模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第一章

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第一章第1頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第一章常用半導(dǎo)體器件1.1

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.2

半導(dǎo)體二極管1.3

雙極型晶體管第2頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第一章常用半導(dǎo)體器件內(nèi)容提要

本章介紹了半導(dǎo)體的基本知識，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，重點掌握他們的外特性—基本應(yīng)用。第3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識第4頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識導(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，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.1.1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（低價元素構(gòu)成）和絕緣體（高價元素構(gòu)成）之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅等，均為四價元素。第6頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一共價鍵價電子共有化，形成共價鍵的晶格結(jié)構(gòu)第7頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.1.1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),在外電場的作用下,自由電子定向移動,形成電流.第8頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一半導(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，共69頁，2023年，2月20日，星期一在外電場作用下，電子的定向移動形成電流++++++++--------第10頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一在外電場作用下，空穴的定向移動形成電流++++++++--------第11頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.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),對溫度很敏感?？偨Y(jié)第12頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.1.2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，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.1.2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，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，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.1.3PN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弧N結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)第15頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一一、PN結(jié)的形成在交界面，由于兩種載流子的濃度差，出現(xiàn)擴散運動。第16頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一一、PN結(jié)的形成在交界面，由于擴散運動,經(jīng)過復(fù)合,出現(xiàn)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)耗盡層第17頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一一、PN結(jié)的形成當擴散電流等于漂移電流時，達到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)。PN結(jié)第18頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.由于擴散運動形成空間電荷區(qū)和內(nèi)電場;2.內(nèi)電場阻礙多子擴散，有利于少子漂移;3.當擴散電流等于漂移電流時，達到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)。總結(jié)第19頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)外加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài)加正向電壓是指P端加正電壓，N端加負電壓，也稱正向接法或正向偏置。第20頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一

內(nèi)電場外電場外電場抵消內(nèi)電場的作用，使耗盡層變窄，形成較大的擴散電流。第21頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一2.PN結(jié)外加反向電壓時處于截止狀態(tài)外電場和內(nèi)電場的共同作用，使耗盡層變寬，形成很小的漂移電流。第22頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一三、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，UT≈26mV，第23頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.2半導(dǎo)體二極管第24頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.2半導(dǎo)體二極管將PN結(jié)用外殼封裝起來，并加上電極引線就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管。由P區(qū)引出的電極為陽極（A），由N區(qū)引出的電極為陰極（K）。二極管的符號：PN陽極陰極

第25頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一一、伏安特性UI導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。第26頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一環(huán)境溫度升高時，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1°C,正向壓降減小2~2.5mV;溫度每升高10°C，反向電流約增大1倍。二極管的特性對溫度很敏感。第27頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一二、二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IF2.最高反向工作電壓UR二極管長期運行時允許通過的最大平均電流。二極管工作時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)是對其特性和極限應(yīng)用的定量描述，是設(shè)計電路時選擇器件的主要依據(jù)。第28頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一由于二極管的特性是非線性的，為了分析問題的簡單、方便，可在特定情況下對其進行線性化處理，即用線性化的等效模型來代替二極管。三、二極管的等效電路當二極管兩端電壓遠小于與之串聯(lián)的元器件電壓，流過二極管的電流遠小于與之并聯(lián)分支電流時，可將二極管理想化。認為：二極管正向?qū)ǎ瑢?dǎo)通電壓為0，反向截止，截止電流為0。第29頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一三、二極管的等效電路當二極管兩端電壓超過導(dǎo)通電壓時，認為二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通電壓為Uon,當二極管兩端電壓小與導(dǎo)通電壓或者為負電壓時，認為二極管截止,截止電流為0。第30頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一Q△iD△uD三、二極管的等效電路第31頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一四、二極管的應(yīng)用ttuo0ui0Dui＋－uo＋－RL【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，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例2】畫出二極管電路的輸出波形（設(shè)UD=0.7V）。0.7V0.7V-3VEWB仿真二極管限幅第33頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例3】電路如圖所示，二極管的導(dǎo)通電壓UD約為0.7V。試分別計算開關(guān)斷開和閉合時輸出電壓的數(shù)值。當開關(guān)斷開時，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，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例3】電路如圖所示，二極管的導(dǎo)通電壓UD約為0.7V。試分別計算開關(guān)斷開和閉合時輸出電壓的數(shù)值。當開關(guān)閉合時，二極管外加反向電壓，因而（），故輸出電壓為分析截止第35頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一UO1≈()，UO2＝()，UO3≈()，UO4≈()，UO5≈()，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。1.3V0－1.3V2V1.3V－2V第36頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一五、穩(wěn)壓二極管及應(yīng)用1.穩(wěn)壓管的工作原理穩(wěn)壓管的符號第37頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)①穩(wěn)定電壓UZUZ是指擊穿后在電流為規(guī)定值時，管子兩端的電壓值。②穩(wěn)壓電流IZ③額定功耗PZM

