模拟电子技术基础童诗白第一章课件

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1、辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院 电工电子系 主讲人：穆 克 E-mail :,多媒体教学课件,模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronics童诗白、华成英主编,第一章 半导体器件,1. 本课程的性质,是一门技术基础课,2. 特点,非纯理论性课程,实践性很强,以工程实践的观点来处理电路中的一些问题,3. 研究内容,以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。,4. 教学目标,能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。,绪论（第一讲）,第一章 半导体器件,5. 学习方法,重点掌握基本概念、基

2、本电路的分析、计算及设计方法。,6. 成绩评定标准,理论：作业、考勤、提问、课外读书论文 30 % 期终考试 70 %,7. 教学参考书,康华光主编，电子技术基础 模拟部分 第三版，高教出版社,童诗白主编，模拟电子技术基础 第二版，高教出版社,陈大钦主编，模拟电子技术基础问答：例题 试题，华工出版社,第一章 半导体器件,课外阅读教材：,1.谢自美 电子线路设计.实验.测试 华中理工大学出版社。 2.毕满清 电子技术实验与课程设计 机械工业出版社。 3.高伟涛 Pspice8.0电路设计实例精粹 国防工业出版社 。 4.李东生 Protel99SE电路设计技术入门 电子工业出版社。 5.刘君华

3、虚拟仪器图形化编程语言 西安电子科技大学出版社。 6.张易知 虚拟仪器的设计与实现 西安电子科技大学出版社。,第三版童诗白,目录,1 常用半导体器件,2 基本放大电路,3 多级放大电路,4 集成运算放大电路,5 放大电路的频率响应,6 放大电路中的反馈,7 信号的运算和处理,8 波形的发生和信号的转换,9 功率放大电路,10 直流稳压电源,11 模拟电子电路读图,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、

4、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。,本章教学时数：8学时,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？,第一章 半导体器件,引子： 电

5、子技术的发展,47年 贝尔实验室制成第一只晶体管 58年 集成电路 69年 大规模集成电路 75年 超大规模集成电路,第一片集成电路只有4个晶体管，而97年一片集成电路上有40亿个晶体管。科学家预测集成度按10倍/6年的速度还将继续到2015或2020年，将达到饱和。,第一章 半导体器件,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体,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。,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。

6、,一、导体、半导体和绝缘体,第一章 半导体器件,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：,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，会使它的导电能力明显改变。,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 = 0 K 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，

7、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载流子。,三、本征半导体中的两种载流子,（动画1-1）,（动画1-2）,第一章 半导体器件,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=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.431010/cm3,本征锗的电子和空穴浓度: n = p =2.381013/cm3,本征激发,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

8、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

9、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。,自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)。,5 价杂质原子称为施主原子。,二、 P 型半导体,+4,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

10、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。,

11、（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。,对称结,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,不对称结,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

12、，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

13、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(300 K)下， UT 26 mV,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结的伏安特性,反向击穿 齐纳击穿 雪崩击穿,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

14、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

15、，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，须考虑结电容的作用。,第一章 半导体器件,1.2 半导体二极管（第

16、二讲）,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,第一章 半导体器件,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。,第一章 半导体器件,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,第一章 半导体器件,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 导通电压：0.2V,第一章 半导体器件,二、温度对二极管伏安特性的影响,在环境温度