模电1-10

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1、1,模拟电子技术基础 任课教师：崔保春,2,办公地点：J11420 联系电话：8605771381 Email：cbc8222,3,学习目的和性质：,课程 介绍,本课程是电气信息类专业本科生在电子技术方面入门的专业基础课，具有完整的体系和很强的实践性。 本课程通过对常用电子器件、模拟电路及其系统的学习、分析和设计，使学生获得模拟电子技术方面的基本知识、基本理论和基本技能，为以后深入学习电子技术以及在不同专业中的应用打下良好基础。,4,怎样学好模拟电子技术基础？,5,考核办法：,总成绩构成考试卷面成绩平时考勤平时作业 考试卷面成绩：80 平时考勤：10 平时作业：10,6,承 Inheritan

2、ce-I,启 Heuristic-H,疑 Query-Q,格 Analytical -A,I-H-Q-A,7,第一章 半导体器件,8,第一章 半导体器件,1.1 半导体的基本知识 1.2 PN 结及半导体二极管 1.3 晶体三极管 1.4 场效应晶体管 1.5 晶闸管和集成电路中的元件,9,1.1.1 导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如银、铜、铁等。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗Ge 、硅Si 、砷化镓GaAs和一些硫化物、氧化物等。,1.

3、1 半导体的基本知识,自然界中的物质按照导电能力可分为导体、绝缘体与半导体。,10,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,11,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，

4、而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,1.1.2 本征半导体,一 本征半导体的结构特点,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,12,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,13,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为 本征激发,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由

5、电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,14,二 本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流,(1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,注意：,自由电子和空穴都称为 载流

6、子,15,16,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,1.1.3 杂质半导体（N型半导体）,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,17,1.1.3 杂质半导体（P型半导体）,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空

7、穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,18,杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,19,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,练习题：,想一想,20,1.2.1 PN

8、 结的形成,1.2 PN结及半导体二极管,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,21,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,22,a.空间电荷区中没有载流子。,b.空间电荷区中内电场阻碍P 中的空穴。N 区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,c.P 区中的电子和 N 区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,23,1.2.2 PN结的单向导

9、电性,（1） PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,R,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,24,1.2.2 PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,25,PN 结变宽,1.2.2 PN 结加反向电压（反向偏置）,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,2

10、6,1.2.3 半导体二极管,一、基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。适用于小电流高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于低频大电流电路。,平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,27,半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,28,二 伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V

11、,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,29,三 主要参数,（1） 最大整流电流 IFM,指允许长期流过二极管的最大正向平均电流。,（2） 反向击穿电压UBR,指管子击穿时的电压，一旦超过，管子将被击穿而损坏。,（3） 最高反向工作电压UBM,指管子允许的最高反向工作电压，通常取反向击穿电压的一半。,（4） 反向电流IR,指常温下反向电压一定时流过管子的反向电流。,30,二极管的单向导电性,（1） 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,（2） 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极

12、管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,（3) 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,(4) 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,31,四. 微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,32,五. 二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入

13、P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,33,PN结处于导通状态, 它所呈现出的电阻为正向电阻, 其阻值很小。 正向电压愈大, 正向电流愈大。其关系是指数关系：,在室温下即T=300K时, UT=26mV；,六. PN结电流方程,34,二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置

14、)，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,35,电路如图，求：UAB,U阳 =6 V U阴 =10 V U阳U阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,36,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例2：,二极管的用途： 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件

15、保护、 温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,37,二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0,二极管的应用举例1：二极管半波整流,38,1.2.4 稳压二极管,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,39,3. 主要参数,(1) 稳定电压UZ 稳压管反向击穿后稳定工作的电压值。,(3) 动态电阻,(2) 稳定电流 IZ,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,指稳

16、压二极管正常工作时的参考电流值。,40,负载电阻 。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,41,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,42,1.2.5 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,43,1.2.6 发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,44,1.3.1 基本结构,1.3 晶体三极管,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,45,频率：,高频管、低频管,功率：,材料：,小、中、大功率管,硅管、锗管,类型：,N