《模拟电子技术基础》(第四版)_第一章

•教材:童诗白《模拟电子技术基础》•主讲:蒋宏82314573-14(O)新主楼E1115•Communication•绪论一、课程的地位和主要内容电路、电子技术（模拟、数字）、微机原理、自动控制原理、通信原理、……电子技术——研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。器件为路用绪论模拟信号：在时间和数值上连续的信号。tu模拟电路计算机检测控制系统原理框图微机传感器伺服机构模拟信号处理功率放大模数转换数模转换数字接口数字接口被测控对象干扰、噪声、漂移、非线性绪论二、电子技术的典型应用模拟电子技术数字电子技术电机三、如何学好模电绪论课程特点：内容多、内容杂、工程实践性强1、抓“重点”2、注重综合分析注重工程化素质培养3、提高学习效率、培养自学能力课堂、答疑、作业、自学“基本电路”原理基本原理基本分析方法图解法、小信号等效电路法放大器、反馈、振荡器四、模电成绩如何算•作业：１０％•期末考试：９０％•参考课堂和答疑表现•作业：每周交1次，全交，有参考解答内容提要半导体器件是组成各种电子电路——包括模拟电路和数字电路，集成电路和分立元件电路的基础。本章首先介绍半导体的特性，半导体中载流子的运动，阐明PN结的单向导电性，然后介绍半导体二极管、稳压管、半导体三极管及场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。第一章常用半导体器件1.2半导体二极管1.3稳压管1.4半导体三极管1.5场效应管1.1半导体基础知识1.1.1半导体的特性一、定义导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称半导体。如：硅（Si）、锗（Ge）等价电子：围绕原子核运动的最外层轨道的电子导体:低价元素绝缘体:高价元素硅（Si）、锗（Ge）：４个价电子1.1半导体基础知识4+简化模型（Ｓi，Ge）硅原子结构14+价电子惯性核二、半导体特性1.温度导电能力可做成各种热敏元件2.受光照导电能力可做成各种光电器件3.掺入微量杂质导电能力（几十万~几百万倍）可做成品种繁多、用途广泛的半导体器件。如半导体二极管、三极管、场效应管等。纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。它是共价键结构。1.1.2本征半导体本征半导体的共价键结构Si，Ge惯性核价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4相邻原子的价电子成为共用电子，即共价键结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴复合在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向空穴移动方向电子移动方向在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电(载流子)。这是半导体导电与导体导电最本质的区别。价电子填补空穴本征激发——价电子受热及光照后，挣脱共价键束缚成为自由电子。半导体的导电特性：1、热敏特性：T导电能力2、光敏特性：光照导电能力激励(温度和光照)一定时，电子空穴对的产生和复合会达到“动态平衡”。注意本征半导体中载流子的浓度除与半导体材料本身的性质有关外，还与温度密切相关。半导体材料性能对温度的这种敏感性，既可用来制造热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。+4+4+4+4+4+4+4+41.1.3杂质半导体一、N型半导体磷原子多余价电子自由电子正离子通过扩散工艺，在本征半导体中掺入微量特定元素，便可形成杂质半导体。在纯净的硅或锗晶体中掺入微量五价元素（如磷）所形成的杂质半导体称N型半导体。+4+5N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。+4+4+4+4+4+4+4二、P型半导体在纯净的硅或锗的晶体中掺入微量的三价元素（如硼）所形成的杂质半导体称P型半导体。+4硼原子填补空位+4+3负离子少数载流子负离子多数载流子P型半导体结构示意图在P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。•对于杂质半导体，多子浓度约等于所掺杂质浓度，多子浓度受温度影响小；•少子（本征激发）浓度受温度影响大；注意注意不论是N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电的，呈电中性。通过掺入杂质来提高半导体的导电能力不是最终目的，因为导体的导电能力更强。杂质半导体的奇妙之处在于，掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型和N型半导体采用不同的方式结合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。载流子的两种运动：•扩散——载流子在浓度差作用下的运动载流子总是从高浓度向低浓度扩散•飘移——载流子在电场作用下的运动电子逆电场方向运动空穴顺电场方向运动P区N区1.2.1PN结的形成采用不同的掺杂工艺，在同一块半导体单晶上形成P型半导体和N型半导体，在它们的交界面处就形成了一个PN结。N区的电子向P区扩散并与空穴复合P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区内电场方向1.2PN结多子扩散－＞形成空间电荷区－＞有利少子向对方漂移、阻挡多子向对方扩散，少子向对方的漂移－＞空间电荷区变窄－＞有利于多子向对方扩散；当多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡时，空间电荷区的宽度一定，形成PN结。内电场方向E外电场方向RI1.2.2PN结的单向导电性P区N区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄扩散运动增强，形成较大的正向电流，此时PN结导通一、外加正向电压（正向偏置）外电场加强扩散P区N区内电场方向ER空间电荷区变宽外电场方向IR二、外加反向电压（反向偏置）外电场驱使空间电荷区两侧的多子(空穴和自由电子)移走,空间电荷区加宽少数载流子越过PN结形成很小的反向电流，此时PN结截止多数载流子的扩散运动难于进行外电场削弱扩散结论综上所述，当PN结正向偏置时，回路将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中的反向电流非常小，几乎等于零，且由于该电流是由少数载流子产生的，所以温度对其影响很大（温度愈高，反向电流愈大），此时PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。