《模擬電子技術基礎》(第四版)第1章.ppt

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教材:《模擬電子技術基礎》主講:柯能偉,緒論,一、課程的地位和主要內(nèi)容,電子技術——研究電子器件、電子電路及其應用的科學技術。器件為路用,緒論,模擬信號：在時間和數(shù)值上連續(xù)的信號。,,,計算機檢測控制系統(tǒng)原理框圖,緒論,二、電子技術的典型應用,三、如何學好模電,緒論,課程特點：內(nèi)容多、內(nèi)容雜、工程實踐性強,1、抓“重點”,2、注重綜合分析注重工程化素質(zhì)培養(yǎng),3、提高學習效率、培養(yǎng)自學能力,課堂、答疑、作業(yè)、自學,放大器、反饋、振蕩器,四、模電成績?nèi)绾嗡?作業(yè)：１０％期末考試：９０％參考課堂和答疑表現(xiàn)作業(yè)：每周交1次，全交，有參考解答,內(nèi)容提要,半導體器件是組成各種電子電路——包括模擬電路和數(shù)字電路，集成電路和分立元件電路的基礎。本章首先介紹半導體的特性，半導體中載流子的運動，闡明PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，然后介紹半導體二極管、穩(wěn)壓管、半導體三極管及場效應管的結(jié)構、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。,第一章常用半導體器件,,1.2半導體二極管,1.3穩(wěn)壓管,1.4半導體三極管,1.5場效應管,1.1半導體基礎知識,1.1.1半導體的特性,一、定義導電能力介于導體和絕緣體之間的物體稱半導體。,如：硅（Si）、鍺（Ge）等價電子：圍繞原子核運動的最外層軌道的電子導體:低價元素絕緣體:高價元素硅（Si）、鍺（Ge）：４個價電子,1.1半導體基礎知識,,價電子,慣性核,二、半導體特性溫度??導電能力??可做成各種熱敏元件受光照?導電能力??可做成各種光電器件3.摻入微量雜質(zhì)?導電能力????（幾十萬~幾百萬倍）?可做成品種繁多、用途廣泛的半導體器件。如半導體二極管、三極管、場效應管等。,純凈的、沒有結(jié)構缺陷的半導體單晶稱為本征半導體。它是共價鍵結(jié)構。,1.1.2本征半導體,相鄰原子的價電子成為共用電子，即共價鍵結(jié)構,,+4,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,自由電子,空穴,,,,,在常溫下自由電子和空穴的形成,成對出現(xiàn),成對消失,,,,,,,,,+4,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,外電場方向,,,,,,,在外電場作用下，電子和空穴均能參與導電(載流子)。這是半導體導電與導體導電最本質(zhì)的區(qū)別。,,價電子填補空穴,,,,,,本征激發(fā)——價電子受熱及光照后，掙脫共價鍵束縛成為自由電子。,激勵(溫度和光照)一定時，電子空穴對的產(chǎn)生和復合會達到“動態(tài)平衡”。,注意,本征半導體中載流子的濃度除與半導體材料本身的性質(zhì)有關外，還與溫度密切相關。半導體材料性能對溫度的這種敏感性，既可用來制造熱敏和光敏器件，又是造成半導體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。,,+4,,,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1.1.3雜質(zhì)半導體,一、N型半導體,自由電子,,,通過擴散工藝，在本征半導體中摻入微量特定元素，便可形成雜質(zhì)半導體。,在純凈的硅或鍺晶體中摻入微量五價元素（如磷）所形成的雜質(zhì)半導體稱N型半導體。,,N型半導體結(jié)構示意圖,在N型半導體中，自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,+4,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,+4,,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,二、P型半導體,,,在純凈的硅或鍺的晶體中摻入微量的三價元素（如硼）所形成的雜質(zhì)半導體稱P型半導體。,+4,,,,,,,,,P型半導體結(jié)構示意圖,在P型半導體中，空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。,對于雜質(zhì)半導體，多子濃度約等于所摻雜質(zhì)濃度，多子濃度受溫度影響小；少子（本征激發(fā)）濃度受溫度影響大；,注意,注意,不論是N型半導體還是P型半導體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但整個晶體仍然是不帶電的，呈電中性。通過摻入雜質(zhì)來提高半導體的導電能力不是最終目的，因為導體的導電能力更強。雜質(zhì)半導體的奇妙之處在于，摻入不同性質(zhì)、不同濃度的雜質(zhì)，并使P型和N型半導體采用不同的方式結(jié)合，可以制造出形形色色、品種繁多、用途各異的半導體器件。,載流子的兩種運動：擴散——載流子在濃度差作用下的運動載流子總是從高濃度向低濃度擴散飄移——載流子在電場作用下的運動電子逆電場方向運動空穴順電場方向運動,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P區(qū),N區(qū),,,,,,,,1.2.1PN結(jié)的形成,,采用不同的摻雜工藝，在同一塊半導體單晶上形成P型半導體和N型半導體，在它們的交界面處就形成了一個PN結(jié)。,,,,,空間電荷區(qū),,,內(nèi)電場方向,1.2PN結(jié),多子擴散－＞形成空間電荷區(qū)－＞有利少子向?qū)Ψ狡?