模擬電子技術及應用課件

1、模擬電子技術及應用第1章 基本半導體分立器件 1.1 半導體的基本知識與PN結 1.2 半導體二極管 1.3 特殊二極管1.4 半導體三極管 1.5 場效應晶體管 導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。1-1 半導體的基本知識及PN結什么是半導體?半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使 它的導電能

2、力明顯改變。1.摻雜性2.熱敏性和光敏性半導體的三大特性1-1-1 本征半導體（純凈和具有晶體結構的半導體）一、本征半導體的結構特點GeSi現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。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，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相鄰的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結構：通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示原子外層原來有4個電子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，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵

3、成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，形成穩(wěn)定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4二、本征半導體的導電機理在絕對0度（-273）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），不能導電，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子（價電子）2.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在外界因素的作用下，空穴吸引

4、附近的電子來填補，結果相當于空穴的遷移，效果相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子，能定向移動而形成電流。本征半導體中兩種載流子的數(shù)量相等，稱自由電子空穴對。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點-半導體的熱敏性。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成： （1）自由電子移動產(chǎn)生的電流。 （2）空穴移動產(chǎn)生的電流。（在本征半導體中 自由電子和空穴成對出現(xiàn)，同時又不斷的復合）1-1-2 雜質(zhì)半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)原子，形成雜質(zhì)半導體。雜質(zhì)半導體的導電性能將發(fā)生顯著變

5、化，其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為空穴型半導體。N 型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為電子型半導體。一、N 型半導體在硅或鍺晶體（本征半導體）中摻入少量的五價元素，如磷，晶體中的某些半導體原子被雜質(zhì)原子取代。由于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，必定多出一個電子，這個電子不受共價鍵的束縛，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；本征半導體電子和空穴成對出現(xiàn)的現(xiàn)象也被打破。+4+4+5+4多余電子磷原子N 型半導體中的載流子有哪些呢？（1）由磷原子提供的電子

6、，濃度與磷原子相同。（2）本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。一般情況下，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。在N型半導體中，自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。二、P 型半導體在硅或鍺晶體（本征半導體）中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)原子取代。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，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半導體中空穴是多子，電子是少子。三、雜質(zhì)半導體的示意圖P 型半導體+N 型半導體小

7、結2.N型半導體：電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子；空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。3.P型半導體中空穴是多子，電子是少子。1. 本征半導體中受激（熱激發(fā)即本征激發(fā)）產(chǎn)生的電子和空穴成對出現(xiàn)，數(shù)量很少。4.雜質(zhì)半導體：多子數(shù)（多子濃度）主要由摻雜濃度決定，受溫度影響較小；而少子（少子濃度）主要由本征激發(fā)決定，所以受溫度影響較大。1-1-3 PN 結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P 型半導體和N 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PN 結。P 型半導體N 型半導體+擴散運動漂移運動擴散的結果是使

8、空間電荷區(qū)逐漸加寬。內(nèi)電場越強，漂移運動越強?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。內(nèi)電場E漂移運動P型半導體N 型半導體+擴散運動內(nèi)電場E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)的厚度固定不變。1.空間電荷區(qū)中沒有多數(shù)載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P區(qū)中的空穴和N區(qū)中的電子（都是多子）向對方運動（擴散運動）。3.P 區(qū)中的電子和N 區(qū)中的空穴（都是少子）數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。小結(1) 加正向電壓（正偏）電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū) 外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。 外電場削弱內(nèi)電場耗盡層變窄擴散運動漂移運動多子擴散形成正向電流（與外電場方向一致）

9、I F正向電流 1-1-4 PN 結的單向導電性(2) 加反向電壓電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū) 外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。 外電場加強內(nèi)電場耗盡層變寬漂移運動擴散運動少子漂移形成反向電流I RPN在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關，所以稱為反向飽和電流。但IR受溫度影響較大。 PN結加正向電壓時，可以有較大的正向擴散電流，即呈現(xiàn)低電阻， 我們稱PN結導通； PN結加反向電壓時，只有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， 我們稱PN結截止。 這就是PN結的單向導電性。本次課小結1、半導體與金屬導電的不同（載流子）。2、半導體的三大特性。3、本征半導體、

