模拟电子技术教案

-1-学校教案2011～2012学年第二学期学院(系、部)机电工程学院教研室(实验室)电气工程课程名称模拟电子技术授课班级主讲教师职称使用教材泰州师范高等专科学校二○一二年二月-2-模拟电子技术课程教案第1讲[课程类别]理论课[授课题目]1.1半导体基础知识[教学目的与要求]1.了解PN结的形成；2.理解PN结的单向导电性。[教学重点与难点]重点：PN结的单向导电性；难点：1.掺杂半导体中的多子和少子的概念；2.PN结的形成；3.半导体的导电机理：两种载流子参与导电；[教具和媒体使用]多媒体课件。[教学方法]讲授法、问题教学法。[教学时数]2学时。[教学过程]导入：介绍日常生活中由半导体器件构成的物品。新授：一、半导体基本概念1、半导体及其导电性能根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。-3-半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性，这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。2、本征半导体的结构及其导电性能本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。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”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时，本征半导体不导电。3、半导体的本征激发与复合现象当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。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）。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。4、半导体的导电机理自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。空穴导电的实质是:相邻原子中的价电子（共价键中的束缚电子）依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电，而电子的运动与空穴的运动方向相反，因此认为空穴带正电。5、杂质半导体掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体是半导体器件的基本材料。在本征半导体中掺入五价元素（如磷），就形成N型（电子型）半导体；掺入三价元素（如硼、镓、铟等）就形成P型（空穴型）半导体。杂质半导体的导电性能与其掺杂浓度和温度有关，掺杂浓度越大、温度越高，其导电能力越强。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。多子（自由电子）的数量＝正离子数＋少子（空穴）的数量在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。多子（空穴）的数量＝负离子数＋少子（自由电子）的数量二、PN结的形成及其单向导电性-4-1、PN结的形成半导体中的载流子有两种有序运动：载流子在浓度差作用下的扩散运动和电场作用下的漂移运动。PN结的形成：在同一块半导体上形成P型和N型半导体区域，在这两个区域的交界处，当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时，空间电荷区（亦称为耗尽层或势垒区）的宽度基本上稳定下来，PN结就形成了。2、PN结的单相导电性当P区的电位高于N区的电位时，称为加正向电压（或称为正向偏置），此时，PN结导通，呈现低电阻，流过mA级电流，相当于开关闭合；当N区的电位高于P区的电位时，称为加反向电压（或称为反向偏置），此时，PN结截止，呈现高电阻，流过μA级电流，相当于开关断开。PN结是半导体的基本结构单元，其基本特性是单向导电性：即当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电性能。PN结的单向导电性：PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。PN结的反向击穿特性：当PN结的反向电压增大到一定值时，反向电流随电压数值的增加而急剧增大。PN结的反向击穿有两类：齐纳击穿和雪崩击穿。无论发生哪种击穿，若对其电流不加以限制，都可能造成PN结的永久性损坏。2、PN结温度特性当温度升高时，PN结的反向电流增大，正向导通电压减小，这也是半导体器件热稳定性差的主要原因。3、PN结电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定：一是势垒电容CB，二是扩散电容CD，它们均为非线性电容。*势垒电容是耗尽层变化所等效的电容。势垒电容与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压等因素有关。扩散电容是扩散区内电荷的积累和释放所等效的电容。扩散电容与PN结正向电流和温度等因素有关。-5-PN结电容由势垒电容和扩散电容组成。PN结正向偏置时，以扩散电容为主；反向偏置时以势垒电容为主。只有在信号频率较高时，才考虑结电容的作用。作业：1.复习PN结的形成过程；2.预习下一小节“半导体二极管”相关内容。[教学反思]-6-模拟电子技术课程教案第2讲[课程类别]理论课[授课题目]1.1半导体二极管1.2特殊二极管[教学目的与要求]1.掌握二极管的特性和主要参数；2.掌握稳压管的工作原理；3.了解发光二极管、光敏二极管等特殊二极管的功能和用途。[教学重点与难点]重点：1.二极管的伏安特性、单向导电性及等效电路；2.稳压管稳压原理及简单稳压应用电路；3.二极管的箝位、限幅和小信号应用举例。难点：1.二极管在电路中导通与否的判断方法；2.稳压管稳压原理[教具和媒体使用]多媒体课件。[教学方法]讲授法、问题教学法。[教学时数]2学时。[教学过程]导入：思考：P型和N型半导体中，多子或少子各指什么？思考：PN结是如何形成的？新授：一、二极管的特性和主要参数1、半导体二极管的几种常见结构及其应用场合-7-在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。