《模拟电子技术电子教案N》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术电子教案N（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电子线路基础主讲：郭建才华南师范大学教育信息技术学院第一章 半导体器件 教学目标本章应重点掌握以下内容：n半导体二极管的单向导电特性、伏安特 性以及主要电参数。n硅稳压二极管的伏安特性、稳压原理及 主要电参数。n晶体管的放大作用、输入特性曲线和输 出特性曲线、主要参数、温度对参数的影 响。教学内容1 . 1 半导体基础知识 1 . 2 PN结 1 . 3 半导体三极管1 . 1 半导体基础知识l 1 . 1 . 1 本征半导体l 1 . 1 . 2 杂质半导体1 . 1 . 1 本征半导体l根据物体导电能力(电阻率)的不同，来 划分导体、绝缘体和半导体。l典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓
2、 GaAs等。1 . 1 . 1 本征半导体半导体硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。 原子序号分别为14（2、8、4）和32（2、8、18、4）。Si硅原子Ge锗原子1 . 1 . 1 本征半导体l通过一定的工艺过程，可以将半导体制 成晶体。l完全纯净的、结构完整的半导体晶体， 称为本征半导体。1 . 1 . 1 本征半导体在硅和锗晶体中，每个原子与其相邻的原子之间 形成共价键，共用一对价电子。共价键共用电子对+4表示除 去价电子 后的原子+4+4+4+41 . 1 . 1 本征半导体l形成共价键后，每个 原子的最外层电子是 八个，构成稳定结构 。+4+4+4+4l共价键有很强的结合
3、 力，使原子规则排列 ，形成晶体。1 . 1 . 1 本征半导体在绝对温度0K(-273)时， 本征半导体中的电子受原子 核的束缚，故该半导体不存 在能导电的粒子，从而呈现 绝缘体的性能。 绝对温度= 273 + 摄氏温度+4+4+4+41 . 1 . 1 本征半导体共价键中的价电 子受激发获得能 量并摆脱共价键 的束缚成为“自 由电子”，并在 原共价键的位置 上形成一个“空 穴”，这一过程 称为本征激发。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图13 本征半导体中的自由电子和空穴空穴自由 电子1 . 1 . 1 本征半导体电子和空穴均是能够自由 移动的带电粒子，称为载 流子。电子带负电荷，空 穴
4、带正电荷。+4+4+4+41 . 1 . 1 本征半导体载流子在电场作用下的定 向运动称为漂移 .本征半 导体中自由电子数ni等于 空穴数pi，即nipi.+4+4+4+41 . 1 . 1 本征半导体产生自由电子和空穴对的 同时，部分电子也失去能 量返回到共价键处，使自 由电子和空穴对消失，此 过程称为载流子的复合。 +4+4+4+41 . 1 . 1 本征半导体空穴在电场作用下定向移 动形成电流，实际上是共 价键中的价电子在作填补 空穴的移动，方向与空穴 移动的方向相反。+4+4+4+41 . 1 . 1 本征半导体本征半导体的载流子浓度， 除与半导体材料本身的性质 有关以外，还与温度密切
5、相 关，而且随着温度的升高， 基本上按指数规律增加。因 此，本征载流子的浓度对温 度十分敏感。+4+4+4+4本征半导体特点n 本征激发产生成对电子和空穴。n 温度越高，电子空穴对的浓度越大。外 部条件一定时，不断有本征激发产生新的电 子和空穴，也不断有电子与空穴复合而消失 ，达到动态平衡。室温下，电子、空穴对浓 度较低，故电阻率大，导电性能差。1.1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂 质，可使半导体的导电性发生显著变化。T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm3某种掺杂半导体中的自由电子浓度: n= 51016/cm31.1.2
6、杂质半导体 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺 入的杂质主要是微量的价电子数较为接近 的三价或五价元素。1.1.2 杂质半导体 N型半导体掺入五价杂质元素（如磷） 的半导体。P型半导体掺入三价杂质元素（如硼） 的半导体。N型半导体因五价杂质原子中只有 四个价电子能与周围四 个半导体原子中的价电 子形成共价键，而多余 的一个价电子因无共价 键束缚而很容易形成自 由电子。+4+4+4+4+5+4+4+4+4键外 电子施主 原子图14 N型半导体共价键结构N型半导体在N型半导体中自由电子是 多数载流子，它主要由杂 质原子提供；空穴是少数 载流子, 由热激发形成。
7、+4+4+4+4+5+4+4+4+4键外 电子施主 原子图14 N型半导体共价键结构提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。P型半导体因三价杂质原子在与硅 原子形成共价键时，缺 少一个价电子而在共价 键中留下一个空穴。+4+4+4+4+3+4+4+4+4图15 P型半导体的共价键结构受主 原子空位P型半导体在P型半导体中空穴是多 数载流子，它主要由掺杂 形成；自由电子是少数载 流子， 由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子 。三价杂质因而也称为受主杂质。+4+4+4+4+3+4+4+4+4图15 P型半导体的共价键结构受主 原子空位本
8、节中的有关概念l本征半导体、杂质半导体l自由电子、空穴lN型半导体、P型半导体l多数载流子、少数载流子1.2 PN结 l1.2.1 异型半导体接触现象 l1.2.2 PN结的单向导电特性 l1.2.3 PN结的击穿特性 l1.2.4 PN结的电容效应l1.2.5 半导体二极管l1.2.6 稳压二极管l1.2.7 二极管的应用l1.2.8 其它二极管1.2.1 异型半导体接触现象P型和N型半导体相接触，其交界面两侧由于载流子的浓度差，产生扩散运动，形成扩散电流 -+-+耗尽层 空间电荷区自键场PNPN(a) 多数载流子的扩散运动(b) 平衡时阻挡层形成图16 PN结的形成1.2.1 异型半导体接