10、熱（本征）激發(fā)。4、摻雜半導體、多子和少子。5、PN結的形成。6、PN結的單向導電性。作業(yè)：P.5. 1.1.3P.8. 1.2.1 1.2.2 1.2.31-2半導體二極管1-2-1 半導體二極管的基本結構PN 結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。引線（管腳）外殼觸絲線基片點接觸型PN結面接觸型PN二極管的電路符號：陽極a+陰極k-1-2-2 伏安特性反向擊穿電壓UBR死區(qū)電壓，硅管約0.5V,鍺管約0.2V導通壓降: 硅管0.60.8V,鍺管0.2 0.4V。反向飽和漏電流V(V)I(mA)(A)二極管的反向擊穿簡介1-2-3 主要參數(shù)1. 最大整流電流 IDM二極管長期使用時，允許流過

11、二極管的最大正向平均電流。3. 反向擊穿電壓VBR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，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓VBWM一般是VBR的一半。2. 反向工作峰值電壓VBWM保證二極管不被擊穿時的反向峰值電壓。4. 反向電流 IR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。5. 微變電阻 rDiDvDIDVDQiDvDrD 是二極管特性曲線上工作點Q 附近電壓的變化量與電流的變化量之比：顯然

12、，rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。6. 二極管的極間電容（結電容）*二極管的兩極間存在電容效應，對應的等效電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。*勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。電容效應：當外加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度將隨之改變，即PN結中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。 當外加正向電壓不同時，PN結兩側堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同(相當于電容的充放電)。電容效應在交流信號作用下才會表現(xiàn)出來。擴散電容：為了形成正向電流（擴散電流），注入P 區(qū)的電子在P 區(qū)有濃度差，越靠近P

13、N結濃度越大，即在P 區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。勢壘電容在正偏和反偏時均不能忽略。而反向偏置時，由于少數(shù)載流子數(shù)目很少，可忽略擴散電容。PN結高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應rd 從二極管的主要參數(shù)中可得出二極管單向導電性失敗的場合及原因 1、正向偏壓太低。（不足以克服死區(qū)電壓）2、正向電流太大。（會使PN結溫度過高燒毀）3、反向偏壓太高。（造成反向擊穿）4、工作頻率太高。（使結電容容抗下降而反向不截止）實際二極管：死區(qū)電壓 0.5V，正向壓降0.7V(硅二極管)理想二極管：死區(qū)電壓=0 ，正向壓降=0 RLuiuouiuott二極管的應用舉例1：二極管半波

14、整流實際應用中利用二極管的單向導電性，典型應用有整流、限幅、保護等。二極管的應用舉例2：波形轉換tttuiuRuoRRLuiuRuo 1-3 特殊二極管1-3-1穩(wěn)壓二極管VIIZIZmaxUZIZ曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。（4）穩(wěn)定電流IZ ，最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)V（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數(shù)。（3）動態(tài)電阻穩(wěn)壓管只有與適當?shù)碾娮柽B接才能起到穩(wěn)壓作用。VIIZIZmaxUZIZUZiUIZIZULR0URR叫限流電阻，使流經(jīng)穩(wěn)壓二極管的電流在其安全范圍

15、內(nèi)。穩(wěn)壓二極管的應用舉例UoiZDZRiLiUiRL穩(wěn)壓管的技術參數(shù):解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax 方程1要求當輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負載電壓基本不變。求：電阻R和輸入電壓 Vi 的正常值。令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin 。方程2聯(lián)立方程1、2，可得：選擇限流電阻阻值的原則1、當輸入電壓最大而負載要求的電流最小時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大，此時限流電阻要保證流過穩(wěn)壓二極管的電流小于最大電流；2、當輸入電壓最小而負載要求的電流最大時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小，此時限流電阻要保證流過穩(wěn)壓二極管的電流大于最小電流。1-3-2光電二極管反向電流

16、隨光照強度的增加而上升。IV照度增加光電流、暗電流1-3-3發(fā)光二極管有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光。目前的發(fā)光二極管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光；電特性與一般二極管類似。1半導體中有兩種載流子：電子和空穴。電子帶負電，空穴帶正電。在純凈半導體中摻入不同的雜質(zhì)，可以得到N型半導體和P型半導體。2采用一定的工藝，使P型和N型半導體結合在一起，就形成了PN結。PN結的基本特點是單向導電。3二極管是由一個PN結構成的。半導體器件(二極管)部分內(nèi)容小結二極管的分析模型：理想二極管模型、特性曲線折線近似（導通電阻不為0）、恒壓源模型（導通電阻為0）例1：二極管構成的限幅電路如圖所示，R1k，UR

