模電數(shù)電ch2-1_yy

1、主講教師：楊云聯(lián)系方式：學院：信息工程學院班級：網(wǎng)絡工程1101/02班第二部分第二部分 模擬電子技術模擬電子技術課程內(nèi)容：課程內(nèi)容：2-1 半導體器件基礎半導體器件基礎2-2 放大電路基礎放大電路基礎2-3 放大電路中的反饋放大電路中的反饋2-4 集成運算放大器集成運算放大器2-5 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路2-6 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源重點和難點：重點和難點：重點：晶體二極管，晶體三極管，場效應管，基本共射放大電路以及分析，集成運算放大器難點：放大電路的靜態(tài)和動態(tài)分析方法，集成運放的基本運算電路2-1 半導體器件基礎半導體器件基礎1.1 半導體的基本知識半導體的基本知識本征和雜質半導體

2、，本征和雜質半導體，PN結及其單向導電性結及其單向導電性1.2 晶體二極管晶體二極管二極管的特性，二極管的特性，VAR和等效電路，主要參數(shù)，和等效電路，主要參數(shù)，溫度特性，應用溫度特性，應用1.4 場效應管場效應管場效應管的特性，主要參數(shù)場效應管的特性，主要參數(shù)1.3 晶體三極管晶體三極管三極管的特性，電流分配與放大作用，三極管的特性，電流分配與放大作用，VAR和等和等效電路，主要參數(shù)效電路，主要參數(shù)1. 1. 二極管的特性與應用二極管的特性與應用3. 3. 場效應管的特性場效應管的特性l 重點重點：2. 2. 三極管的特性三極管的特性基本要求：基本要求：了解PN結的單性導電性原理，掌握二極管

3、的電流方程、伏安特性，理解溫度對它們的影響。學會分析二極管應用電路的方法，了解穩(wěn)壓管。了解三極管放大的內(nèi)部原因和外部條件，掌握三極管的共射輸入、輸出特性，了解溫度對它們的影響。理解晶體管三個工作區(qū)的特點，學會判斷電路中晶體管工作狀態(tài)的方法。與三極管比較，了解場效應管的特性，掌握場效應管三個工作區(qū)域的特點。難難 點：點：二極管的應用，三極管的放大作用1.1.1 導體、半導體和絕緣體導體、半導體和絕緣體導體：導體：自然界中很容易導電的物質稱為自然界中很容易導電的物質稱為導體導體，金屬金屬一般都是導體一般都是導體。絕緣體：絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體，如橡如橡

4、皮、陶瓷、塑料和石英皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：半導體：另有一類物質的導電特性另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣處于導體和絕緣體之間，稱為半導體體之間，稱為半導體，如，如鍺、硅、鍺、硅、砷化鎵砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。1.1 半導體的特性半導體半導體的導電機理不同于其它物質，所以它具有的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的不同于其它物質的特點特點。例如：。例如： 當受外界當受外界熱和光熱和光的作用時，它的的作用時，它的導電能導電能 力明顯變化力明顯變化。 往純凈的半導體中往純凈的半導體中摻入某些雜質摻入某些雜質，會使，會使 它的它的導電能力明顯改變

5、導電能力明顯改變。1.1.2 本征半導體本征半導體本征半導體的結構特點本征半導體的結構特點GeSi通過一定的工藝過程，可以通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體將半導體制成晶體?，F(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺硅和鍺，它們，它們的最外層電子（價電子）都是的最外層電子（價電子）都是四個四個。本征半導體：本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。完全純凈的、結構完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的

6、頂點，每個原子而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成與其相臨的原子之間形成共價鍵共價鍵，共用一對價，共用一對價電子。電子。硅和鍺的晶硅和鍺的晶體結構：體結構：硅和鍺的共價鍵結構硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自自由電子由電子，因此，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能

7、力很弱本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。八個，構成穩(wěn)定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。則排列，形成晶體。+4+4+4+41.1.3 雜質半導體雜質半導體在本征半導體中在本征半導體中摻入某些微量的雜質摻入某些微量的雜質，就會，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導體：型半導體：空穴濃度大大增加的雜質半導體，也空穴濃度大大增加的雜質半導體

8、，也稱為（空穴半導體）。稱為（空穴半導體）。N 型半導體：型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質半導體，自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（電子半導體）。也稱為（電子半導體）。一、一、N 型半導體型半導體在硅或鍺晶體中在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷摻入少量的五價元素磷（或銻），（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成

