模拟电子技术基础学习教案.pptx

会计学1模拟电子技术基础模拟电子技术基础第一页，编辑于星期二：点 五十五分。课课 程程 说说 明明一、基本要求一、基本要求（1）掌握模拟电子技术中基本电路的工作原理、分析方法及简单估算方法；注重培养定性分析能力、综合应用能力和创新意识。（2）强调基础，突出重点。掌握模拟电子技术基础知识、基本理论和重要知识点。第1页/共92页第二页，编辑于星期二：点 五十五分。（3）以分立元件、晶体管作为主要器件，集成运放以应用为主。（4）了解模拟电子技术的前沿理论、应用前景和发展动态，以及模拟电子技术教学的新成果，具有一定的创造能力和自学能力及独立分析问题、解决问题的能力。第2页/共92页第三页，编辑于星期二：点 五十五分。二、发展趋势及应用二、发展趋势及应用 21世纪仍然是电子技术发展的世纪。微电子技术；光电子技术；分子、生物、传感器电子技术；存储、显示电子技术是电子技术领域四项特别引人注目的技术。这些技术的迅速成熟使得电子技术呈现出的明显的发展速度快；应用领域广；高新技术含量高；机电一体化；光电一体化；控制自动化；操作傻瓜化；逐步实现人工智能化的发展趋势。各种技术的相互渗透，数字化、多媒体、微电子等信息技术促进了电子技术、计算机通信技术的逐步融合。第3页/共92页第四页，编辑于星期二：点 五十五分。电子技术理论的高速发展、技术的进步、创新使电子产品更新换代速度越来越快，达到了前所未有的速度。电子技术渗透到了全社会的各个产品中，并不断产生着新产品门类。模拟技术被数字化技术逐步取代，已成为技术进步的总趋势。应用技术由元件集成单机应用系统集成，并向实现网络化、综合化、智能化方向发展。发展速度之快、应用领域之广是人们难以预料的。第4页/共92页第五页，编辑于星期二：点 五十五分。三、课程特点、研究对象、体系结构三、课程特点、研究对象、体系结构 模拟电子技术基础是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科。采用定性分析、定量估算的模式。模拟信号的放大、运算、处理、转换和产生。先器件后电路、先小信号后大信号、先基础后应用。四、学习方法四、学习方法注重基本概念、基础知识、电路的工作原理、电路结构、技术要点。工程估算即近似计算。第5页/共92页第六页，编辑于星期二：点 五十五分。第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件 1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1 12 2 半导体二极管半导体二极管 13 双极型晶体管双极型晶体管 1.4 1.4 场效应管场效应管第6页/共92页第七页，编辑于星期二：点 五十五分。本章讨论的问题本章讨论的问题本章讨论的问题本章讨论的问题 n n为什么采用半导体材料制作电子器件？为什么采用半导体材料制作电子器件？为什么采用半导体材料制作电子器件？为什么采用半导体材料制作电子器件？n n空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？n n什么是什么是什么是什么是N N N N型半导体？什么是型半导体？什么是型半导体？什么是型半导体？什么是P P P P型半导体？当两种型半导体？当两种型半导体？当两种型半导体？当两种半导体制作在一起时会产生什么现象？半导体制作在一起时会产生什么现象？半导体制作在一起时会产生什么现象？半导体制作在一起时会产生什么现象？n nPNPNPNPN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向导电性？在什么具有单向导电性？在什么具有单向导电性？在什么具有单向导电性？在PNPNPNPN结加反向电压时果真结加反向电压时果真结加反向电压时果真结加反向电压时果真没有电流吗？没有电流吗？没有电流吗？没有电流吗？n n晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？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场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的场效应管是通过什么方式来控制漏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？为什么它们都可以用于放大？为什么它们都可以用于放大？为什么它们都可以用于放大？第7页/共92页第八页，编辑于星期二：点 五十五分。1.1 半导体基础知识半导体基础知识 半导体器件是构成电子电路的基本元件，它们所用的材料是经过特殊加工且性能可控的半导体材料。1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。第8页/共92页第九页，编辑于星期二：点 五十五分。一、半导体一、半导体一、半导体一、半导体 物物质质的的导导电电性性能能取取决决于于原原子子结结构构。导导体体一一般般为为低低价价元元素素。