《线性电路》多媒体课件 兰州大学信息科学与工程学院 王勇
兰州大学信息科学与工程学院 《线性电路》多媒体课件 王勇
该课件是兰州大学教学研究资助项目,课件内容主要由 课堂讲授讲义整理而成,并配有大量的例题和习题解答。 课件中还引入了电子线路的CAD软件 PSPICE进行电路分 析。课件注重基础知识和基本概念的系统性、严密性;注 重培养学生分析问题、解决问题的能力。 课件主要参考教材有: 《电子线路》线性部分,谢嘉奎主编,1999第四版 《现代电子技术》,席德勋编,1999年第一版。 《模拟电子技术基础》,童诗白主编,1988第2版。 《模拟电子技术基础解题指南》,唐竞新主编,1998
前言 该课件是兰州大学教学研究资助项目，课件内容主要由 课堂讲授讲义整理而成，并配有大量的例题和习题解答。 课件中还引入了电子线路的CAD 软件PSPICE进行电路分 析。课件注重基础知识和基本概念的系统性、严密性；注 重培养学生分析问题、解决问题的能力。 课件主要参考教材有： 《电子线路》线性部分，谢嘉奎主编，1999第四版。 《 现代电子技术》，席德勋编，1999年第一版。 《模拟电子技术基础》，童诗白主编，1988第2版。 《模拟电子技术基础解题指南》，唐竞新主编，1998
第一章:晶体二极管 电子线路是电子学的一门应用学科,是现代先进科学的组成部分 也是发 展迅速的学科之一。1、最早在1883年,托马斯·爱迪生再改进白炽灯的实验中 发现了爱迪生效应,但他当时未能认识到这一发现的重要意义。直到1907年 L- De Forest(李德·弗列斯特)研制了电子三极管,使电子学进入实用阶段 并作为一门新兴科学而崛起,由于有了利用电子三极管制作的放大器和振荡器 电路,才使我们今天所熟悉的无线电和电视广播成为现世,其他诸如雷达、自 动导航、立体声放大器和计算机等的应用,也无不归功于电子三极管的发明, 而在这一发明的推动下,开创了伟大的技术和社会革命。然而,电子管有它匝 有的弱点,管子的灯丝必须加热至足够的温度以便使阴极发射电子,灯丝电压 和电流的典型值是6.3(V)和0.3(A),即大约2(W)功率,最早的第一台电子数 字计算机约用了18,000只电子管,需供36,000(W)的功率,另外电子管还有 体积大、寿命短、转换速率受限制等缺点。2、到1947年晶体管的发明才克服 电子管的这些缺点,引起了电子学的又一次革命,晶体管是约翰·巴丁、沃尔 特·布雷登和威廉·肖克莱共同发明,该发明促成了计算机、通信等方面的飞速 发展,鉴于它的重要价值,这些人共同获得了1956年的诺贝尔物理机奖。单个 电子器件与元件组成的电路称为分立电路,复杂的分立电路由于焊点多及布线 等影响了可靠性及精度的提高。3、随着半导体工艺的发展,五十年代末得克萨 斯仪器公司的基尔白、仙童半导体公司的诺依斯等人研究实现了集成电路,实 现了管路结合,以后集成度越来越髙,出现了超大规模集成电路,这是电子学 的又一次革命,也是近代科学技术发展的新的标志
第一章：晶体二极管 • 电子线路是电子学的一门应用学科，是现代先进科学的组成部分之一，也是发 展迅速的学科之一。1、最早在1883年，托马斯·爱迪生再改进白炽灯的实验中， 发现了爱迪生效应，但他当时未能认识到这一发现的重要意义。直到1907年 L ·De ·Forest（李·德·弗列斯特）研制了电子三极管，使电子学进入实用阶段 并作为一门新兴科学而崛起，由于有了利用电子三极管制作的放大器和振荡器 电路，才使我们今天所熟悉的无线电和电视广播成为现世，其他诸如雷达、自 动导航、立体声放大器和计算机等的应用，也无不归功于电子三极管的发明， 而在这一发明 的推动下，开创了伟大的技术和社会革命。