9、為自由電子，這樣磷原子很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為子給出一個電子，稱為施主原子施主原子。+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導體中型半導體中的載流子是什的載流子是什么？么？1.1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.2.本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為由電子濃

10、度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流多數(shù)載流子子（多子多子），空穴稱為），空穴稱為少數(shù)載流子少數(shù)載流子（少子少子）。）。二、二、P 型半導體型半導體在硅或鍺晶體中在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼摻入少量的三價元素，如硼（或銦），（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼

11、的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為原子接受電子，所以稱為受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半導體中空穴是多子，電子是少子型半導體中空穴是多子，電子是少子。三、雜質半導體的示意表示法三、雜質半導體的示意表示法P 型半導體型半導體+N 型半導體型半導體雜質雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關系，但由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。近似認為多子與雜質濃度相等。1.1.4 PN 結的形成結的形成在同一片半導體基片上，分別制造在同一片半導體基片上，分別制造

12、P 型半導型半導體和體和N 型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了交界面處就形成了PN 結。結。P型半導體型半導體N型半導體型半導體+擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E漂移運動漂移運動擴散的結果是使空間電擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。也稱耗盡層。漂移運動漂移運動P型半導體型半導體N型半導體型半導體+擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動

13、最終達到平衡，所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。度固定不變。+空間空間電荷電荷區(qū)區(qū)N型區(qū)型區(qū)P型區(qū)型區(qū)電位電位VV01.1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P P中的空穴中的空穴. .N區(qū)區(qū) 中的電子（中的電子（都是多子都是多子）向對方運動（）向對方運動（擴散擴散運動運動）。）。3.3.P 區(qū)中的電子和區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（區(qū)中的空穴（都是少都是少），），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。數(shù)量有限，因此由它們形

14、成的電流很小。注意注意: :1.1.5 PN結的單向導電性結的單向導電性 PN 結結加上正向電壓加上正向電壓、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是： P 區(qū)區(qū)加正、加正、N 區(qū)加負電壓。區(qū)加負電壓。 PN 結結加上反向電壓加上反向電壓、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P區(qū)區(qū)加負、加負、N 區(qū)加正電壓。區(qū)加正電壓。總結：正向偏置時呈導通狀態(tài)，反向偏置時呈截止狀態(tài)+RE一、一、PN 結正向偏置結正向偏置內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場變薄變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。較大的擴散電流。二、二、PN 結反向偏置結反向偏置+內(nèi)電場內(nèi)

15、電場外電場外電場變厚變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反限，只能形成較小的反向電流。向電流。RE1.2.1 半導體二極管半導體二極管一、基本結構一、基本結構PN 結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線引線外殼線外殼線觸絲線觸絲線基片基片點接觸型點接觸型PN結結面接觸型面接觸型PN二極管的電路符號二極管的電路符號VDVD：1.2 半導體二極管 二、伏安特性二、伏安特性UI死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.5V,鍺管鍺管0.1V。導通壓降導通壓降

16、: : 硅硅管管0.7V,鍺管鍺管0.2V。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR(1)TVVsIIe二極管的等效電路 1). 將伏安特性折線化理想理想二極管二極管近似分析近似分析中最常用中最常用理想開關理想開關導通時導通時 UD0截止時截止時IS0導通時導通時UDUon截止截止時時IS0導通時導通時i與與u成成線性關系線性關系應應根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！DTDDdIUiur根據(jù)電流方程，Q越高，越高，rd越小。越小。 當二極管在靜態(tài)基礎上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極當二極管在靜態(tài)基礎上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等

17、效電路。管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用時直流電源作用小信號作用小信號作用靜態(tài)電流靜態(tài)電流2). 微變等效電路微變等效電路二極管電路模型二極管電路模型 教材p18-19 圖2.8，2.9，2.10二極管的溫度特性：溫度升高，反向電流呈指數(shù)增加。T（）在電流不變情況下管壓降在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)1. 最大整流電流最大整流電流 Ir二極管長期使用時，允許流過二極管的最大二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。正向平均電

18、流。2. 反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電最高反向工作電壓壓UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。3. 反向電流反向電流 IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅溫度的

