模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第一章

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第一章第1頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四第一章 常用半導(dǎo)體器件1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.2 半導(dǎo)體二極管1.3 雙極型晶體管第2頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四第一章 常用半導(dǎo)體器件 內(nèi)容提要 本章介紹了半導(dǎo)體的基本知識(shí)，然后闡述了三種常用半導(dǎo)體器件：半導(dǎo)體二極管、晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理和基本特性。本著“管為路用”的原則，在了解其基本原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)掌握他們的外特性基本應(yīng)用。第3頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)第4頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1.1

2、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬 一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣 體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵 和一些硫化物、氧化物等。第5頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1.1.1 本征半導(dǎo)體純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。一、半導(dǎo)體 導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體（低價(jià)元素構(gòu)成）和絕緣體（高價(jià)元素構(gòu)成）之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅等，均為四價(jià)元素。第6頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四共價(jià)鍵價(jià)電子共有化，形成共價(jià)鍵的晶格結(jié)構(gòu)第7頁(yè)，共69

3、頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1.1.1 本征半導(dǎo)體純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。一、半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電情況金屬導(dǎo)電是由于其內(nèi)部有自由電子存在(載流子),在外電場(chǎng)的作用下,自由電子定向移動(dòng),形成電流.第8頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四半導(dǎo)體中有兩種載流子:自由電子和空穴自由電子空穴第9頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四在外電場(chǎng)作用下，電子的定向移動(dòng)形成電流+-第10頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四在外電場(chǎng)作用下，空穴的定向移動(dòng)形成電流+-第11頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)3

4、7分，星期四1.本征半導(dǎo)體中載流子為電子和空穴;2.電子和空穴成對(duì)出現(xiàn),濃度相等;3.由于熱激發(fā)可產(chǎn)生電子和空穴,因此半導(dǎo)體的導(dǎo)電性和溫度有關(guān),對(duì)溫度很敏感?？偨Y(jié)第12頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體 在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。電子-多子;空穴-少子.第13頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體二、P型半導(dǎo)體 在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導(dǎo)體?？昭?多子;電子-少子.注意雜質(zhì)半導(dǎo)體中，

5、多子的濃度決定于摻雜原子的濃度；少子的濃度決定于溫度。第14頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1.1.3 PN結(jié)采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴Ｒ?、PN結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)第15頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四一、PN結(jié)的形成在交界面，由于兩種載流子的濃度差，出現(xiàn)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。第16頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四一、PN結(jié)的形成在交界面，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)復(fù)合,出現(xiàn)空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)耗盡層第17頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星

6、期四一、PN結(jié)的形成當(dāng)擴(kuò)散電流等于漂移電流時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成PN結(jié)。PN結(jié)第18頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1.由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)和內(nèi)電場(chǎng);2.內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子擴(kuò)散，有利于少子漂移;3.當(dāng)擴(kuò)散電流等于漂移電流時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成PN結(jié)。總結(jié)第19頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN結(jié)外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)加正向電壓是指P端加正電壓，N端加負(fù)電壓，也稱正向接法或正向偏置。第20頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四 內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)抵消內(nèi)電場(chǎng)的作用，使耗盡層變窄，形成較大的擴(kuò)散電

7、流。第21頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四2. PN結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)外電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)的共同作用，使耗盡層變寬，形成很小的漂移電流。第22頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四三、PN結(jié)的伏安特性 正向特性反向特性反向擊穿PN結(jié)的電流方程為其中， IS 為反向飽和電流， UT26mV，第23頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1.2 半導(dǎo)體二極管第24頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1.2 半導(dǎo)體二極管 將PN結(jié)用外殼封裝起來(lái)，并加上電極引線就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管。由P區(qū)引出的電極為陽(yáng)極（A） ，由N區(qū)

8、引出的電極為陰極（ K ）。二極管的符號(hào)：PN陽(yáng)極陰極 第25頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四 一、伏安特性UI導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。反向擊穿電壓UBR死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V。第26頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四 環(huán)境溫度升高時(shí)，二極管的正向特性曲線將左移，反向特性曲線下移。在室溫附近,溫度每升高1C,正向壓降減小22.5mV;溫度每升高10C，反向電流約增大1倍。二極管的特性對(duì)溫度很敏感。第27頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四二、 二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IF2.最高