然而，电子管有它固 有的弱点，管子的灯丝必须加热至足够的温度以便使阴极发射电子，灯丝电压 和电流的典型值是6.3(V)和0.3(A)，即大约2（W）功率，最早的第一台电子数 字计算机约用了18，000只电子管，需供36，000（W）的功率，另外电子管还有 体积大、寿命短、转换速率受限制等缺点。2、到1947年晶体管的发明才克服了 电子管的这些缺点，引起了电子学的又一次革命，晶体管是约翰·巴丁、沃尔 特·布雷登和威廉·肖克莱共同发明，该发明促成了计算机、通信等方面的飞速 发展，鉴于它的重要价值，这些人共同获得了1956年的诺贝尔物理机奖。单个 电子器件与元件组成的电路称为分立电路，复杂的分立电路由于焊点多及布线 等影响了可靠性及精度的提高。3、随着半导体工艺的发展，五十年代末得克萨 斯仪器公司的基尔白、仙童半导体公司的诺依斯等人研究实现了集成电路，实 现了管路结合，以后集成度越来越高，出现了超大规模集成电路，这是电子学 的又一次革命，也是近代科学技术发展的新的标志
本课程的主要内容简介:1、半导体器件:是本课程基础部分,主要包括半导 体物理基础知识,二极管、晶体三极管、场效应管工作原理及应用原理。2 放大器基础:是本课程重点之一,主要包括放大器的静态分析、动态分析及 性能指标,单管放大电路,组合放大电路,差分放大电路,电流源电路及应 用,集成功率放大电路,集成运算放大电路,放大器的频率分析和噪声分析。 3、放大器中的负反馈,是课程重点和难点之一,主要包括反馈放大器的组成 和类型,负反馈放大器的性能分析,深度负反馈计算,负反馈放大器的稳定 性分析。4、集成运算放大器及其应用电路,是课程又一个重点和难点,主要 包括集成运算放大器应用电路的组成原理(加减乘除比例对数指数开平方等 各类算术运算、有源滤波、精密测量放大器和仪器放大器、电流传输器等), 集成运算放大器性能参数及其对电路的影响,集成电压比较器 学习方法:本课程是两个专业的主干基础课,也是学习《非线性电路》(谐 振功放、振荡器、调制解调、锁相环)、通信、计算机应用等必备的基础, 学习中应着重掌握各类放大器的工作原理、特点、应用和分析方法。1、由于 器件的非线性,在线性应用时需要进行近似处理。2、对各类放大器应掌握其 静态分析方法(判断放大器工作和动态分析方法,应具备较高的电路分析能 力。3、一定量的习题训练是十分必要的,一般需要100-200道题的训练量, 定要独立完成作业。4、重视实验环节,具备一定的动手能力和电路设计能 力才算真正理解和掌握了本课程的基本知识点。 本章主要内容简介(略)
• 本课程的主要内容简介：1、半导体器件：是本课程基础部分，主要包括半导 体物理基础知识，二极管、晶体三极管、场效应管工作原理及应用原理。2、 放大器基础：是本课程重点之一，主要包括放大器的静态分析、动态分析及 性能指标，单管放大电路，组合放大电路，差分放大电路，电流源电路及应 用，集成功率放大电路，集成运算放大电路，放大器的频率分析和噪声分析。 3、放大器中的负反馈，是课程重点和难点之一，主要包括反馈放大器的组成 和类型，负反馈放大器的性能分析，深度负反馈计算，负反馈放大器的稳定 性分析。4、集成运算放大器及其应用电路，是课程又一个重点和难点，主要 包括集成运算放大器应用电路的组成原理（加减乘除比例对数指数开平方等 各类算术运算、有源滤波、精密测量放大器和仪器放大器、电流传输器等）， 集成运算放大器性能参数及其对电路的影响，集成电压比较器。 • 学习方法：本课程是两个专业的主干基础课，也是学习《非线性电路》（谐 振功放、振荡器、调制解调、锁相环）、通信、计算机应用等必备的基础， 学习中应着重掌握各类放大器的工作原理、特点、应用和分析方法。1、由于 器件的非线性，在线性应用时需要进行近似处理。2、对各类放大器应掌握其 静态分析方法（判断放大器工作和动态分析方法，应具备较高的电路分析能 力。3、一定量的习题训练是十分必要的，一般需要100--200道题的训练量， 一定要独立完成作业。4、重视实验环节，具备一定的动手能力和电路设计能 力才算真正理解和掌握了本课程的基本知识点。 • 本章主要内容简介（略）