17、EF=2V，輸入信號為ui。 (1)若 ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、恒壓源模型計算電流I和輸出電壓uo解：（1）采用理想模型分析。 采用恒壓源模型分析。例題（2）如果ui為幅度4V的交流三角波，波形如圖所示，分別采用理想二極管模型和恒壓源模型分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。解：采用理想二極管模型分析。波形如右所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用恒壓源模型分析，波形如右所示。例2:在下圖中,試求以下幾種情況的端電壓VY及各元件流過的電流:(1)UA=10V,UB=0V;解:忽略二極管的導通壓降：(1)二極管優(yōu)先導通，則反向偏置

18、，截止，UAUB1K1K R9kA(2)UA=6V,UB=5.8V;設兩管均導通，應用結點電流法可得：UAUB1K1K R9kA可見DB管也確能導通.例3：兩個穩(wěn)壓管,穩(wěn)定電壓分別為5.5V和8.5V,正向導通壓降都是0.5V,如果要得到0.5V、3V、6V、9V和14V應如何連接?解:電路如下列所示，分別可以得到題意要求的穩(wěn)壓值：例3：兩個穩(wěn)壓管,穩(wěn)定電壓分別為5.5V和8.5V,正向導通壓降都是0.5V,如果要得到0.5V、3V、6V、9V和14V應如何連接?解:電路如下列所示，分別可以得到題意要求的穩(wěn)壓值：R+-UiDz10.5V+-RRDZ1Dz2Ui-3V+-+-UiRDz1Dz2+

19、6V-+Ui-RDz1Dz2+9V-+Ui-R+14v-二極管模型：理想二極管、理想二極管串聯(lián)電壓源（恒壓降）、折線模型、恒壓降串聯(lián)電阻（考慮壓降的折線模型）、用數(shù)字公式近似描述的二極管伏安特性：舉例：P.27. 1.8本次課內(nèi)容二極管的結構和伏安特性二極管的主要參數(shù)。二極管單向導電性失敗的場合及原因。二極管的幾種分析模型。特殊二極管二極管應用舉例。作業(yè)：P.15. 1.3.1 1.3.2P.17. 1.4.1P.25. 1.1 1.3 上次課內(nèi)容：1、二極管的結構和伏安特性2、二極管的主要參數(shù)及二極管單向導電性失敗的場合及原因。3、特殊二極管。4、二極管分析模型及應用舉例。用萬用表檢測二極管

20、的好壞及極性萬用表歐姆檔，黑表筆對應于表內(nèi)電池的正極，而紅表筆對應于表內(nèi)電池的負極。二極管正偏時導通，呈現(xiàn)的電阻阻值較小。二極管反偏時截止，呈現(xiàn)的電阻阻值較大。1-4-1 基本結構-BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型 1-4 半導體三極管BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電結：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結集電結BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管符號三極管的結構特點：基區(qū)特別薄，發(fā)射區(qū)摻雜濃度特別高，集電結面積特別大。 一、實驗測試方法ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

21、1-4-2 電流分配和放大原理結論:1. IE=IC+IB3. IB=0時, IC=ICEO（穿透電流）4.要使晶體三極管處于放大狀態(tài),發(fā)射結必須正偏,集電結必須反偏。二. 電流放大原理*BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。IBE進入基區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成復合電流IBE ，多數(shù)擴散到集電結。發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。BECNNPEBRBECIE集電結反偏，集電區(qū)少子漂移形成的反向電流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE從發(fā)射區(qū)擴散來的電子作為基區(qū)的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。IB=IBE-

22、ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBEICE與IBE之比稱為電流放大倍數(shù)無數(shù)次試驗發(fā)現(xiàn)：漂移到集電區(qū)的電子數(shù)（或其變化量）與在基區(qū)復合的電子數(shù)（或其變化量）總成比例，即ICE與IBE之比為一常數(shù)，稱作電流放大倍數(shù)。一.輸入特性UCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降： 硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE0.20.3V。UCE=0VUCE =0.5V 死區(qū)電壓，硅管約0.5V，鍺管約0.1V。1-4-3 特性曲線二、輸出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB，稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。當VCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關：IC=IB。IC(mA )1234VCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中VCEVBE,集電結正偏，集電