19、影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù)，以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應用是二極管的應用是主要利用它的單向導電性，主要應用于整流、限幅、主要利用它的單向導電性，主要應用于整流、限幅、保護等等。保護等等。下面介紹兩個交流參數(shù)。下面介紹兩個交流參數(shù)。4. 微變電阻微變電阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二極管特性曲線上工是二極管特性曲線上工作點作點Q 附近電壓的變化與附近電壓的變化與電流的變化之比：電流的變化之比：DDDiur顯然，顯然，rD是對是對Q附近

20、的微小附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。變化區(qū)域內(nèi)的電阻。二極管電路分析方法二極管電路分析方法 1）假設二極管截止（即斷開二極管） 2）確定二極管兩端的電位差，如果正負極間電壓為正，且大于閥值（硅管0.7V,鍺管0.2V,理想二極管為0V），則二極管導通，否則二極管截止 3）如果電路中含多個二極管，假設所有二極管斷開，確定所有二極管兩端電位差，再令電位差最大且為正的二極管優(yōu)先導通，然后令二極管導通端電壓為閥值，重復以上步驟計算其他二極管的端電壓，判斷其工作狀態(tài)。二極管：二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降正向壓降 0.7V(硅二極管硅二極管) 理想二極管：理想二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0

21、，正向壓降，正向壓降=0 RLuiuouiuott二極管的應用舉例二極管的應用舉例1：二極管半波整流二極管半波整流一、一、 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管UIIZIZmax UZ IZ穩(wěn)壓穩(wěn)壓誤差誤差曲線越陡，曲線越陡，電壓越穩(wěn)電壓越穩(wěn)定。定。+-UZ動態(tài)電阻：動態(tài)電阻：ZZIUZrrz越小，穩(wěn)壓越小，穩(wěn)壓性能越好。性能越好。1.2.5 特殊二極管特殊二極管（4）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗）最大允許功耗maxZZZMIUP穩(wěn)壓二極管的參數(shù)穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U（%/） 穩(wěn)壓

22、值受溫度變化影響的的系數(shù)。穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動態(tài)電阻）動態(tài)電阻ZZIUZr二、二、光電二極管光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加照度增加三、三、發(fā)光二極管發(fā)光二極管有正向電流流過有正向電流流過時，發(fā)出一定波長時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的紅外到可見波段的光，它的電特性與光，它的電特性與一般二極管類似。一般二極管類似。1.3.1 基本結構基本結構BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極NPN型型PNP集電極集電極基極基極發(fā)射極發(fā)射極BCEPNP型型1.3 半導

23、體三極管BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極發(fā)射結發(fā)射結集電結集電結becIBIEICNPN型三極管型三極管becIBIEICPNP型三極管型三極管三極管的電壓與電流方向：+-+-+-+-+VBCVBEVCEVBCVBEVCE1.3.2 三極管的放大原理三極管的放大原理 放大條件：放大條件： 放大內(nèi)部條件-基區(qū)很薄，摻雜濃度低；發(fā)射區(qū)很厚，摻雜濃度高；集電區(qū)濃度更低，集電結面積大。（結構） 放大外部條件：外加電壓保證發(fā)射結正偏，集電結反偏。（電壓） 對NPN型：c B E Si管：BE=0.7V Ge管：BE=0.2V對PNP型：c BIC，UCE 0.3V稱為飽和區(qū)。稱為飽和區(qū)。IC

24、(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此區(qū)域中此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V (3) 截止區(qū)：截止區(qū)：發(fā)射結反偏，集電結反偏。發(fā)射結反偏，集電結反偏。等效為斷等效為斷開的開關。開的開關。 UBE0時時UGS足夠大時足夠大時（UGSVT）感感應出足夠多電子，應出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子這里出現(xiàn)以電子導電為主的導電為主的N型型導電溝道。導電溝道。感應出電子感應出電子VT稱為閾值電壓稱為閾值電壓三、增強型三、增強型N溝道溝道MOS管的特性曲線管的特性曲線轉移特性曲線轉移特性曲線0IDUGSVT輸出特性曲線輸出特性曲線IDU DS0UGS0四、四、N溝道溝道耗盡型耗盡型MOS管的特性曲線管的特性曲線耗盡型的耗盡型的MOS管管UGS=0時就有導電溝道，加反向時就有導電溝道，加反向電壓才能夾斷。電壓才能夾斷。轉移特性曲線轉移特性曲線0IDUGSVT輸出特性曲線輸出特性曲線IDU DS0UGS=0UGS0場效應管的小結：工作在恒流區(qū)時g-s、d-s間的電壓極性)0(P)0(N)00(