1.1半导体物理基础知识 半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间的物体,它的电阻率在(103 109)Ω.cm范围内,主要有硅(主要材料)、锗、砷化镓(高频髙速器件)等。 本征半导体 1、本征半导体:硅和锗的单晶(整块晶体内部晶格排列完全一致或原子在空间 排列成很有规律的空间点阵)称为本征半体(将纯净原材料及需要的杂质放 在坩埚中加热至熔点Sⅰ=1420吣使其融化为晶体,用一块小晶体与液面接触, 将籽晶上拉即可生成新的晶体,另一种办法是用高频感应加热硅棒,使其局 部融化,冷却后成为单晶) Si: 1S22S22P63S23P {内层原子核称为惯性核 Ge: 1S22S22P63S23P63P104S24 P2 2N2个电子旋转方向的不同分布} 它们最外层都有四个价电子,形成单晶时,每个价电子和邻近原子的价电 子形成共价键 在热力学温度0K时和没有外界影响条件下,价电子束缚在共价键中,不能 自由移动,不是自由电子,是良好的绝缘体。 2、本征激发和复合:在温度升高和受到光线照射时,共价键中的价电子挣脱共 价键的束缚成为自由电子,在共价键中留下相同数量的空穴(可以看作带正 电的离子或载流子)这种现象称为本征激发。空穴形成后,邻近共价键中的 价电子受它的吸引作用很容易跳过去填补空穴,这样空穴便转移到邻近共价
1.1 半导体物理基础知识 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，它的电阻率在（10-3-- 109） .cm范围内，主要有硅（主要材料）、锗、砷化镓（高频高速器件）等。 一、本征半导体 1、本征半导体：硅和锗的单晶（整块晶体内部晶格排列完全一致或原子在空间 排列成很有规律的空间点阵）称为本征半体（将纯净原材料及需要的杂质放 在坩埚中加热至熔点Si=14200C使其融化为晶体，用一块小晶体与液面接触， 将籽晶上拉即可生成新的晶体，另一种办法是用高频感应加热硅棒，使其局 部融化，冷却后成为单晶） Si：1S22S22P63S23P2 {内层原子核称为惯性核} Ge：1S22S22P63S23P63P104S24P2 { 2N2个电子旋转方向的不同分布} 它们最外层都有四个价电子，形成单晶时，每个价电子和邻近原子的价电 子形成共价键。 在热力学温度0K时和没有外界影响条件下，价电子束缚在共价键中，不能 自由移动，不是自由电子，是良好的绝缘体。 2、本征激发和复合：在温度升高和受到光线照射时，共价键中的价电子挣脱共 价键的束缚成为自由电子，在共价键中留下相同数量的空穴（可以看作带正 电的离子或载流子）这种现象称为本征激发。空穴形成后，邻近共价键中的 价电子受它的吸引作用很容易跳过去填补空穴，这样空穴便转移到邻近共价
价键中去,因此就出现价电子和空穴两个相反方向的运动,半导体正是依靠 自由电子和空穴两种载流子导电的物质。所谓复合是指自由电子在热骚动过 程中与空穴相遇而释放能量,造成自由电子-空穴对的消失。 3、费米能级与热平衡载流子浓度:根据量子统计理论可知,在温度为时(晶 体处于热平衡状态),能量为E的状态被电子占有的几率为: F(E)={1+EXP[(E-EF)/KT]}-1 其中T是绝对温度(室温T=300K) K是玻尔兹曼常数K=138×1023焦耳/K E是费米能级,E=E状态被电子占有的几率为2 在原子中,电子所具有的能量状态不是连续分布的,而是离散的,每一个 能量状态对应一个能级,能级是量子化的,其分布如下图1-1所示: 导带, 上c 禁带 图 价带 0000000000000 为了计算自由电子的浓度,还应知道状态密度函数Ne(E),它表示单位