点接触型二极管PN结面积小，结电容小，常用于检波和变频等高频电路；面接触型二极管PN结面积大，结电容大，用于工频大电流整流电路；平面型二极管PN结面积可大可小，PN结面积大的，主要用于功率整流；结面积小的可作为数字脉冲电路中的开关管。2、二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性曲线如P5图1-10所示，处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。1）正向特性：当V＞0，即处于正向特性区域，正向区又分为两段：（1）当0＜V＜Uon时，正向电流为零，Uon称为死区电压或开启电压。（2）当V＞Uon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。2）反向特性：当V＜0时，即处于反向特性区域，反向区也分两个区域：（1）当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流Isat。（2）当V≤VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|≥7V时，主要是雪崩击穿；若VBR≤4V则主要是齐纳击穿，当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。3、温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降UD大约减小2mV，即具有负的温度系数。4、二极管的等效电路（或称为等效模型）1）理想模型：即正向偏置时管压降为0，导通电阻为0；反向偏置时，电流为0，电阻为∞。适用于信号电压远大于二极管压降时的近似分析。2）简化电路模型：是根据二极管伏安特性曲线近似建立的模型，它用两段直线逼近伏安特性，即正向导通时压降为一个常量Uon；截止时反向电流为0。-8-3）小信号电路模型：即在微小变化范围内，将二极管近似看成线性器件而将它等效为一个动态电阻rD。这种模型仅限于用来计算叠加在直流工作点Q上的微小电压或电流变化时的响应。5、二极管的主要参数1）最大整流电流IＦ：二极管长期工作允许通过的最大正向平均电流。在规定的散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则会因结温过高而烧坏。2）最高反向工作电压UBR：二极管工作时允许外加的最大反向电压。若超过此值，则二极管可能因反向击穿而损坏。一般取UBR值的一半。3）电流IR：二极管未击穿时的反向电流。对温度敏感。IR越小，则二极管的单向导电性越好。4）最高工作频率fM：二极管正常工作的上限频率。若超过此值，会因结电容的作用而影响其单向导电性。6、稳压二极管（稳压管）及其伏安特性二、稳压管稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管，通过反向击穿特性实现稳压作用。稳压管的伏安特性与普通二极管类似，其正向特性为指数曲线；当外加反压的数值增大到一定程度时则发生击穿，击穿曲线很陡，几乎平行于纵轴，当电流在一定范围内时，稳压管表现出很好的稳压特性。1、稳压管等效电路稳压管等效电路由两条并联支路构成：①加正向电压以及加反向电压而未击穿时，与普通硅管的特性相同；②加反向电压且击穿后，相当于理想二极管、电压源Uz和动态电阻rz的串联。如P7图1-11所示。2、稳压管的主要参数1）稳定电压UZ：规定电流下稳压管的反向击穿电压。2）最大稳定工作电流IZMAX和最小稳定工作电流IZMIN：稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax；而Izmin对应UZmin，若IZ＜IZmin，则不能稳压。3）额定功耗PZM：PZM＝UZIZMAX，超过此值，管子会因结温升太高而烧坏。-9-4）动态电阻rZ：rz=VZ/IZ，其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。RZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡，稳压效果愈好。5）温度系数α：温度的变化将使UZ改变，在稳压管中，当UZ＞7V时，UZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿；当UZ＜4V时，UZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿；当4V＜VZ＜7V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。9、稳压管稳压电路稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻有两个作用：一是起限流作用，以保护稳压管；二是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。三、其他特殊二极管如上节利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管，利用发光材料还可制成发光二极管，利用PN结的光敏特性可制成光电二极管，等等。作业：教材p19习题4、5、6、7、8。[教学反思]-10-模拟电子技术课程教案第3讲[课程类别]理论课[授课题目]1.4晶体管[教学目的与要求]1.理解晶体管的电流分配及放大原理；2.掌握晶体管的输入输出特性；3.熟悉晶体管的主要参数。[教学重点与难点]重点：1.晶体管电流放大原理及其电流分配关系式；2.晶体管的输入、输出特性；3.晶体管三种工作状态的判断方法。难点：1.晶体管放大原理及电流分配关系式；2.晶体管的特性曲线的理解。[教具和媒体使用]多媒体课件。[教学方法]讲授法、问题教学法。[教学时数]2学时。[教学过程]导入：思考：温度对二极管伏安特性的影响主要体现在什么区域？思考：稳压管是利用二极管的什么特性来稳定电压的？新授：一、晶体管的主要类型和应用场合双极型晶体管BJT（简称晶体管）是通过一定的工艺，将两个PN结接合在一起而构成的器件，是放大电路的核心元件，它能控制能量的转换，将输入的任何微小变化不-11-失真地放大输出，放大的对象是变化量。BJT常见外形有四种，分别应用于小功率、中功率或大功率，高频或低频等不同场合。二、BJT的电流分配及放大原理1．BJT具有放大作用的内部条件和外部条件1）BJT的内部条件为：结构：BJT有三个区（发射区、集电区和基区）、两个PN结（发射