9、反向工作電壓UR二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許通過(guò)的最大平均電流。二極管工作時(shí)允許加的最大反向電壓，通常為擊穿電壓的一半。半導(dǎo)體的參數(shù)是對(duì)其特性和極限應(yīng)用的定量描述，是設(shè)計(jì)電路時(shí)選擇器件的主要依據(jù)。第28頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四由于二極管的特性是非線性的，為了分析問(wèn)題的簡(jiǎn)單、方便，可在特定情況下對(duì)其進(jìn)行線性化處理，即用線性化的等效模型來(lái)代替二極管。 三、二極管的等效電路當(dāng)二極管兩端電壓遠(yuǎn)小于與之串聯(lián)的元器件電壓，流過(guò)二極管的電流遠(yuǎn)小于與之并聯(lián)分支電流時(shí)，可將二極管理想化。認(rèn)為：二極管正向?qū)?，?dǎo)通電壓為0，反向截止，截止電流為0。第29頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日

10、，6點(diǎn)37分，星期四 三、二極管的等效電路當(dāng)二極管兩端電壓超過(guò)導(dǎo)通電壓時(shí)，認(rèn)為二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通電壓為Uon,當(dāng)二極管兩端電壓小與導(dǎo)通電壓或者為負(fù)電壓時(shí)，認(rèn)為二極管截止,截止電流為0。第30頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四QiDuD 三、二極管的等效電路第31頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四四、二極管的應(yīng)用ttuo0ui0DuiuoRL【例1】畫出二極管電路的輸出波形（設(shè)UD=0）。EWB仿真二極管整流第32頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四【例2】畫出二極管電路的輸出波形（設(shè)UD=0.7V） 。0.7V0.7V-3VEWB仿

11、真二極管限幅第33頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四【例3】電路如圖所示，二極管的導(dǎo)通電壓UD約為0.7V。試分別計(jì)算開(kāi)關(guān)斷開(kāi)和閉合時(shí)輸出電壓的數(shù)值。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，二極管因加正向電壓而處于( )狀態(tài)，故輸出電壓為導(dǎo)通分析第34頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四【例3】電路如圖所示，二極管的導(dǎo)通電壓UD約為0.7V。試分別計(jì)算開(kāi)關(guān)斷開(kāi)和閉合時(shí)輸出電壓的數(shù)值。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，二極管外加反向電壓，因而（ ），故輸出電壓為分析截止第35頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四UO1( )，UO2( )，UO3( )，UO4( )，UO5( )，

12、UO6( )【例4】寫出圖T1.3所示各電路的輸出電壓值，設(shè)二極管導(dǎo)通電壓UD 0.7V。 1.3V01.3V2V1.3V2V第36頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四五、 穩(wěn)壓二極管及應(yīng)用1. 穩(wěn)壓管的工作原理穩(wěn)壓管的符號(hào)第37頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四2. 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZUZ是指擊穿后在電流為規(guī)定值時(shí)，管子兩端的電壓值。穩(wěn)壓電流IZ額定功耗PZM IZ是穩(wěn)壓二極管正常工作時(shí)的參考電流。工作電流小于此值時(shí)，穩(wěn)壓二極管將失去穩(wěn)壓作用。PZM 等于穩(wěn)定電壓UZ與最大穩(wěn)定電流IZM （或 IZmax ）的乘積。第38頁(yè)，共69頁(yè)，20

13、22年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四3. 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓條件穩(wěn)壓管正向工作時(shí)和二極管的特性完全相同。必須工作在反向擊穿狀態(tài)；流過(guò)穩(wěn)壓管的電流在IZ和IZM之間 。注意！第39頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四4. 穩(wěn)壓管的應(yīng)用【例1】典型應(yīng)用電路：RL為負(fù)載電阻，R限流電阻當(dāng)UI變化時(shí)，由于穩(wěn)壓管的作用，輸出UO不變。第40頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四【例2】已知穩(wěn)壓管的UZ=6V, 最小電流IZmin=5mA,最大電流IZmax=25mA。（1）分別計(jì)算UI為10V、15V、35V時(shí)輸出UO的值。（2）若UI為35V時(shí)負(fù)載開(kāi)路，則會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)

