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1、 多媒体教学课件 模拟电子技术基础FundamentalsofAnalogElectronics童诗白 华成英主编 第四版童诗白 目录 第三版童诗白 第一章常用半导体器件 1 1半导体基础知识1 2半导体二极管1 3双极型晶体管1 4场效应管1 5单结晶体管和晶闸管1 6集成电路中的元件 第三版童诗白 本章重点和考点 1 二极管的单向导电性 稳压管的原理 2 三极管的电流放大原理 如何判断三极管的管型 管脚和管材 3 场效应管的分类 工作原理和特性曲线 第三版童诗白 本章讨论的问题 2 空穴是一种载流子吗 空穴导电时电子运动吗 3 什么是N型半导体 什么是P型半导体 当二种半导体制作在一起时会
2、产生什么现象 4 PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗 它为什么具有单向性 在PN结中另反向电压时真的没有电流吗 5 晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的 场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的 为什么它们都可以用于放大 1 为什么采用半导体材料制作电子器件 1 1半导体的基础知识 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 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 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 一 导体 半导体和绝缘体 PNJunction 半导体的导电机理不同于其它物质 所以
3、它具有不同于其它物质的特点 例如 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 往纯净的半导体中掺入某些杂质 会使它的导电能力和内部结构发生变化 完全纯净的 不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体 将硅或锗材料提纯便形成单晶体 它的原子结构为共价键结构 价电子 共价键 图1 1 1本征半导体结构示意图 二 本征半导体的晶体结构 当温度T 0K时 半导体不导电 如同绝缘体 图1 1 2本征半导体中的自由电子和空穴 自由电子 空穴 若T 将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子 在原来的共价键中留下一个空位 空穴 T 自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力 但很微弱 空穴可看成带正电的
4、载流子 三 本征半导体中的两种载流子 动画1 1 动画1 2 四 本征半导体中载流子的浓度 在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的 并且自由电子与空穴的浓度相等 本征半导体中载流子的浓度公式 T 300K室温下 本征硅的电子和空穴浓度 n p 1 43 1010 cm3 本征锗的电子和空穴浓度 n p 2 38 1013 cm3 ni pi K1T3 2e EGO 2KT 本征激发 见动画 复合 动态平衡 1 半导体中两种载流子 2 本征半导体中 自由电子和空穴总是成对出现 称为电子 空穴对 3 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示 显然ni pi 4 由于物质的运动 自由电
5、子和空穴不断的产生又不断的复合 在一定的温度下 产生与复合运动会达到平衡 载流子的浓度就一定了 5 载流子的浓度与温度密切相关 它随着温度的升高 基本按指数规律增加 小结 1 1 2杂质半导体 杂质半导体有两种 N型半导体 P型半导体 一 N型半导体 Negative 在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素 如磷 锑 砷等 即构成N型半导体 或称电子型半导体 常用的5价杂质元素有磷 锑 砷等 本征半导体掺入5价元素后 原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替 杂质原子最外层有5个价电子 其中4个与硅构成共价键 多余一个电子只受自身原子核吸引 在室温下即可成为自由电子 5价杂质原子称为施主原子 自
6、由电子浓度远大于空穴的浓度 即n p 电子称为多数载流子 简称多子 空穴称为少数载流子 简称少子 二 P型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素 如硼 镓 铟等 即构成P型半导体 空穴浓度多于电子浓度 即p n 空穴为多数载流子 电子为少数载流子 3价杂质原子称为受主原子 受主原子 空穴 图1 1 4P型半导体 说明 1 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度 温度决定少数载流子的浓度 3 杂质半导体总体上保持电中性 4 杂质半导体的表示方法如下图所示 2 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体 因而其导电能力大大改善 a N型半导体 b P型半导体 图杂质半导体的的简化表示法 在一块半
7、导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体 另一侧掺杂成为N型半导体 两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层 称为PN结 图PN结的形成 一 PN结的形成 1 1 3PN结 PN结中载流子的运动 耗尽层 1 扩散运动 2 扩散运动形成空间电荷区 电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动 PN结 耗尽层 动画1 3 3 空间电荷区产生内电场 空间电荷区正负离子之间电位差Uho 电位壁垒 内电场 内电场阻止多子的扩散 阻挡层 4 漂移运动 内电场有利于少子运动 漂移 少子的运动与多子运动方向相反 5 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大 扩散电流逐渐减小 随着内电场的增强 漂移运动逐渐增加 当扩散
8、电流与漂移电流相等时 PN结总的电流等于零 空间电荷区的宽度达到稳定 即扩散运动与漂移运动达到动态平衡 二 PN结的单向导电性 1 PN结外加正向电压时处于导通状态 又称正向偏置 简称正偏 图1 1 6 二 PN结的单向导电性 1 PN结外加正向电压时处于导通状态 又称正向偏置 简称正偏 图1 1 6 在PN结加上一个很小的正向电压 即可得到较大的正向电流 为防止电流过大 可接入电阻R 2 PN结外加反向电压时处于截止状态 反偏 反向接法时 外电场与内电场的方向一致 增强了内电场的作用 外电场使空间电荷区变宽 不利于扩散运动 有利于漂移运动 漂移电流大于扩散电流 电路中产生反向电流I 由于少数