价键中去，因此就出现价电子和空穴两个相反方向的运动，半导体正是依靠 自由电子和空穴两种载流子导电的物质。所谓复合是指自由电子在热骚动过 程中与空穴相遇而释放能量，造成自由电子--空穴对的消失。 3、费米能级与热平衡载流子浓度：根据量子统计理论可知，在温度为T时（晶 体处于热平衡状态），能量为E的状态被电子占有的几率为： F（E）={1+EXP[（E-EF）/KT]}-1 其中T 是绝对温度（室温T=3000K） K是玻尔兹曼常数 K=1.3810-23焦耳/ 0K EF是费米能级，E=EF状态被电子占有的几率为1/2 在原子中，电子所具有的能量状态不是连续分布的，而是离散的，每一个 能量状态对应一个能级，能级是量子化的，其分布如下图1-1所示： 导带 • • • • • • • • • • • • • • • • • • ——————————Ec 禁带 – – –– – – – – – – – – – – EF 图1-1 ——————————Ev 价带 o o o o o o o o o o o o o 为了计算自由电子的浓度，还应知道状态密度函数Ne（E），它表示单位
体积内和单位能量范围内(ev电子伏特)允许电子占有的能量状态数目,自 由电子均处在导带内,空穴均处在价带内,处在导带内的自由电子至少具有 Ec能量,因此本征半导体中自由电子的浓度为: Ni=Ne(E)F(e)dE=AT3/EXP [-Eoo/KT 式中A是常数(硅为388×1016cm3K32锗为176×101cm-3K32) Es是T=0K即-273C时的禁带宽度 室温下计算的:硅的N=1.5×1010cm3锗的N=2.4×1013cm3 而在金属导体中,自由电子浓度可达1022-1023cm3,相比之下导电能力差, 不能产生二极管、三极管所需的导电机制,必须采取措施(如掺杂)。 杂质半导体 在本征半导体中,掺入一定量的杂质元素就成为杂质半导体,分为N型和P 型若掺入五价元素的杂质(磷、锑或砷),则是N型半导体,若掺入三价元 素(硼、镓、铟),则是P型半导体。 1、N型半导体:磷有五个价电子,而只需拿出四个与相邻的硅原子进行共价键 结合,多余一个电子未被束缚在共价键中,仅受磷原子核内的正电核吸引 (比共价键弱),在常温下很容易挣脱束缚成为自由电子(施主杂质能级比 较高,接近导带,常温下几乎全部电离,成为自由电子),磷原子因少一个
体积内和单位能量范围内（ev电子伏特）允许电子占有的能量状态数目，自 由电子均处在导带内，空穴均处在价带内，处在导带内的自由电子至少具有 Ec能量，因此本征半导体中自由电子的浓度为： Ni =EcNe（E）•F（E）dE= AT3/2EXP [-Eg0 /KT] 式中A是常数（硅为3.88×1016cm-3K-3/2 锗为1.76 ×1016cm-3K-3/2 ） Eg0是T=0K即-273OC时的禁带宽度 室温下计算的：硅的Ni =1.5 ×1010 cm-3 锗的Ni =2.4 ×1013 cm-3 而在金属导体中，自由电子浓度可达10221023 cm-3 ，相比之下导电能力差， 不能产生二极管、三极管所需的导电机制，必须采取措施（如掺杂）。 二、 杂质半导体 在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素就成为杂质半导体，分为N型和P 型若掺入五价元素的杂质（磷、锑或砷），则是N型半导体，若掺入三价元 素（硼、镓、铟），则是P型半导体。 1、N型半导体：磷有五个价电子，而只需拿出四个与相邻的硅原子进行共价键 结合，多余一个电子未被束缚在共价键中，仅受磷原子核内的正电核吸引 （比共价键弱），在常温下很容易挣脱束缚成为自由电子（施主杂质能级比 较高，接近导带，常温下几乎全部电离，成为自由电子），磷原子因少一个
