电子技术教案

1开发区职业技术学院引言课程介绍一、什么是电子技术电子技术是把电子元器件组成的电子电路应用到科学、技术、生产、生活各项领域的应用技术，电子电路是信息社会产生、传送、处理信号的（硬件）载体。注：常用的电子元器件元件：电阻、电容、电感器件：半导体二极管和三极管、电子管、集成电路、传感器、变压器、滤波器、继电器等。二、课程的性质、特点、要求以及学习方法课程性质：技术基础课课程特点：1．实践性、工程性强，多采用近似方法分析计算2．小信号下非线性电路按线性电路处理3．内容复杂、不断更新4．入门难学习要求：理解基本原理掌握基本方法熟悉基本电路理论联系实际学习方法1．从外特性上认识理解基本元器件，淡化对其物理机理的追究2．从系统角度认识电路，理解不同电路耦合时，它们之间作为信号源与负载的相对关系，以及输入、输出电阻的相互影响3．归纳分析计算不同电路参数的基本方法，不死记硬背公式4．把非线性电路作为线性电路对待5．重视实践，注重理性认识和感性认识的相辅相成2开发区职业技术学院6．坚持预习，及时复习，认真听课，独立并及时完成作业和实验作业课堂教学内容模拟部分：1．基本器件半导体管：二极管、三极管（双极性，晶体三极管。单极性，场效应管）集成器件：集成运算放大器、集成功率放大器、集成模拟乘法器、线性集成稳压器）教学内容：工作原理、性能参数、外特性2．基本电路基本应用电路：运算电路教学内容：电路的工作原理和分析方法数字部分：数字逻辑基础、集成逻辑门电路、组合逻辑电路的分析和设计、集成触发器、时序逻辑电路的分析和设计、半导体存储器及数-模和模-数转换等电子技术模拟电子技术－电路工作在连续信号下（1—3章）数字电子技术－电路工作在离散信号下（6—9章）基本放大电路形式差分放大电路互补对称功率放大电路共集电极放大电路共发射极放大电路共基极放大电路晶体三极管构成3开发区职业技术学院第一章半导体基础及常用器件引言半导体器件是在20世纪50年代初发展起来的电子器件，它具有体积小、质量小、使用寿命长、输入功率小等优点。本章主要介绍本征半导体、P型和N型半导体的特征及PN结的形成过程；二极管的伏安特性及其分类、用途；三极管的电流放大原理，其输入和输出特性的分析方法；双极型和单极型三极管在控制原理上的区别。讲授新课1.1半导体的基本知识1.导体、绝缘体和半导体物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结构。（1）导体导体一般为低价元素,如铜、铁、铝等金属,其最外层电子受原子核的束缚力很小,因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下,这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流,呈现出较好的导电特性。（2）绝缘体高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶,塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强,极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子,所以其导电性极差,可作为绝缘材料。（3）半导体半导体的最外层电子数一般为4个，既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚,成为自由电子,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧,因此,半导体的导电特性介于二者之间。常用的半导体材料有硅、锗、硒等。4开发区职业技术学院2.半导体的独特性能金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝缘体的电导率通常是10-22~10-14s/cm量级；半导体的电导率则在10-9~102s/cm量级。半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：光敏性——半导体受光照后，其导电能力大大增强热敏性——受温度的影响，半导体导电能力变化很大；掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；半导体材料的独特性能是由其内部的导电机理所决定的。3.本征半导体纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗,它们都是四价元素,在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。如图1.1.1所示为便于讨论,采用图1.1.2所示的简化原子结构模型。把硅或锗材料拉制成单晶体时,相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子,它们一方面围绕自身的原子核运动,另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用,同时还受到相邻原Si284Ge28184图1.1.1Si和Ge的原子结构＋4图1.1.2Si和Ge的原子结构的简化模型＋4共价键价电子＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋45开发区职业技术学院子核的吸引。于是,两个相邻的原子共有一对价电子,组成共价键结构。故晶体中,每个原子都和周围的４个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来,如图1.1.3所示。从共价键晶格结构来看，每个原子外层都具有8个价电子。但价电子是相邻原子共用，所以稳定性并不能象绝缘体那样好。受光照或温度上升影响，共价键中价电子的热运动加剧，一些价电子会挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子。游离走的价电子原位上留下一个不能移动的空位，叫空穴。由于热激发而在晶体中出现电子空穴对的现象称为本征激发。本征激发的结果，造成了半导体内部自由电子载流子运动的产生，由此本征半导体的电中性被破坏，使失掉电子的原子变成带正电荷的离子。由于共价键是定域的，这些带正电的离子不会移动，即不能参与导电，成为晶体中固定不动的带正电离子。受光照或温度上升影响，共价键中其它一些价电子直接跳进空穴，使失电子的原子重新恢复电中性。价电子填补空穴的现象称为复合。