9、载流子浓度很低 反向电流数值非常小 图1 1 7PN结加反相电压时截止 反向电流又称反向饱和电流 对温度十分敏感 随着温度升高 IS将急剧增大 当PN结正向偏置时 回路中将产生一个较大的正向电流 PN结处于导通状态 当PN结反向偏置时 回路中反向电流非常小 几乎等于零 PN结处于截止状态 动画1 4 动画1 5 综上所述 可见 PN结具有单向导电性 IS 反向饱和电流UT 温度的电压当量在常温 300K 下 UT 26mV 三 PN结的电流方程 PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为 公式推导过程略 四 PN结的伏安特性 i f u 之间的关系曲线 正向特性 反向特性 图1 1 10PN结的
10、伏安特性 反向击穿 五 PN结的电容效应 当PN上的电压发生变化时 PN结中储存的电荷量将随之发生变化 使PN结具有电容效应 电容效应包括两部分 势垒电容 扩散电容 1 势垒电容Cb 是由PN结的空间电荷区变化形成的 a PN结加正向电压 b PN结加反向电压 空间电荷区的正负离子数目发生变化 如同电容的放电和充电过程 势垒电容的大小可用下式表示 由于PN结宽度l随外加电压u而变化 因此势垒电容Cb不是一个常数 其Cb f U 曲线如图示 半导体材料的介电比系数 S 结面积 l 耗尽层宽度 2 扩散电容Cd 是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的 在某个正向电压下 P区中的电子浓度np 或N区
11、的空穴浓度pn 分布曲线如图中曲线1所示 x 0处为P与耗尽层的交界处 当电压加大 np 或pn 会升高 如曲线2所示 反之浓度会降低 当加反向电压时 扩散运动被削弱 扩散电容的作用可忽略 正向电压变化时 变化载流子积累电荷量发生变化 相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应 图1 1 12 综上所述 PN结总的结电容Cj包括势垒电容Cb和扩散电容Cd两部分 Cb和Cd值都很小 通常为几个皮法 几十皮法 有些结面积大的二极管可达几百皮法 当反向偏置时 势垒电容起主要作用 可以认为Cj Cb 一般来说 当二极管正向偏置时 扩散电容起主要作用 即可以认为Cj Cd 在信号频率较高时 须考虑结电容
12、的作用 1 2半导体二极管 在PN结上加上引线和封装 就成为一个二极管 二极管按结构分有点接触型 面接触型和平面型 图1 2 1二极管的几种外形 1点接触型二极管 1 2 1半导体二极管的几种常见结构 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 3平面型二极管 往往用于集成电路制造工艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 2面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 b 面接触型 4二极管的代表符号 D 1 2 2二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 正向特性 反向特性 反向击穿特性 开启电压 0 5V导通电压 0 7 一 伏安特性 开启电压 0 1V
13、导通电压 0 2V 二 温度对二极管伏安特性的影响 了解 在环境温度升高时 二极管的正向特性将左移 反向特性将下移 二极管的特性对温度很敏感 1 2 3二极管的参数 1 最大整流电流IF 2 反向击穿电压U BR 和最高反向工作电压URM 3 反向电流IR 4 最高工作频率fM 5 极间电容Cj 在实际应用中 应根据管子所用的场合 按其所承受的最高反向电压 最大正向平均电流 工作频率 环境温度等条件 选择满足要求的二极管 1 2 4二极管等效电路 一 由伏安特性折线化得到的等效电路 二 二极管的微变等效电路 二极管工作在正向特性的某一小范围内时 其正向特性可以等效成一个微变电阻 即 根据 得Q
14、点处的微变电导 则 常温下 T 300K 图1 2 7二极管的微变等效电路 应用举例 二极管的静态工作情况分析 分析步骤 1 根据已知条件或实际情况确定二极管采用的模型2 将二极管断开 分别计算VA VK并判断二极管的通断3 套入相应的模型对原电路进行变换4 计算 应用举例 计算二极管电流和两端的电压 理想模型 恒压模型 硅二极管典型值 应用举例 二极管的静态工作情况分析 折线模型 硅二极管典型值 设 P22例1 2 1 应用举例 例1 P69习题1 2 解 二极管采用理想模型ui和uo的波形如图所示 1 2 5稳压二极管 一 稳压管的伏安特性 a 符号 b 2CW17伏安特性 DZ 1 稳定
15、电压UZ 2 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下 所对应的反向工作电压 rZ VZ IZ 3 最大耗散功率PZM 4 最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin 5 温度系数 VZ 二 稳压管的主要参数 稳压电路 正常稳压时UO UZ 不加R可以吗 上述电路UI为正弦波 且幅值大于UZ UO的波形是怎样的 1 设电源电压波动 负载不变 UI UO UZ IZ UO UR IR 2 设负载变化 电源不变 略 如电路参数变化 例1 稳压二极管的应用 稳压二极管技术数据为 稳压值UZ 10V Izmax 12mA Izmin 2mA 负载电阻RL 2k 输入电压ui 12V
16、限流电阻R 200 求iZ 若负载电阻变化范围为1 5k 4k 是否还能稳压 UZ 10Vui 12VR 200 Izmax 12mAIzmin 2mARL 2k 1 5k 4k iL uo RL UZ RL 10 2 5 mA i ui UZ R 12 10 0 2 10 mA iZ i iL 10 5 5 mA RL 1 5k iL 10 1 5 6 7 mA iZ 10 6 7 3 3 mA RL 4k iL 10 4 2 5 mA iZ 10 2 5 7 5 mA 负载变化 但iZ仍在12mA和2mA之间 所以稳压管仍能起稳压作用 例2 稳压二极管的应用 解 ui和uo的波形如图所示 UZ 3V 一 发光二极管LED LightEmittingDiode 1 符号和特性 工作条件 正向偏置 一般工作电流几mA 导通电压 1 2 V 符号 特性 1 2 6其它类型的二极管 发光类型 可见光 红 黄 绿 显示类型 普通LED 不可见光 红外光 点阵LED 七段LED 二 光电二极管 符号和特性 符号 特性 工作原理 三 变容二极管四 隧道二极管五 肖特基二极管 无光照时 与普通二极