电子成为带正电荷的磷离子(但其束缚在晶格中,不能移动,不能象载流子, 那样起导电作用),因其施放电子,故称施主杂质。与本征激发相比,N型 半导体中自由电子浓度大大增加,而空穴因与自由电子相遇而复合机会增加 浓度反而更小了。杂质半导体中载流子浓度不再相等,多的称为多数载流子 又称多子,少的称为少数载流子,又称少子。 2、P型半导体:硼只有三个价电子,在与相邻的硅原子形成共价键时,缺少 个价电子,因而形成一个空穴,这个空穴不是释放价电子形成的,不会同时 产生自由电子,而自由电子因与空穴相遇而复合机会增加浓度反而更小了。 当空穴由相邻共价键中的价电子填补时(相当于空穴移动),硼原子由于接 受一个电子成为带负电的硼离子(受主杂质能级比较低,接近价带,常温下 价带中价电子很容易获得能量来填补这个能级,从而产生空穴),因其接受 电子而产生空穴,称为受主杂质 杂质半导体的载流子浓度:在杂质半导体中,载流子是由杂质电离和本征激 发两个过程产生的,杂质电离只能产生一种载流子(施主杂质是自由电子, 受主杂质是空穴),在常温下杂质原子几乎全部电离,由杂质电离产生的载 流子浓度等于掺入杂质的浓度。掺杂越多,多子数目就越多,少子数目就越 少,但它们之间的定量关系服从下面两个约束 (1)、在热平衡状态下,满足相应的热平衡条件:当温度一定时,两种载
电子成为带正电荷的磷离子（但其束缚在晶格中，不能移动，不能象载流子， 那样起导电作用），因其施放电子，故称施主杂质。与本征激发相比，N型 半导体中自由电子浓度大大增加，而空穴因与自由电子相遇而复合机会增加 浓度反而更小了。杂质半导体中载流子浓度不再相等，多的称为多数载流子 又称多子，少的称为少数载流子，又称少子。 2、P型半导体：硼只有三个价电子，在与相邻的硅原子形成共价键时，缺少一 个价电子，因而形成一个空穴，这个空穴不是释放价电子形成的，不会同时 产生自由电子，而自由电子因与空穴相遇而复合机会增加浓度反而更小了。 当空穴由相邻共价键中的价电子填补时（相当于空穴移动），硼原子由于接 受一个电子成为带负电的硼离子（受主杂质能级比较低，接近价带，常温下 价带中价电子很容易获得能量来填补这个能级，从而产生空穴），因其接受 电子而产生空穴，称为受主杂质。 3、杂质半导体的载流子浓度：在杂质半导体中，载流子是由杂质电离和本征激 发两个过程产生的，杂质电离只能产生一种载流子（施主杂质是自由电子， 受主杂质是空穴），在常温下杂质原子几乎全部电离，由杂质电离产生的载 流子浓度等于掺入杂质的浓度。掺杂越多，多子数目就越多，少子数目就越 少，但它们之间的定量关系服从下面两个约束： （1）、在热平衡状态下，满足相应的热平衡条件：当温度一定时，两种载
流子热平衡浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值N的平方。即NPG=N2 (2)、满足电中性条件,整块半导体中的正电荷量恒等于负电荷量。若施 主杂质浓度为Nd,则带正电的有已电离的杂质原子和少子空穴,带负电的 仅是多子自由电子,这样电中性条件为:N=Nd+P0 由热平衡条件得:(N+P0)P0=N2由于N》P0故:NdPo≈N 同理对受主杂质:(Na+N)N=N2由于Na》N故:NaNo≈NP Na为受主杂质浓度。 