模拟电子技术基础第一章

模拟电子技术基础信息科学与工程学院·基础电子教研室8:36:57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8:36:57第一章常用半导体器件内容提要本章介绍了半导体的基本知识，然后阐述了三种常用半导体器件：半导体二极管、晶体管和场效应管的工作原理和基本特性。本着“管为路用”的原则，在了解其基本原理的基础上，重点掌握他们的外特性—基本应用。8:36:571.1半导体基础知识8:36:571.1半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。8:36:571.1.1本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。一、半导体导电特性处于导体（低价元素构成）和绝缘体（高价元素构成）之间，称为半导体，如锗、硅等，均为四价元素。8:36:57共价键价电子共有化，形成共价键的晶格结构8:36:571.1.1本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。一、半导体二、本征半导体的导电情况金属导电是由于其内部有自由电子存在(载流子),在外电场的作用下,自由电子定向移动,形成电流.8:36:57半导体中有两种载流子:自由电子和空穴自由电子空穴8:36:57在外电场作用下，电子的定向移动形成电流++++++++--------8:36:57在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流++++++++--------8:36:571.本征半导体中载流子为电子和空穴;2.电子和空穴成对出现,浓度相等;3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导体的导电性和温度有关,对温度很敏感。8:36:571.1.2杂质半导体一、N型半导体在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。电子----多子;空穴----少子.8:36:571.1.2杂质半导体二、P型半导体在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。空穴----多子;电子----少子.注意杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度；少子的浓度决定于温度。8:36:571.1.3PN结采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。一、PN结的形成P区N区8:36:57一、PN结的形成在交界面，由于两种载流子的浓度差，出现扩散运动。8:36:57一、PN结的形成在交界面，由于扩散运动,经过复合,出现空间电荷区空间电荷区耗尽层8:36:57一、PN结的形成当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成PN结。PN结8:36:571.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成PN结。8:36:57二、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压时处于导通状态加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压，也称正向接法或正向偏置。8:36:57内电场外电场外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄，形成较大的扩散电流。8:36:572.PN结外加反向电压时处于截止状态外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变宽，形成很小的漂移电流。8:36:57三、PN结的伏安特性正向特性反向特性反向击穿PN结的电流方程为)1(TUuSeIi其中，IS为反向饱和电流，UT≈26mV，8:36:571.2半导体二极管8:36:571.2半导体二极管将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（A），由N区引出的电极为阴极（K）。二极管的符号：PN阳极阴极8:36:57一、伏安特性UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。8:36:57环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。在室温附近,温度每升高1°C,正向压降减小2~2.5mV;温度每升高10°C，反向电流约增大1倍。二极管的特性对温度很敏感。8:36:57二、二极管的主要参数1.最大整流电流IF2.最高反向工作电压UR二极管长期运行时允许通过的最大平均电流。二极管工作时允许加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。半导体的参数是对其特性和极限应用的定量描述，是设计电路时选择器件的主要依据。8:36:57由于二极管的特性是非线性的，为了分析问题的简单、方便，可在特定情况下对其进行线性化处理，即用线性化的等效模型来代替二极管。三、二极管的等效电路当二极管两端电压远小于与之串联的元器件电压，流过二极管的电流远小于与之并联分支电流时，可将二极管理想化。认为：二极管正向导通，导通电压为0，反向截止，截止电流为0。8:36:57三、二极管的等效电路当二极管两端电压超过导通电压时，认为二极管导通，导通电压为Uon,当二极管两端电压小与导通电压或者为负电压时，认为二极管截止,截止电流为0。8:36:57Q△iD△uD三、二极管的等效电路8:36:57四、二极管的应用ttuo0ui0Dui＋－uo＋－RL【例1】画出二极管电路的输出波形（设UD=0）。EWB仿真二极管整流8:36:57【例2】画出二极管电路的输出波形（设UD=0.7V）。0.7V0.7V-3VEWB仿真二极管限幅8:36:57【例3】电路如图所示，二极管的导通电压UD约为0.7V。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。