模拟电路备课教案第一章

第一章常用半导体器件内容提要：本章主要讲述了半导体基础知识，PN结的特性，二极管、晶体三极管、场效应管的构成及特性曲线和主要参数等，同时介绍了单结管、晶闸管、集成电路中的元件等基础知识。重点：二极管和稳压管的伏安特性及主要参数，晶体管的共射输入特性、输出特性和主要参数，以及场效应管的转移特性、输出特性和主要参数；即常用半导体器件的外特性及主要参数。了解它们内部载流子的运动情况是为了更好地理解它们的工作原理。难点：常用半导体器件的内部载流子的运动情况分析及工作原理。讲授方法：采用多媒体课件配合，以课件演示半导体器件内部载流子的运动情况，同时采用启发式教学，激发学生学习的积极性。第一节：半导体基础知识1.半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导体：ρ10－4Ω·cm绝缘体：ρ109Ω·cm半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。2.半导体的晶体结构典型的元素半导体有硅Si和锗Ge，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。半导体的导电性能是由其原子结构决定的，就元素半导体硅和锗而言，其原子序数分别为14和32，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子（价电子）数均为4，其原子结构和晶体结构如图1.1.1所示。图1.1.1本征半导体结构示意图图1.1.2本征半导体中的自由电子和空穴3.本征半导体本征半导体：化学成分纯净、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。本征激发(热激发）：受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象，称之为本征激发（热激发）。空穴：共价键中的空位。电子空穴对：由本征激发（热激发）而产生的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。所以，在本征半导体中：ni=pi（ni－自由电子的浓度；pi－空穴的浓度）。（1）两种载流子的产生与复合，在一定温度下达到动态平衡，则ni=pi的值一定；（2）ni与pi的值与温度有关，对于硅材料，大约温度每升高8oC，ni或pi增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高12oC，ni或pi增加一倍。载流子：能够参与导电的带电粒子。半导体中载流子的移动：如图1.1.3所示。从图中可以看出，空穴可以看成是一个带正电的粒子，和自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电场下，形成定向运动，从而产生电流。所以，在半导体中具有两种载流子：自由电子和空穴。图1.1.3半导体中载流子的运动4.杂质半导体杂质半导体：在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导体分为P型（空穴型）半导体和N型)1.1.1()2/(2/31kTEiiGOeTKpn（电子型）半导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。P型半导体：在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.4所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。图1.1.4P型半导体的共价键结构受主杂质：因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电子，故称之为受主杂质或P型杂质。多子与少子：P型半导体在产生空穴的同时，并不产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控制空穴的数量。在P型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，称之为多数载流子，简称多子；而自由电子为少数载流子，简称少子。N型半导体:在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.5所示。常用的五价元素的杂质有磷、砷和锑等。图1.1.5N型半导体的共价键结构施主杂质：因为五价元素的杂质在半导体中能够产生多余的电子，故称之为施主杂质或N型杂质。在N型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子。综上所述，在杂质半导体中，因为参杂，载流子的数量比本征半导体有相当程度的增加，尽管参杂的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。5.PN结(1)PN结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成P型半导体和N型半导体。此时将在P型半导体和N型半导体的结合面上形成PN结。物理过程示意图见课件图1.1.6所示。PN结的单向导电性(2)正偏与反偏：当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。PN结加正向电压: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结导通。其示意图见课件图1.1.7所示。PN结加反向电压: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结截止。其示意图见课件图1.1.8所示。PN结的单向导电性PN结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压（反偏）时截止的特性，称为PN结的单向导电性。（3）PN结的特性曲线PN结的V-I特性表达式：式中，IS—反向饱和电流；n—发射系数，与PN结的的尺寸、材料等有关，其值为1~2；VT—温度的电压当量，且在常温下（T=300K）:VT=kT/q=0.026V=26mVPN结的正向特性：死区电压Vth：硅材料为0.5V左右；锗材料为0.1V左右。导通电压Von：硅材料为0.6~0.7V左右；锗材料为0.2~0.3V左右。PN结的反向特性：反向电流：在一定温度下，少子的浓度一定，当反向电压达到一定值后，反向电流IR即为反向饱和电流IS，基本保持不变。反向电流受温度的影响大。)2.1.1()1(/SDDTnVveIiPN结的反向击穿特性：反向击穿：当反向电压达到一定数值时，反向电流急剧增加的现象称为反向击穿（电击穿）。若不加限流措施，PN结将过热而损坏，此称为热击穿。