、阻擋多子向?qū)Ψ綌U散，少子向?qū)Ψ降钠疲究臻g電荷區(qū)變窄－＞有利于多子向?qū)Ψ綌U散；當多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)的寬度一定，形成PN結(jié)。,內(nèi)電場方向,,,,,,,,R,1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P區(qū),N區(qū),,,,外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷,,N區(qū)電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷,,擴散運動增強，形成較大的正向電流，此時PN結(jié)導通,,一、外加正向電壓（正向偏置）,外電場加強擴散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P區(qū),N區(qū),內(nèi)電場方向,R,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,二、外加反向電壓（反向偏置）,外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的多子(空穴和自由電子)移走,空間電荷區(qū)加寬,少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流，此時PN結(jié)截止,多數(shù)載流子的擴散運動難于進行,,外電場削弱擴散,結(jié)論,,綜上所述，當PN結(jié)正向偏置時，回路將產(chǎn)生一個較大的正向電流，PN結(jié)處于導通狀態(tài)；當PN結(jié)反向偏置時，回路中的反向電流非常小，幾乎等于零，且由于該電流是由少數(shù)載流子產(chǎn)生的，所以溫度對其影響很大（溫度愈高，反向電流愈大），此時PN結(jié)處于截止狀態(tài)?？梢?，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)的伏安特性,正偏：P——“+”N——“-”正向低阻導通,,反偏：P——“-”N——“+”反向高阻截止i=-Is,反向擊穿,——PN結(jié)特性之二：“擊穿特性”（反向擊穿i很大）,-,,P->N,P->N,正偏和反偏,UT=26mV,半導體基礎知識,半導體中的載流子,自由電子空穴,載流子的產(chǎn)生,本征激發(fā)摻雜—P型、N型,載流子的運動,漂移擴散,PN結(jié)的特性,正向?qū)ㄐ苑聪蚪刂固匦苑聪驌舸┨匦?,,,,多子擴散引起,少子飄移引起,1.3.1二極管的結(jié)構和符號,1.3半導體二極管,一、符號,D,Diode,P區(qū),N區(qū),,,硅管的伏安特性,1.3.2二極管的伏安特性,,,反向特性,死區(qū),,,－IS,正向特性,－UBR,Uon,iD=f（uD）,,,+uD–,D,,UＤ,非線性特性,ＵＢＲ反向擊穿電壓ＵＺ（穩(wěn)壓管）,i-u?,q-u?,L?,反向擊穿,正向和反向,,開啟電壓：Uon,Si管：0.5V左右Ge管：0.1V左右,,正向?qū)妷篣Ｄ,Si管：0.6V~0.8V（０.７Ｖ）Ge管：0.2V~0.3V（０.３Ｖ）,二極管方程,UT：溫度的電壓當量。常溫下，即T=300K（270C）時，UT=26mV。Is：反向飽和電流。,在反向段：當|uD|>>UT時，iD?–IS,一般:特性曲線上區(qū)分Uon和UＤ計算時不區(qū)分Uon和UＤ,二極管的伏安特性受溫度的影響。如當環(huán)境溫度升高時，二極管的正向特性曲線左移，反向特性曲線下移。,注意,,1.3.4二極管的等效電路,能夠模擬二極管特性的電路稱二極管等效電路，也稱二極管的等效模型。,I?U?,,,I,,U,,iD,一、二極管的直流模型,1.理想二極管(導通時正向壓降為零,截止時反向電流為零)的等效模型,大信號作用下的模型,2.二極管導通時正向壓降為一常量UＤ（正向?qū)妷海?7V或０.３V），截止時反向電流為零的二極管的等效模型,Question1UDUON,3.二極管導通且正向壓降uD大于UＤ后，其電流iD與uD成線性關系（直線斜率為1/rD），截止時反向電流為零的等效模型,以上三個等效電路中1的誤差最大，3的誤差最小，一般情況下多采用2所示的等效電路。,直流電阻,二極管主要用于限幅，整流，鉗位．判斷二極管是否正向?qū)ǎ海保燃僭O二極管截止，求其陽極和陰極電位；２．若陽極陰極電位差＞UD，則其正向?qū)?；３．若電路有多個二極管，陽極和陰極電位差最大的二極管優(yōu)先導通；其導通后，其陽極陰極電位差被鉗制在正向?qū)妷海ǎ?7V或０.３V）；再判斷其它二極管．,用直流模型2,用直流模型2,圖1.2.6例1.2.1電路圖,【例1】下圖中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB為鍺管，求輸出端Y的電位，并說明每個二極管的作用。,解：DA優(yōu)先導通，則,VY=3–0.3=2.7V,DA導通后，DB因反偏而截止，起隔離作用，DA起鉗位作用，將Y端的電位鉗制在+2.7V。,【例2】下圖是二極管限幅電路，D為理想二極管，E=3V，ui=6sin?tV，試畫出uo及uD的波形。,,,,,,?,2?,ui?3時，D截止，uo=ui，uD=ui–3,ui>3時，D導通，uo=3，uD=0,解：,,,,,,,,,二、二極管的小信號交流模型（微變等效電路）,二極管外加直流正向電壓時，將有一電流，則反映在其伏安特性曲線上的點為Q（Q點稱為靜態(tài)工作點）。,iD,,,I,U,Q,若在Q點基礎上外加微小的變化量，則可用以Q點為切點的直線來近似微小變化時的曲線，即可將二極管等效成一個線性器件，用動態(tài)電阻rd來表示，且rd=?uD/?iD。,,,,question2,,,,,,,,,小信號作用下的模型,即,動態(tài)電阻與Q點有關,圖1.2.8直流電壓和交流信號同時作用,,,直流通路,交流通路,question3,作業(yè):1.4(1.3),1.3(1.2),