模拟电子技术电子教案(第一章)N

模拟电子技术电子教案制作人：郭建才华南师范大学教育信息技术学院第一章半导体器件教学目标本章应重点掌握以下内容：半导体二极管的单向导电特性、伏安特性以及主要电参数。硅稳压二极管的伏安特性、稳压原理及主要电参数。晶体管的放大作用、输入特性曲线和输出特性曲线、主要参数、温度对参数的影响。教学内容1.1半导体基础知识1.2PN结1.3半导体三极管1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.1本征半导体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。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。1.1.1本征半导体半导体硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。原子序号分别为14（2、8、4）和32（2、8、18、4）。Si硅原子Ge锗原子1.1.1本征半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。1.1.1本征半导体在硅和锗晶体中，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子+4+4+4+41.1.1本征半导体形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。+4+4+4+4共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。1.1.1本征半导体在绝对温度0K(-273℃)时，本征半导体中的电子受原子核的束缚，故该半导体不存在能导电的粒子，从而呈现绝缘体的性能。绝对温度=273+摄氏温度+4+4+4+41.1.1本征半导体共价键中的价电子受激发获得能量并摆脱共价键的束缚成为“自由电子”，并在原共价键的位置上形成一个“空穴”，这一过程称为本征激发。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1－3本征半导体中的自由电子和空穴空穴自由电子1.1.1本征半导体电子和空穴均是能够自由移动的带电粒子，称为载流子。电子带负电荷，空穴带正电荷。+4+4+4+41.1.1本征半导体载流子在电场作用下的定向运动称为漂移.本征半导体中自由电子数ni等于空穴数pi，即ni＝pi.+4+4+4+41.1.1本征半导体产生自由电子和空穴对的同时，部分电子也失去能量返回到共价键处，使自由电子和空穴对消失，此过程称为载流子的复合。+4+4+4+41.1.1本征半导体空穴在电场作用下定向移动形成电流，实际上是共价键中的价电子在作填补空穴的移动，方向与空穴移动的方向相反。+4+4+4+41.1.1本征半导体本征半导体的载流子浓度，除与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。因此，本征载流子的浓度对温度十分敏感。+4+4+4+4本征半导体特点本征激发产生成对电子和空穴。温度越高，电子空穴对的浓度越大。外部条件一定时，不断有本征激发产生新的电子和空穴，也不断有电子与空穴复合而消失，达到动态平衡。室温下，电子、空穴对浓度较低，故电阻率大，导电性能差。1.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm3某种掺杂半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm31.1.2杂质半导体掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺入的杂质主要是微量的价电子数较为接近的三价或五价元素。1.1.2杂质半导体N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。N型半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。+4+4+4+4+5+4+4+4+4键外电子施主原子图1－4N型半导体共价键结构N型半导体在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。+4+4+4+4+5+4+4+4+4键外电子施主原子图1－4N型半导体共价键结构提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。+4+4+4+4+3+4+4+4+4图1－5P型半导体的共价键结构受主原子空位P型半导体在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。+4+4+4+4+3+4+4+4+4图1－5P型半导体的共价键结构受主原子空位本节中的有关概念本征半导体、杂质半导体自由电子、空穴N型半导体、P型半导体多数载流子、少数载流子1.2PN结1.2.1异型半导体接触现象1.2.2PN结的单向导电特性1.2.3PN结的击穿特性1.2.4PN结的电容效应1.2.5半导体二极管1.2.6稳压二极管1.2.7二极管的应用1.2.8其它二极管1.2.1异型半导体接触现象P型和N型半导体相接触，其交界面两侧由于载流子的浓度差，产生扩散运动，形成扩散电流．---------------+++++++++++++++---------------+++++++++++++++耗尽层空间电荷区自键场PNPN(a)多数载流子的扩散运动(b)平衡时阻挡层形成图1－6PN结的形成1.2.1异型半导体接触现象扩散时将分别留下带正、负电荷的杂质离子，形成空间电荷和自建场．在该电场作用下，载流子作漂移运动，其方向与扩散方向相反，阻止扩散，平衡时扩散运动与漂移运动相等。---------------+++++++++++++++---------------+++++++++++++++耗尽层空间电荷区自键场PNPN(a)多数载流子的扩散运动(b)平衡时阻挡层形成图1－6PN结的形成1.2.2PN结的单向导电特性---+++++++++++++----------PNPNID自建场外电场自建场外电场-+UURR(a)外加正向电压(b)外加反向电压图1－7PN结单向导电特性当外加电压使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。