当开关断开时，二极管因加正向电压而处于()状态，故输出电压为V3.5V)7.06(1DOUVU导通分析8:36:57【例3】电路如图所示，二极管的导通电压UD约为0.7V。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。当开关闭合时，二极管外加反向电压，因而（），故输出电压为V122VUO分析截止8:36:57UO1≈()，UO2＝()，UO3≈()，UO4≈()，UO5≈()，UO6≈()【例4】写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD＝0.7V。1.3V0－1.3V2V1.3V－2V8:36:57五、稳压二极管及应用1.稳压管的工作原理稳压管的符号8:36:572.稳压管的主要参数①稳定电压UZUZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。②稳压电流IZ③额定功耗PZMIZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。PZM等于稳定电压UZ与最大稳定电流IZM（或IZmax）的乘积。8:36:573.稳压管的稳压条件稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。必须工作在反向击穿状态；流过稳压管的电流在IZ和IZM之间。注意！8:36:574.稳压管的应用【例1】典型应用电路：RL为负载电阻，R限流电阻当UI变化时，由于稳压管的作用，输出UO不变。8:36:57【例2】已知稳压管的UZ=6V,最小电流IZmin=5mA,最大电流IZmax=25mA。（1）分别计算UI为10V、15V、35V时输出UO的值。（2）若UI为35V时负载开路，则会出现什么现象？解题思路首先假设稳压管不工作（开路），求出其两端电压，是否满足稳压条件①；然后假设稳压管工作（文雅），看其是否满足稳压条件②。8:36:57解：假设稳压管不工作Uo’UI为10V时UO’=RL/(RL+R)=3.33V∵UO’UZ∴稳压管不工作，UO=3.33V【例2】已知稳压管的UZ=6V,最小电流IZmin=5mA,最大电流IZmax=25mA。（1）分别计算UI为10V、20V、35V时输出UO的值。（2）若UI为35V时负载开路，则会出现什么现象？8:36:57解：假设稳压管不工作UI为20V时UO’=RL/(RL+R)=6.7VUO’UZ∴UO=6V【例2】已知稳压管的UZ=6V,最小电流IZmin=5mA,最大电流IZmax=25mA。（1）分别计算UI为10V、20V、35V时输出UO的值。（2）若UI为35V时负载开路，则会出现什么现象？假设稳压管工作IR=(UI-UZ)/R=18mAIL=UZ/RL=12mA∵IZminIDZIZmaxIDZ=IR-IL=6mA8:36:57UI为35V时,同理可求出UO=6VUO’UZ∴稳压管将因功耗过大而损坏【例2】已知稳压管的UZ=6V,最小电流IZmin=5mA,最大电流IZmax=25mA。（1）分别计算UI为10V、20V、35V时输出UO的值。（2）若UI为35V时负载开路，则会出现什么现象？假设稳压管工作IR=(UI-UZ)/R=29mA∵IDZIZmaxIDZ=IR-IL=29mAUI为35V时负载开路8:36:57【例3】两只稳压管的稳压值分别为5V和10V，正向导通电压为0.7V,将他们串联或者并联，可能得到几种电压值？15V5.7V10.7V1.4V5V0.7V8:36:57六、特殊二极管1.光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。8:36:572.发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成,当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。8:36:57§1.3双极型晶体管8:36:57§1.3双极型晶体管一、晶体管的结构和类型NPN型基区发射区集电区发射结集电结发射极基极集电极bec发射极箭头的方向为电流的方向8:36:57bPNP集电极基极发射极cePNP型8:36:57二、晶体管的电流放大作用放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真的放大输出，放大的对象是变化量。晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置。晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。共射放大电路8:36:571.发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流ICIBICIE晶体管内部载流子的运动8:36:57BCEIII晶体管的电流分配关系IBICIEBCII共射直流电流放大系数1)1(BEBCIIII8:36:57BCEIII晶体管的电流分配关系BCII共射直流电流放大系数1)1(BEBCIIIIBCiiΔΔ共射交流电流放大系数通常认为：8:36:57晶体管的电流分配关系IBICIEIBICIE8:36:57三、晶体管的共射特性曲线UCEIC+-UBEIB+-实验线路mAAVVRBECEBRC8:36:571.输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。8:36:572.输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。IC只与IB有关，IC=IB。8:36:57IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。2.输出特性8:36:57IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE死区电压，称为截止区。2.输出特性8:36:57输出特性三个区域的特点:(1)放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC=IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V(3)截止区：UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO08