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 ,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
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
、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,以后集成度越来越髙,岀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
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
4、在通信、电子系统的广泛应用推动下,集成工艺的尺寸不断缩小 尺寸的缩小要求生产环境的洁净度越来越高,在0.25微米一下的 集成工艺难度更大,因为灰尘的大小也在这个尺寸内,一个灰 尘粒子就可引起电路短路,因此其生产环境的洁净度要比太平洋 上空的空气洁净度还要高许多倍,另外还产生了高速集成工艺和 兼容工艺如(双极型互补工艺、砷化镓工艺、 BICMOS),同时还 开发了许多新的电路技术如电流模技术、开关电容和开关电流技 术等),使集成规模越来越大,从功能集成发展到数模兼容的系 统集成,性能越来越髙,集成运放的带宽接近Gz级,摆率达到 每微秒几千伏,品种越来越丰富,除大功率组件外,几乎可以取 代用分离元件实现的各种功能电路,另外计算机辅助分析和设计 手段不断完善,已经纳入课程教学中
4、在通信、电子系统的广泛应用推动下，集成工艺的尺寸不断缩小 尺寸的缩小要求生产环境的洁净度越来越高，在0.25微米一下的 集成工艺难度更大，因为灰尘的大小也在这个尺寸内，一个灰 尘粒子就可引起电路短路，因此其生产环境的洁净度要比太平洋 上空的空气洁净度还要高许多倍，另外还产生了高速集成工艺和 兼容工艺如（双极型互补工艺、砷化镓工艺、BICMOS），同时还 开发了许多新的电路技术如电流模技术、开关电容和开关电流技 术等），使集成规模越来越大，从功能集成发展到数模兼容的系 统集成，性能越来越高，集成运放的带宽接近GHz级，摆率达到 每微秒几千伏，品种越来越丰富，除大功率组件外，几乎可以取 代用分离元件实现的各种功能电路，另外计算机辅助分析和设计 手段不断完善，已经纳入课程教学中
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 放大器基础:是本课程重 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 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
•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)
•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 (10-3-109)Ω.cm范围内,主要有硅(主要材料)、锗、砷化镓 (高频高速器件)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%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:1S2S2P63S23P63P104S24P2{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
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
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T时(晶体处于热平衡状), 能量为E的状态被电子占有的几率为: F(E)=(1+EXPI (E-EF)/KT] 其中T是绝对温度(室温T=300K) K是玻尔兹曼常数K=1.38×1023焦耳/0K E是费米能级,E=E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:
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）， 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 林示 带 F 图1-1 - EV 价带o0oo000000000 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)d E=AT3/2EXP [-Eoo/KT
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 =EcNe（E）•F（E）d E= AT3/2EXP [-Eg0 /KT]
式中A是常数(硅为388×1016cm3K32锗为176×1016cm3K32 Ea是T=0K即-273C时的禁带宽度,室温下计算: 硅的N;=1.5×1010cm3锗的N;=24×1013cm3 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
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： 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