参与复合的价电子又会留下一个新的空位，而这个新的空穴仍会被邻近共价键中跳出来的价电子填补上，这种价电子填补空穴的复合运动使本征半导体中又形成一种不同于本征激发下的电荷迁移，为区别于本征激发下自由电子＋4共价键价电子＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4图1.1.3单晶硅和锗的共价键结构示意图6开发区职业技术学院载流子的运动，我们把价电子填补空穴的复合运动称为空穴载流子运动。自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移动；空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。半导体的导电机理：半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别：金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，即自由电子载流子和空穴载流子的运动方向相反。结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。4.杂质半导体在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。（1）在本征半导体中,掺入微量５价元素,如磷、锑、砷等,则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有５个价电子,因此它与周围４个硅(锗)原子组成共价键时,还多余1个价电子。它不受共价键的束缚,而只受自身原子核的束缚,因此,它只要得到较少的能量就能成为自由电子,并留下带正电的杂质离子,它不能参与导电,如图１.1.４所示。显然,这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度,即nnpn(下标ｎ表示是Ｎ型半导体),主要靠电子导电,所以称为Ｎ型半导体。7开发区职业技术学院+4+4+4+4+4+4+4+4+4空位受主原子由于５价杂质原子可提供自由电子,故称为施主杂质。Ｎ型半导体中,自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。（2）P型半导体在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如图1.1.5所示。+5+4+4+4+4+4图1.1.4N型半导体原子结构示意图图1.1.5P型半导体原子结构示意图8开发区职业技术学院（3）P型、N型半导体的简化图示图1.1.6所示为P型、N型半导体的简化图结论：N型半导体：自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子，载流子数电子数P型半导体：空穴称为多数载流子；自由电子称为少数载流子，载流子数空穴数5.PN结（1）PN结的形成1）载流子的浓度差引起多子的扩散在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成P型半导体,另一边形成N型半导体。P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图1.17(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图1.1.7(b)所示。少数载流子多数载流子少数载流子多数载流子图1.1.6P型、N型半导体的简化图9开发区职业技术学院2）复合使交界面形成空间电荷区（耗尽层）空间电荷区的特点：无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。3）扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。（2）PN结的单向导电特性在PN结两端外加电压,称为给PN结以偏置电压。1）PN结正向偏置给PN结加正向偏置电压,即P区接电源正极,N区接电源负极,此时称PN结为正向偏置(简称正偏),如图1..1.8所示。由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反,削弱了内电场,使PN结变薄,有利于两区多数载流子向对方扩散,形成正向电流,此时PNP(a)NP(b)N空间电荷区内电场UB图1.1.7PN结的形成P区N区+UR外电场内电场图1.1.8PN结加正向电压10开发区职业技术学院2．PN给PN结加反向偏置电压,即N区接电源正极,P区接电源负极,称PN结反向偏置(简称反偏),如图1.1.9所示。由于外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内电场,使PN结加宽,阻碍了多子的扩散运动。在外电场的作用下,只有少数载流子形成的很微弱的电流,称为反向电流。注：少数载流子是由于热激发产生的,因而PN结的反向电流受温度影响很大。结论：PN结具有单向导电性,即加正向电压时导通,加反向电压时截止。6、PN结的击穿特性当加于PN结的反向电压增大到一定值时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。1)雪崩击穿在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、P区N区+UR内电场外电场图1.1.9PN结加反向电压11开发区职业技术学院空穴对。2)齐纳击穿在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。PN结，UBR7V时为雪崩击穿；UBR5V时为齐纳击穿；UBR介于5~7V时，两种击穿都有。本节小节1．本征半导体的特性2．两种杂质半导体的导电机理3．PN结的形成及单向导电性12开发区职业技术学院1.2二极管复习并导入新课上节课主要介绍了半导体的一些基本特性，其中重点讲述了PN结的形成及其单向导电性。在PN结加上电极引线和管壳便构成了晶体二极管。1．二极管的基本结构与类型把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压管和整流管等。二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图1.2.1所示,在图1.2.1(b)所示电路符号中,箭头指向为正向导通电流方向。:根据PN结面积大小,有点接触型、面接触型二极管,其结构如图1.