PN结的伏安特性正偏：P——“+”N——“-”正向低阻导通)1(TUuseIi反偏：P——“-”N——“+”反向高阻截止i=-Is反向击穿——PN结特性之二：“击穿特性”（反向击穿i很大）-P-NP-N正偏和反偏UT=26mV半导体基础知识半导体中的载流子自由电子空穴载流子的产生本征激发掺杂—P型、N型载流子的运动漂移扩散PN结的特性正向导通性反向截止特性反向击穿特性多子扩散引起少子飘移引起1.3.1二极管的结构和符号1.3半导体二极管一、符号正极（阳极）负极（阴极）DDiodeP区N区600400200–0.1–0.200.40.8–50–100iD/mAuD/V硅管的伏安特性1.3.2二极管的伏安特性反向特性死区－IS正向特性－UBRUoniD=f（uD）iD+uD–DUＤ非线性特性iD=Is(e/–1)uDUTＵＢＲ反向击穿电压ＵＺ（稳压管）i-u?,q-u?,L?反向击穿正向和反向开启电压：UonSi管：0.5V左右Ge管：0.1V左右正向导通电压UＤSi管：0.6V~0.8V（０.７Ｖ）Ge管：0.2V~0.3V（０.３Ｖ）二极管方程iD=Is(e/–1)uDUTUT：温度的电压当量。常温下，即T=300K（270C）时，UT=26mV。Is：反向饱和电流。在正向段：当uDUT时，iD=Ise/uDUT在反向段：当|uD|UT时，iD–IS一般:特性曲线上区分Uon和UＤ计算时不区分Uon和UＤ二极管的伏安特性受温度的影响。如当环境温度升高时，二极管的正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。注意i(mA)u(V)0c20c80I反UD1UD21.3.4二极管的等效电路能够模拟二极管特性的电路称二极管等效电路，也称二极管的等效模型。URRVUII?U?IRUV)1(TUUseIIuD0IUiD一、二极管的直流模型1.理想二极管(导通时正向压降为零,截止时反向电流为零)的等效模型0iDuD00DDifuu时,then=00DDifui时,then=iD+uD–大信号作用下的模型2.二极管导通时正向压降为一常量UＤ（正向导通电压０.7V或０.３V），截止时反向电流为零的二极管的等效模型iDuD0UＤUＤiD+uD–,DDDDifuUthenuU,0DDDifuUtheniQuestion1UDUON3.二极管导通且正向压降uD大于UＤ后，其电流iD与uD成线性关系（直线斜率为1/rD），截止时反向电流为零的等效模型iDuD0UＤ以上三个等效电路中1的误差最大，3的误差最小，一般情况下多采用2所示的等效电路。UＤrDiD+uD–,DDDDDDuUifuUthenir,0DDDifuUtheniDr直流电阻•二极管主要用于限幅，整流，钳位．•判断二极管是否正向导通：１．先假设二极管截止，求其阳极和阴极电位；２．若阳极阴极电位差＞UD，则其正向导通；３．若电路有多个二极管，阳极和阴极电位差最大的二极管优先导通；其导通后，其阳极阴极电位差被钳制在正向导通电压（０.7V或０.３V）；再判断其它二极管．用直流模型2URRVUIDUURUVID/)(用直流模型2图1.2.6例1.2.1电路图【例1】下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，求输出端Y的电位，并说明每个二极管的作用。DA–12VYABDBR解：DA优先导通，则VY=3–0.3=2.7VDA导通后，DB因反偏而截止，起隔离作用，DA起钳位作用，将Y端的电位钳制在+2.7V。【例2】下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，E=3V，ui=6sintV，试画出uo及uD的波形。2ui3时，D截止，uo=ui，uD=ui–3ui3时，D导通，uo=3，uD=0ui/Vt6302解：t30–6uo/VDE3VRuiuouRuDt0–9uD/V–3URRVUIiD二、二极管的小信号交流模型（微变等效电路）二极管外加直流正向电压时，将有一电流，则反映在其伏安特性曲线上的点为Q（Q点称为静态工作点）。iDuD0IUQ若在Q点基础上外加微小的变化量，则可用以Q点为切点的直线来近似微小变化时的曲线，即可将二极管等效成一个线性器件，用动态电阻rd来表示，且rd=uD/iD。uDiDrdiDuDDiDuquestion2小信号作用下的模型TTUUsTUusDDUusTDUusDDDDdUIUeIUeIdudueIUdueIddudiuirTTDTDTD111)]1([1即IUrTd动态电阻与Q点有关图1.2.8直流电压和交流信号同时作用urRURRV直流通路交流通路uirRRuUuUDIUrdidudIUrTdquestion3DRUVUidrurRRu作业:1.4(1.3),1.3(1.2)稳压管实质上是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它工作于反向击穿区，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，所以这段特性可以用来稳压，因而广泛用于稳压电源与限幅电路。1.4稳压管i/mAu/V0正向特性反向击穿区-UZ-IZmin-IZmax伏安特性1.4.1稳压管的伏安特性IZ-UZ++u-iDZ正极负极D1D2UZrZ等效电路-u+iZener反向特性一.稳定电压UZ：是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。二.稳定电流IZmin：保证管子进入反向击穿区的电流。若电流低于IZmin，则管子的稳压性不佳，甚至根本不稳压。要求IZIZmin.IZUZ1.4.2稳压管的主要参数i/mAu/V0-UZ-IZmin-IZmax四.电阻rZ：rZ=IZUZ三.最大允许耗散功率PZM：PZM=UZIZmax通过上式可求出Izmax。稳压管的功耗超过PZM时，会因结温升过高而烧坏。要求IZIZmax由上式可看出，rZ愈小，管子的稳压性能愈好。IZUZi/mAu/V0-UZ-IZmin-IZmax1.4.3稳压管稳压电路一、电路关