例题:一块本征硅片,先掺入浓度为8×10lcm3的五价砷原子,再掺入浓度 为5×1017cm3的三价硼原子,问它为何种杂质半导体,并求室温时多子 和少子的热平衡浓度值 解:由于Na大于Na,结果是Nd释放的自由电子全部填入N产生的空穴外,还 余下(Na-Nd)个空穴,因而杂质半导体由N型转变为P型。根据电中性 条件:Po=Na-Nd+N≈Na-N=42×1017cm 相应少子浓度N=(NP0)=54×10cm3 杂质半导体的多子浓度与温度无关,而少子浓度与N成正比,因而随温度升 高而迅速增大,直到少子浓度增大到与多子浓度相当,杂质半导体又恢复到 类似的本征半导体,少子浓度的温度敏感特性是导致半导体器件温度特性差 的主要原因
流子热平衡浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值Ni的平方。即 N0P0=Ni 2 （2）、满足电中性条件，整块半导体中的正电荷量恒等于负电荷量。若施 主杂质浓度为Nd，则带正电的有已电离的杂质原子和少子空穴，带负电的 仅是多子自由电子，这样电中性条件为： N0= Nd+P0 由热平衡条件得：（Nd+P0）P0= Ni 2 由于Nd》 P0 故： Nd P0 Ni 2 同理对受主杂质：（Na+N0）N0= Ni 2 由于Na》 N0 故： NaN0 Ni 2 Na 为受主杂质浓度。 例题：一块本征硅片，先掺入浓度为8×1016cm-3的五价砷原子，再掺入浓度 为5×1017cm-3的三价硼原子，问它为何种杂质半导体，并求室温时多子 和少子的热平衡浓度值。 解：由于Na大于Nd，结果是Nd释放的自由电子全部填入Na产生的空穴外，还 余下（ Na - Nd ）个空穴，因而杂质半导体由N型转变为P型。根据电中性 条件：P0= Na - Nd +N0 Na - Nd=4.2 ×1017cm-3 相应少子浓度 N0=（Ni 2 /P0）=5.4 ×102cm-3 杂质半导体的多子浓度与温度无关，而少子浓度与Ni 2成正比，因而随温度升 高而迅速增大，直到少子浓度增大到与多子浓度相当，杂质半导体又恢复到 类似的本征半导体，少子浓度的温度敏感特性是导致半导体器件温度特性差 的主要原因
、漂移和扩散 半导体中有自由电子和空穴两种载流子,它们除了在电场作用下形成漂移电 流外,还会在浓度差的作用下产生定向的扩散运动,形成相应的扩散电流, 而导体中不存在扩散电流,也没有空穴漂移电流,只有自由电子在电场作用 下形成的漂移电流。 1、漂移电流:载流子在外加电场作用下,形成漂移电流,如下图1-2所示: 电场E 图1-2 若设J和Jm分别为空穴和自由电子的漂移电流密度(单位截面积的电流), 则它们分别为:Jn= qpupe Jnt=-(-q)nuE 总的漂移电流密度:J=Jn址Jm,式中p和n分别为空穴和自由电子的浓度, q为电子电荷量,E为外加电场强度,μ和μ分别为空穴和自由电子的迁移率
三、漂移和扩散 半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们除了在电场作用下形成漂移电 流外，还会在浓度差的作用下产生定向的扩散运动，形成相应的扩散电流， 而导体中不存在扩散电流，也没有空穴漂移电流，只有自由电子在电场作用 下形成的漂移电流。 1、漂移电流：载流子在外加电场作用下，形成漂移电流，如下图1-2所示： 电场E⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ 若设Jpt和Jnt分别为空穴和自由电子的漂移电流密度（单位截面积的电流）， 则它们分别为： Jpt=qpPE Jnt = -（-q）nnE 总的漂移电流密度：Jt= Jpt+ Jnt，式中p和n分别为空穴和自由电子的浓度， q为电子电荷量，E为外加电场强度，P和n分别为空穴和自由电子的迁移率 + V — 图1-2