电击穿是可逆的，而热击穿是不可逆的，应该避免反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型：雪崩击穿：当反向电压增加时，空间电荷区的电场随之增强，使通过空间电荷区的电子和空穴获得的能量增大，当它们与晶体中的原子发生碰撞时，足够大的能量将导致碰撞电离。而新产生的电子-空穴对在电场的作用下，同样会与晶体中的原子发生碰撞电离，再产生新的电子-空穴对，形成载流子的倍增效应。当反向电压增加到一定数值时，这种情况就象发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增加，于是导致了PN结的雪崩击穿。齐纳击穿：齐纳击穿的机理与雪崩击穿不同。在较高的反向电压作用下，空间电荷区的电场变成强电场，有足够的能力破坏共价键，使束缚在共价键中的电子挣脱束缚而形成电子-空穴对，造成载流子数目的急剧增加，从而导致了PN结的齐纳击穿。（4）PN结的电容效应：势垒电容Cb：PN结外加电压变化，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压增加或减少，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为势垒电容Cb。当PN结加反向电压时，Cb明显随外加电压变化，利用该特性可以制成各种变容二极管。扩散电容Cd：PN结外加正向电压变化，扩散区的非平衡少子的数量将随之变化，扩散区内电荷的积累与释放过程，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称之为扩散电容Cd。结电容Cj=Cb+Cd。反偏时，势垒电容Cb为主；正偏时，扩散电容Cd为主。低频时忽略，只有频率较高时才考虑结电容的作用。1.2半导体二极管1.半导体二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(b)面接触型图1.2.1二极管的结构示意图（1）点接触型二极管:PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。（2）面接触型二极管：PN结面积大，用于工频大电流整流电路。（3）平面型二极管：往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。（4）二极管的图形符号：2．半导体二极管的V-I特性：二极管的特性与PN结的特性基本相同，也分正向特性、反向特性和击穿特性。其差别在于二极管存在体电阻和引线电阻，在电流相同的情况下，其压降大于PN结的压降。在此不再赘述。3．半导体二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VR(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)最高工作频率fM(6)结电容Cj4．二极管的等效模型电路（1）理想模型：正偏时：uD=0,RD=0;反偏时：iD=0,RD=。相当于一理想电子开关。（2）恒压降模型：正偏时：uD=Uon,RD=0;反偏时：iD=0,RD=。相当于一理想电子开关和恒压源的串联。（3）折线型模型：正偏时：uD=iDrD+UTH;反偏时：iD=0,RD=。相当于一理想电子开关、恒压源和电阻的串联。（4）小信号模型：二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正图1.2.2二极管的符号k阴极阳极a向特性可以等效成一个微变电阻。则DdDvri根据D/DS(1)TvViIe得Q点处的微变电导DdDQdigdvD/STvVQTIeVdd1rgDTVI常温下（T=300K）dDD26(mV)(mA)TVrII5.二极管基本电路及模型分析法（1）二极管的静态工作情况分析例1.2.1求图1.2.9（a）所示电路的硅二极管电流ID和电压VD。解：理想模型，VD=0，则200210DDDDVVImARK恒压降模型，VD=0.7V，则200.71.9310DDDDVVImARK（2）二极管限幅电路（3）二极管开关电路6.稳压二极管（1）稳压二极管的伏安特性：利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。其伏安特性如图1.2.12所示。（2）稳压二极管的主要参数：稳定电压VZ稳定电流IZ（IZmin、IZmin）额定功耗PZM动态电阻rZ温度系数（3）稳压二极管构成的稳压电路例1.2.4设计如图1.2.13所示稳压管稳压电路，已知VO=6V，输入电压VI波动10%，RL=1k。解：选择DZ：查手册，选择DZ为2CW13，VZ=(5~6.5V)，IZmax=38mA,IZmin=5mA选择限流电阻R：maxmax0min6(2~3)(2~3)6(2~3)1000(12~18)ZOZLLVVVIIVRAmAmaxmin3maxminmax3min(12~18),1515(110%)6241()38106/100015(110%)6682()5106/100047010,11,12,13,15,16,18,20,22,24,27,30,33,36,39,43,47,5IOIIOZOIOZOVVVVVVVRIIVVRIIR取可取标称值。（标称系列值：1,56,62,68,75,82,91）7.其它类型的二极管（1）发光二极管：工作电压一般在1.5~2.5V之间，工作电流在5~30mA之间，电流越大，发光越强。（2）光电二极管：外加反向电压，无光照时的反向电流称之为暗电流；有光照时的反向电流称之为光电流，光照越强，光电流越大。（3）变容二极管（4）激光二极管（5）隧道二极管和肖特基二极管1.3双极性晶体管1.双极性晶体管的结构及类型:双极性晶体管的结构如图1.3.1所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。结构特点：基区很薄，且掺杂浓度很低；发射区的掺杂浓度远大于基区和集电区的掺杂浓度；集电结的结面积很大。上述结构特点构成了晶体管具有放大作用的内部条件。2.晶体管的电流放大作用（1）晶体管具有放大作用的外部条件:发射结正偏，集电结反偏。对于NPN管，VCVBVE；对于PNP管，VEVBVC。（2）晶体管内部载流子的运动（如课件图1.3.3所示）发射区：发射载流子；集电区：收集载流子；基区：传送和控制载流子以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。（3）晶体管的电流分配关系根据传输过程可知:IE=IB+ICIC=InC+ICBOIB=IB’-ICBO传输到集电极的电流设发射极注入电流nCEII通常ICICBOCEII则有为共基直流电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关