9、触现象l扩散时将分别留下带正、负电荷的杂质离子， 形成空间电荷和自建场在该电场作用下，载流 子作漂移运动，其方向与扩散方向相反，阻止扩 散，平衡时扩散运动与漂移运动相等。 -+-+耗尽层 空间电荷区自键场PNPN(a) 多数载流子的扩散运动(b) 平衡时阻挡层形成图16 PN结的形成1.2.2 PN结的单向导电特性当外加电压使PN结中P区 的电位高于N区的电位， 称为加正向电压，简称正 偏；反之称为加反向电压 ，简称反偏。加正向电压时，PN结处 于导通状态，其正向电流 随正向电压增大而增大。PN结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强， 扩散飘移，正向电流大空间电荷区变薄PN +_正向电流PN结反向
10、偏置+空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流很小，A级1.2.2 PN结的单向导电特性其中 IS 反向饱和电流UT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）1.2.3 PN结的击穿特性当PN结的反向电压增加到 一定数值时，反向电流突 然快速增加，此现象称为 PN结的反向击穿。热击穿不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿可逆1.2.4 PN结的电容效应PN结电压变化，阻挡层 厚度也发生变化，从而 引起阻挡层内电荷变化 。此种电容称为势垒电 容CT。 1.势垒电容CT势垒电容示意图1.2.4 PN结的电容效应PN结正向运用时，多数 载流子在扩散过程中引 起电荷积
11、累，正向电压 变化，其积累的电荷也 变化，此种电容称为扩 散电容CD。 2.扩散电容CD扩散电容示意图1.2.4 PN结的电容效应一般情况下，PN结加正 向电压时，扩散电容CD 起主要作用。 加反向电压时，势垒电 容CT起主要作用。PN结电容均随外加电压 变化而变化。 1.2.5 半导体二极管1. 基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管 。PN符号 阳极阴极PN1.2.5 半导体二极管2. 分类二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型 三大类。(1) 点接触型二极管点接触型 PN结面积小，结电容 小，用于检波和变频等高 频电路。1.2.5 半导体二极管(3) 平面型二极管往往用于集
12、成电路制造艺中。 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，用于低频 大电流整流电路。面接触型平面型半导体二极管图片半导体二极管图片二极管伏安特性UI导通压降: 硅管 0.7V,锗管0.2V。反向击穿电 压U(BR)反向漏电流（很小，A级）死区电压 硅管0.60.8V, 锗管0.10.3V。二极管伏安特性锗二极管2AP15的V-I 特性正向特性反向特性反向击穿特性二极管的主要参数二极管的主要参数有：n最大整流电流IFn最大反向工作电压URn反向电流IRn直流电阻RDn交流电阻rdn最高工作频率fM 1.2.6 稳压二极管1. 稳压特性(a)符号(b)
13、 伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压 二极管稳压时工作在反向电击穿状态。IZ很大，VZ很小。1.2.6 稳压二极管(1) 稳定电压VZ(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 VZIZ(4) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin(5) 稳定电压温度系数VZ2. 稳压二极管主要参数1.2.7 二极管的应用RLuiuOuiuott二极管半波整流1.2.7 二极管的应用1.2.8 其它二极管1.2.8 其它二极管1.3 半导体三极管l 1.3.1 三极管的结构及类型l 1.3.2
14、 三极管的三种连接方式l 1.3.3 三极管的放大作用l 1.3.4 三极管的特性曲线l 1.3.5 三极管的主要参数l 1.3.6 温度对三极管参数的影响1.3.1 三极管的结构及类型l三极管是组成各种电子线路的核心器件 两个PN结：发射结和集电结l三个区域：发射区、基区、集电区l三个极：发射极、基极、集电极NPNcbePNPcbecbe集电极c集电结 集电区基极b基区发射区发射极e发射结（a) NPN(b) PNP图129 三极管的结构示意图和符号1.3.2 三极管的三种连接方式1.3.3 三极管的放大作用l为实现放大，三极管应满足下列条件l(1) 发射区重掺杂，l(2) 基区很薄；l(3
15、) 集电结面积大，l(4) 发射结正向偏置，集电结反向偏置 三极管的结构特点BECNNP基极发射极集电极基区：较薄， 掺杂浓度低集电区： 面积较大发射区：掺 杂浓度较高三极管的电流放大原理BECNNPEBRBEcIE1IB进入P区的电子少部 分与基区的空穴复合 ，形成电流IB ,多数 扩散到集电结。发射结正偏 ，发射区电 子不断向基 区扩散，形 成发射极电 流IE。BECNNPEBRBEcIE从基区扩散来的 电子漂移进入集 电结而被收集， 形成IC。IC2IC IB三极管的电流放大原理三极管的电流放大原理三极管的电流放大原理三极管的电流放大原理实现这一传输过程的两个条件是：（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区 杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反 向偏置。综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的 发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现 的。静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数 = IC / I