14、象？解題思路首先假設(shè)穩(wěn)壓管不工作（開(kāi)路），求出其兩端電壓，是否滿足穩(wěn)壓條件；然后假設(shè)穩(wěn)壓管工作（文雅），看其是否滿足穩(wěn)壓條件。第41頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四解：假設(shè)穩(wěn)壓管不工作UoUI為10V時(shí) UO =RL/(RL+R)=3.33V UO UZ UO=6V【例2】已知穩(wěn)壓管的UZ=6V, 最小電流IZmin=5mA,最大電流IZmax=25mA。（1）分別計(jì)算UI為10V、20V、35V時(shí)輸出UO的值。（2）若UI為35V時(shí)負(fù)載開(kāi)路，則會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？假設(shè)穩(wěn)壓管工作IR=(UI-UZ)/R=18mAIL=UZ/RL=12mA IZmin IDZ UZ穩(wěn)壓管將因

15、功耗過(guò)大而損壞 【例2】已知穩(wěn)壓管的UZ=6V, 最小電流IZmin=5mA,最大電流IZmax=25mA。（1）分別計(jì)算UI為10V、20V、35V時(shí)輸出UO的值。（2）若UI為35V時(shí)負(fù)載開(kāi)路，則會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？假設(shè)穩(wěn)壓管工作IR=(UI-UZ)/R=29mA IDZ IZmaxIDZ = IR- IL =29mAUI為35V時(shí)負(fù)載開(kāi)路第44頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四【例3】?jī)芍环€(wěn)壓管的穩(wěn)壓值分別為5V和10V，正向?qū)妷簽?.7V,將他們串聯(lián)或者并聯(lián)，可能得到幾種電壓值？15V5.7V10.7V1.4V5V0.7V第45頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日

16、，6點(diǎn)37分，星期四六、 特殊二極管1. 光電二極管是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，只是管殼上留有一個(gè)能入射光線的窗口。第46頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四2. 發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。它由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成,當(dāng)發(fā)光二極管正偏時(shí)，注入到N區(qū)和P區(qū)的載流子被復(fù)合時(shí)，會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光。第47頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1.3 雙極型晶體管第48頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1.3 雙極型晶體管 一、晶體管的結(jié)構(gòu)和類型NPN型基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射極基極集電極

17、bec發(fā)射極箭頭的方向?yàn)殡娏鞯姆较虻?9頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四bPNP集電極基極發(fā)射極cePNP型第50頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四二、 晶體管的電流放大作用 放大是對(duì)模擬信號(hào)最基本的處理。晶體管是放大電路的核心元件，它能夠控制能量的轉(zhuǎn)換，將輸入的任何微小變化不失真的放大輸出，放大的對(duì)象是變化量。 晶體管工作在放大狀態(tài)的外部條件是發(fā)射結(jié)正向偏置且集電結(jié)反向偏置。晶體管的放大作用表現(xiàn)為小的基極電流可以控制大的集電極電流。共射放大電路第51頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1. 發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成發(fā)射極

18、電流IE2. 擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成基極電流IB3.集電結(jié)加反向電壓，漂移運(yùn)動(dòng)形成集電極電流ICIBICIE晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)第52頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四晶體管的電流分配關(guān)系IBICIE共射直流電流放大系數(shù)第53頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四晶體管的電流分配關(guān)系共射直流電流放大系數(shù)共射交流電流放大系數(shù)通常認(rèn)為：第54頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四晶體管的電流分配關(guān)系IBICIEIBICIE第55頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四三、晶體管的共射特性曲線UCEIC+-

19、UBEIB+- 實(shí)驗(yàn)線路mAAVVRBECEBRC第56頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四1. 輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降： 硅管UBE0.60.7V,鍺管UBE0.20.3V。 死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。第57頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四2. 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)）。IC只與IB有關(guān)，IC=IB。第58頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四IC(mA )1234UC

20、E(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IBIC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。2. 輸出特性第59頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE0.3V (3) 截止區(qū)： UBE 死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0 第61頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四iCiBRBRCVCCvOvi+-三極管工作狀態(tài)判斷方法：當(dāng)vBE0.7V時(shí)，截止0.7V時(shí)，放大或飽和第62頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)37分，星期四iCiBRBRCVCCvOvi+-