加正向电压时，PN结处于导通状态，其正向电流随正向电压增大而增大。PN结正向偏置－－－－++++内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，正向电流大空间电荷区变薄PN+_正向电流PN结反向偏置－－－－++++空间电荷区变厚NP+_++++－－－－内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流很小，A级1.2.2PN结的单向导电特性UB0IU图1－8PN结伏安特性其中)1(/SDTUUeIIIS——反向饱和电流UT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）26mVV026.0qkTUT1.2.3PN结的击穿特性UB0IU图1－8PN结伏安特性当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆1.2.4PN结的电容效应PN结电压变化，阻挡层厚度也发生变化，从而引起阻挡层内电荷变化。此种电容称为势垒电容CT。1.势垒电容CT势垒电容示意图1.2.4PN结的电容效应PN结正向运用时，多数载流子在扩散过程中引起电荷积累，正向电压变化，其积累的电荷也变化，此种电容称为扩散电容CD。2.扩散电容CD扩散电容示意图1.2.4PN结的电容效应一般情况下，PN结加正向电压时，扩散电容CD起主要作用。加反向电压时，势垒电容CT起主要作用。PN结电容均随外加电压变化而变化。0CjU图1－10势垒电容和外加电压的关系1.2.5半导体二极管1.基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PN符号阳极阴极PN1.2.5半导体二极管2.分类二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管点接触型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。1.2.5半导体二极管(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。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于低频大电流整流电路。面接触型平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底半导体二极管图片半导体二极管图片二极管伏安特性UI导通压降:硅管0.7V,锗管0.2V。反向击穿电压U(BR)反向漏电流（很小，A级）死区电压硅管0.6~0.8V,锗管0.1~0.3V。二极管伏安特性锗二极管2AP15的V-I特性0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR正向特性反向特性反向击穿特性二极管的主要参数二极管的主要参数有：最大整流电流IF最大反向工作电压UR反向电流IR直流电阻RD交流电阻rd最高工作频率fM1.2.6稳压二极管1.稳压特性(a)符号(b)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。IZ很大，VZ很小。1.2.6稳压二极管(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZ在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率PZM＝VZIZ(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin(5)稳定电压温度系数——VZ2.稳压二极管主要参数1.2.7二极管的应用RLuiuOuiuott二极管半波整流1.2.7二极管的应用RUCCUOUAUBUCVD1VD2VD3图1－23二极管“与”门电路1.2.8其它二极管＋－图1－24发光二极管符号＋－图1－25光电二极管符号1.2.8其它二极管图1－26光电耦合器件输入输出图1－27变容二极管符号1.3半导体三极管1.3.1三极管的结构及类型1.3.2三极管的三种连接方式1.3.3三极管的放大作用1.3.4三极管的特性曲线1.3.5三极管的主要参数1.3.6温度对三极管参数的影响1.3.1三极管的结构及类型三极管是组成各种电子线路的核心器件(a)(b)(c)(d)图1-28几种半导体三极管的外形两个PN结：发射结和集电结三个区域：发射区、基区、集电区三个极：发射极、基极、集电极NPNcbeNPNcbecbe集电结c集电结集电区基极b基区发射区发射极e发射结（a)NPN(b)PNP图1－29三极管的结构示意图和符号1.3.2三极管的三种连接方式IEIEIEICICICIBIBIBebcbcebec(a)共基极（b)共发射极(c)共集电极图1－30三极管的三种连接方式1.3.3三极管的放大作用为实现放大，三极管应满足下列条件(1)发射区重掺杂，(2)基区很薄；(3)集电结面积大，(4)发射结正向偏置，集电结反向偏置．三极管的结构特点BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高三极管的电流放大原理BECNNPEBRBEcIE1IB进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IB,多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。BECNNPEBRBEcIE从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。IC2ICIB三极管的电流放大原理三极管的电流放大原理实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数=IC/IBIC=IB动态电流放大倍数IB：IB+IBIC：IC+IC=IC/IB一般认为：==，近似为一常数，值范围：20~100IC=IB电流分配关系：IE=IB+ICIC=βIBICRcUccNPNIBRbUBBIEecb图1－31三极管中载流子的传输过程ICBO为c结少数载流