控电压源和一
表示电压增益。 个串联电阻建模，这个串联电阻被称为输出电阻。A vo
1.2.2 半导体中的载流子
本征激发——半导体在热或光照的作用下会产生电子—空 穴对。称之为本征激发。
复合——运动中电子“跳进”空穴，被共价键所束缚，电
子—空穴对消失，称之为复合。 晶体内存在着自由电子与空穴的产生和复合两种过程， 在没有外加电场的情况下不会形成宏观电流。 给本征半导体加上一个外电场，两种载流子的运动方 向相反，形成是半导体中的电流
输出负载用RL建模。
RS
V S
＋ －
＋
V i
1.3.3 放大的性能指标
电子技术里的“放大”有两方面的含义： 放大能力——是能将微弱的电信号增强到人们所需 要的数值（即放大电信号），以便于人们测量和使 用。 保真度——是要求放大后的信号波形与放大前的波 形的形状相同或基本相同，即信号不能失真。
1.3.3 放大的性能指标
1、如只需考虑电路输出电压与输入电压之间的关系，表示为：
Si原子结构图及其简图
本征半导体点阵结构
硅和锗晶体结构的平面图
1.2.2 半导体中的载流子
载流子——可以自由运动的带电粒子。
对于本征半导体而言，由于晶体中共价键地结合能力
强，在T=0K(约-273.15°C）时，价电子的能量不足以挣 脱共价键的束缚，晶体中没有自由电子。所以，在绝对零 度时，半导体不能导电，如同绝缘体一样。但在室温和光 照下，价电子收到热激发和光照射，就可以获得足够的能 量，摆脱共价键的束缚，成为自由电子。
输出
反馈
2.模拟信号 模拟信号：大小随时间作连续的变化的信号
数字信号：大小只取离散值的信号
3.模拟电路:
定义：指直接在模拟领域中完成信号处理和加工的电
子装置，即，处理模拟信号的电路系统称为模拟电路。
信号源
输入 传感器 电压 放大器
放大器
功率 放大器
负载
输出 执行机构
模拟电路---也可以指由电阻、电容、电感等元件和二