IZ是穩(wěn)壓二極管正常工作時的參考電流。工作電流小于此值時，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，共69頁，2023年，2月20日，星期一3.穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓條件穩(wěn)壓管正向工作時和二極管的特性完全相同。必須工作在反向擊穿狀態(tài)；流過穩(wěn)壓管的電流在IZ和IZM之間。注意！第39頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一4.穩(wěn)壓管的應(yīng)用【例1】典型應(yīng)用電路：RL為負載電阻，R限流電阻當UI變化時，由于穩(wěn)壓管的作用，輸出UO不變。第40頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例2】已知穩(wěn)壓管的UZ=6V,最小電流IZmin=5mA,最大電流IZmax=25mA。（1）分別計算UI為10V、15V、35V時輸出UO的值。（2）若UI為35V時負載開路，則會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？解題思路首先假設(shè)穩(wěn)壓管不工作（開路），求出其兩端電壓，是否滿足穩(wěn)壓條件①；然后假設(shè)穩(wěn)壓管工作（文雅），看其是否滿足穩(wěn)壓條件②。第41頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一解：假設(shè)穩(wěn)壓管不工作Uo’UI為10V時

UO’=RL/(RL+R)=3.33V∵UO’<UZ∴穩(wěn)壓管不工作，UO=3.33V【例2】已知穩(wěn)壓管的UZ=6V,最小電流IZmin=5mA,最大電流IZmax=25mA。（1）分別計算UI為10V、20V、35V時輸出UO的值。（2）若UI為35V時負載開路，則會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？第42頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一解：假設(shè)穩(wěn)壓管不工作UI為20V時

UO’=RL/(RL+R)=6.7VUO’>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）分別計算UI為10V、20V、35V時輸出UO的值。（2）若UI為35V時負載開路，則會出現(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<IZmaxIDZ

=IR-IL=6mA第43頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一UI為35V時,同理可求出

UO=6VUO’>UZ∴穩(wěn)壓管將因功耗過大而損壞【例2】已知穩(wěn)壓管的UZ=6V,最小電流IZmin=5mA,最大電流IZmax=25mA。（1）分別計算UI為10V、20V、35V時輸出UO的值。（2）若UI為35V時負載開路，則會出現(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時負載開路第44頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一【例3】兩只穩(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，共69頁，2023年，2月20日，星期一六、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能入射光線的窗口。第46頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一2.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PN結(jié)構(gòu)成,當發(fā)光二極管正偏時，注入到N區(qū)和P區(qū)的載流子被復(fù)合時，會發(fā)出可見光和不可見光。第47頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一§1.3雙極型晶體管第48頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一§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bec發(fā)射極箭頭的方向為電流的方向第49頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一bPNP集電極基極發(fā)射極cePNP型第50頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一二、晶體管的電流放大作用放大是對模擬信號最基本的處理。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，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴散運動形成發(fā)射極電流IE2.擴散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運動形成基極電流IB3.集電結(jié)加反向電壓，漂移運動形成集電極電流ICIBICIE晶體管內(nèi)部載流子的運動第52頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一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，共69頁，2023年，2月20日，星期一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)通常認為：第54頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一晶體管的電流分配關(guān)系IBICIEIBICIE第55頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一三、晶體管的共射特性曲線UCEIC+-UBEIB+-

實驗線路mAAVVRBECEBRC第56頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一1.輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。第57頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一2.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，共69頁，2023年，2月20日，星期一IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。2.輸出特性第59頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。2.輸出特性第60頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一輸出特性三個區(qū)域的特點:放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

第61頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一iCiBRBRCVCCvOvi++--三極管工作狀態(tài)判斷方法：①當vBE＜0.7V時，截止≥