《模拟电子技术(童诗白)》课件

第一章常用半导体器件§1.1半导体基础知识§1.2半导体二极管§1.3双极型晶体管§1.4场效应管1.熟悉P型、N型半导体的基本结构及特性；2.掌握PN结的单向导电性。1.P型、N型半导体的形成和电结构特点；2.PN结的正向和反向导电特性。§1.1半导体基础知识学习目标：学习重点：§1.1半导体基础知识一、本征半导体1、半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。根据材料的导电能力，可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是四价元素。sisi硅原子Ge锗原子Ge+4+4下一页上一页章目录硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。晶体结构是指晶体的周期性结构。即晶体以其内部原子、离子、分子在空间作三维周期性的规则排列为其最基本的结构特征空穴自由电子2、本征半导体的晶体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4（1）共价键：相邻两个原子共用一对最外层电子（价电子）的组合称为共价键。（2）束缚电子：共价键中的价电子受共价键的束缚。（3）自由电子：共价键中的电子获得一定能量（热能）后，挣脱共价键的束缚（本征激发），形成自由电子。（4）空穴：电子挣脱共价键的束缚形成自由电子后，共价键中留下一个空位，称为空穴。空穴带正电。下一页上一页章目录共价键束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子运动方向与空穴运动方向相反。3、本征半导体中的两种载流子自由电子载流子空穴载流子：能够自由移动的带电粒子。4、本征半导体中载流子的浓度本征激发：半导体在受热或光照下产生“电子空穴对”的现象称为本征激发。复合：自由电子填补空穴，使两者消失的现象称为复合。动态平衡：在一定温度下，本征激发产生的“电子空穴对”，与复合的“电子空穴对”数目相等，达到动态平衡。在一定温度下，载流子的浓度一定。下一页上一页章目录+4+4+4+4+4+4+4+4+4下一页上一页章目录本征半导体载流子浓度为：/(2)3/21GOEkTiinpKTeT=300K时，本征半导体中载流子的浓度比较低，导电能力差。Si：1.43×1010cm-3Ge：2.38×1013cm-3T：热力学温度；k：玻耳兹曼常数（8.63×10-5eV/K）；K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。（Si：3.87×1016cm-3·K-3/2，Ge：1.76×1016cm-3·K-3/2）；EGO：热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称禁带宽度（Si：1.21eV，Ge：0.785eV）；）的浓度（分别是自由电子和空穴和其中：3cmiipn自由电子施主离子电子空穴对自由电子二、杂质半导体1、N型半导体下一页上一页章目录掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增强。按掺入杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体。在本征半导体中掺入微量五价元素。++++++++++++N型半导体硅原子多余电子磷原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子---自由电子少数载流子--空穴受主离子电子空穴对空穴2、P型半导体下一页上一页章目录在本征半导体中掺入微量三价元素。－－－－－－－－－－－－P型半导体硅原子空位硼原子多数载流子--空穴少数载流子—自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+3空穴1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba三、PN结1、PN结的形成下一页上一页章目录形成过程：P型和N型半导体结合扩散运动内电场建立阻碍扩散运动促使漂移运动动态平衡形成空间电荷区PN结形成多子浓度差空间电荷区耗尽层N区P区内电场－－－－－－－－－－－－++++++++++++自由电子空穴2、PN结的单向导电性（1）PN结上加正向电压下一页上一页章目录空间电荷区N区P区－－－－－－－－－－－－++++++++++++内电场外电场①外电场将载流子推入空间电荷区，抵消一部分空间电荷，使空间电荷区变窄，削弱内电场；②扩散运动增强，漂移运动减弱，平衡被打破，扩散运动大于漂移运动；③在电源的作用下，扩散运动不断进行，形成正向电流，PN结处于导通状态。I（2）PN结上加反向电压下一页上一页章目录空间电荷区N区P区－－－－－－－－－－－－++++++++++++内电场外电场①外电场与内电场方向一致，空间电荷区变宽，内电场增强；②扩散运动减弱，漂移运动增强，平衡被打破，漂移运动大于扩散运动；③漂移运动是少子的运动，少子浓度小，形成反向电流很小，PN结处于截止状态。IS（3）PN结单向导电性3、PN结的电流方程(1)qukTSiIe下一页上一页章目录PN结加正向电压，结电阻很小，正向电流较大，处于导通状态；PN结加反向电压，结电阻很大，反向电流很小，处于截止状态；(1)TuUSiIe其中：IS：反向饱和电流；q：电子电量；k：玻耳兹曼常数；T：热力学温度.令：(26)TTkTUUmVq常温下，则：4、PN结的伏安特性下一页上一页章目录uiOU(BR)（1）正向特性（2）反向特性TuUSiIe当uUT时，当TSuUiI时，a、b、当反向电压超过一定数值U(BR)后，反向电流急剧增加，称之为反向击穿。齐纳击穿:雪崩击穿:较高反向电压在PN结空间电荷区形成一个强电场，直接破坏共价键形成“电子空穴对”，使得电流急剧增大；电子及空穴与晶体原子发生碰撞，使共价键中电子激发形成自由电子空穴对。(1)TuUSiIe5、PN结的电容效应5、PN结的电容效应§1.2半导体二极管1.了解二极管的结构和类型2.掌握二极管的伏安特性3.熟悉二极管的使用方法4.了解发光二极管和光电二极管的性能、使用方法5.熟悉稳压管的工作原理及使用方法1.二极管的伏安特性2.二极管的主要参数3.稳压管的性能、主要参数学习目标：学习重点：点接触型二极管是由一根很细的金属触丝（如三价元素铝）和一块半导体（如锗）的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成。由于点接触型二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件，也可用来作小电流整流。如2AP1是点接触型锗二极管，最大整流电流为16mA，最高工作频率为150MHz。金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型§1.2半导体二极管一、常见结构§1.2半导体二极管阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型二极管的符号阴极阳极(d)符号D(b)面接触型(c)平面型平面型二极管是集成电路中常见的一种形式。面接触型二极管的结构如图（b）所示。由于这种二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频电路中。如2CP1为面接触型硅二极管，最大整流电流为400mA，最高工作频率只有3kHz。二、伏安特性1、正向导通iu0硅：0.5V锗：0.1V导通压降反向饱和电流死区电压击穿电压UBR锗伏安特性曲线20C80C开启电压：Uon导通电压：硅：0.7V锗：0.2V2、反向截止反向饱和电流IS反向击穿电压U（BR）3、温度的影响正向特性：T上升，正向压降下降2～2.5mV，曲线左移；1C反向特性：T上升，IS增加一倍，曲线下移。10C二极管是非线性元件三、主要参数1、最大整流电流IF2、最高反向工作电压UR3、反向电流IR4、最高工作频率fM二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。电流过大，结温太高而烧坏二极管。二极管工作时，允许外加的最大反向电压。超过此值，二极管可能击穿。二极管未击穿时的反向电流。IR越小，二极管的单向导电性越好。()12RBRUU二极管工作的上限频率。四、二极管的等效电路1、折线等效电路二极管伏安特性具有非线性，分析电路时，常用线性元件所构成的电路等效代替。（1）理想二极管模型：正向导通压降为零，反向截止电流为零。＋－ui＋－uiUon（2）正向导通压降为常数（硅管0.7V；锗管0.2V），反向截止电流为零；uiUon＋＋－－ＩＵＤＵＲRV（1）时，DVVUIR两种等效电路：onVUIR（2）2、微变等效电路(:0.7,:0.2)ioneonSUVGUVDuDiQ在Q点附近加上一个微小变化的量，则可用Q点为切点的直线近似微小变化时的曲线。DdDuriiu(动态电阻)DIDU1DdDiruDDdidu[(1)]DTuUSDdIeduDTIUDTuUSTIeUTdDUrItiutRuDVU+++---RuDuVDiuR幅值由rd与R分压决定例题1：试求输出电压uo。－5V0VuoR－12VD1D2解：两个二极管存在优先导通现象。D2导通，D1截止。:0.7:0.2ioneonSUVGUV:5.7:5.2ioeoSuVGuV?例题2：试画出电压uo的波形。uo+-RuiUREF+-D0-4V4VuitUREFuotUREF解：（1）uiUREF时，（2）uiUREF时，oREFuUoiuu五、稳压二极管1、伏安特性uiUZIZminiuDZ符号：反向特性：当IIZmin时，没有稳压效果；电压基本稳定只要电流不超过一定值时，稳压管就不会因发热而损坏。D1D2UZrz等效电路：正向导通与二极管相同当IIZmin时，电压变化量很小，2、主要参数rZ越小，稳压效果越好；（2）稳定电流IZ（IZmin）：电流小于此值时稳压效果不好；uiUZIZminuIZM（3）额定功耗PZM：PZM=UZIZM；（4）动态电阻rZ：ZZZUrI（1）稳压值UZ；ZUT（5）温度系数α：IZM---最大稳定电流温度每变化1度稳压值的变化量。当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在IZM和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数，所以稳压电路中必须串联一个电阻来限制电流，从而保证稳压管正常工作。UIDZIRIZILRLRUZ++--ZRZIIIZLLUIRRIZRUUUIRRRIZUUUminmaxZZZIII保证稳压管有稳压效果必须：六、其它类型二极管1、发光二极管⑴具有单向导电性；加正向电压时导通就发光。导通时电压比普通二极管大。电流越大，发光越强。注意不要超过极限参数。⑵发光的颜色取决于所用材料。2、光电二极管（自学）发光二极管符号用万用表R*100或R*1K档，任意测量二极管的两根引线，如果量出的电阻只有几百欧姆（正向电阻），则黑表笔（即万用表内电池正极）所接引线为正极，红表笔（即万用表内电源负极）所接引线为负极。用万用表判断二级管正负极：1.了解三极管的基本结构，熟悉其放大原理；2.掌握三极管电流分配关系，熟悉其输入、输出特性。§1.3晶体三极管学习目标：1.三极管的电流分配关系和放大原理；2.三极管的输出特性曲线和基本参数。学习重点：一、晶体管的结构及类型晶体三极管又称双极型晶体管、半导体三极管、三极管等。发射区集电区基区三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度＞＞集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。半导体三极管由两个PN结构成。类型:NPN型和PNP型。c集电极e发射极b基极NNPNPN型晶体管结构集电结(Jc)发射结(Je)集电极PPNPNP型晶体管结构ecbNNPNPN型晶体管结构ecbNPN型晶体管符号PNP型晶体管符号二、电流分配与放大原理1、内部载流子的运动规律以NPN管共射放大电路为例EcEB放大状态：发射结正偏，集电结反偏。（1）发射区向基区扩散自由电子EBRBRCEC发射结正偏，多数载流子（自由电子）的扩散运动加