高高价价元元素素或或高高分分子子物物质质导导电电性性极极差差成成为为绝绝缘缘体体。近近代代电电子子器器件件中中，用用得得最最多多的的半半导导体体材材料料是是硅硅和和锗锗，它它们们都都是是四四价价元元素素，它它们们的的最最外外层层电电子子既既不不像像导导体体那那么么容容易易挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，也也不不像像绝绝缘缘体体那那样样被被原原子子核核束束缚缚得得那那么么紧紧，而而且且都都具具有有晶晶体体的的结结构构。因因而而其其导导电电性性介介于于导导体和绝缘体之间。体和绝缘体之间。第9页/共92页第十页，编辑于星期二：点 五十五分。在形成的晶体结构的半导体中，掺入特定的杂质时，导电性能具有可控性；并且在光照和热辐射条件下，导电性还有明显的变化。这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种电子器件。第10页/共92页第十一页，编辑于星期二：点 五十五分。二、本征半导体中的晶体结构二、本征半导体中的晶体结构二、本征半导体中的晶体结构二、本征半导体中的晶体结构 单晶体即为本征半导体。单晶体即为本征半导体。晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。硅硅或或锗锗原原子子组组成成晶晶体体后后，原原子子之之间间靠靠得得很很近近，每每个个原原子子的的价价电电子子不不仅仅受受自自身身原原子子核核的的束束缚缚，还还受受相相邻邻原原子子的的影影响响，致致使使价价电电子子轨轨道道交交叠叠。每每个个价价电电子子有有时时绕绕自自身身原原子子核核运运动动，有有时时也也出出现现在在相相邻邻原原子子所所属属的的轨轨道道上上，为为两两个个原原子子所所共共有，形成共价键结构。有，形成共价键结构。第11页/共92页第十二页，编辑于星期二：点 五十五分。（a）硅和锗原子的简化结构模型 (b)晶体的共价键结构及电子空穴对的产生硅、锗原子结构模型及共价键结构示意图第12页/共92页第十三页，编辑于星期二：点 五十五分。三三、本本征征半半导导体体中中的的两两种种载载流流子子 物质内部运载电荷的粒子称为载流子。物质的导电能力决定于载流子的数目和运动速度。晶体中的共价键具有很强的结合力，在热力学零度，价电子没有能力脱离共价键的束缚，这时晶体中没有自由电子，半导体不能导电。在室温下，少数价电子因热激发而获得足够的能量，因而脱离共价键的束缚变为自由电子，同时在原来共价键处留下一个空位。这个空位叫空穴。第13页/共92页第十四页，编辑于星期二：点 五十五分。当共价键中出现空穴时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键，填充到这个空穴中来，而在原共价键处留下新的空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填充，再出现空穴。这样依次填充下去，便形成了空穴电流。所以在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的。由于自由电子和空穴所带电荷极性不同，所以它们的运动方向相反，本征半导体中的电流是两个电流之和。在本征半导体中有两种载流子，即电子和空穴。电子和空穴均参与导电，这是半导体导电的特殊性质。第14页/共92页第十五页，编辑于星期二：点 五十五分。四、本征半导体中载流子的浓度四、本征半导体中载流子的浓度 在本征半导体内，受激产生一个自由电子必然相伴产生一个空穴，电子和空穴是成对产生的，这种现象称为本征激发。在本征半导体中，价电子受激产生电子空穴对，而自由电子在运动中，以会遇到空穴，并与空穴相结合而消失，这一过程称为复合。在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不停地进行，最终处于一种动态平衡状态，使半导体中的载流子浓度一定。且空穴电子数相等。第15页/共92页第十六页，编辑于星期二：点 五十五分。理论分析表明，本征半导体载流子的浓度为 n i=p i=k1T3/2 e-E/2KTni和pi分别表示自由电子与空穴的浓度（cm3），T为热力学温度，K为玻 耳 兹 曼 常 数（8.6310 5 eV/K），E为热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称禁带宽度（硅为1.21eV，锗为0.785eV），K1是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量（硅3.87106 cm3 K3/2，锗为1.761016cm3 K3/2）。半导体的导电性能对温度很敏感。第16页/共92页第十七页，编辑于星期二：点 五十五分。1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的合适杂质元素，就会使半导体的导电性能发生显著变化。这些微量元素的原子称为杂质。掺杂后的半导体称为杂质半导体，分N型和P型两种。第17页/共92页第十八页，编辑于星期二：点 五十五分。一、一、一、一、N N N N型半导体型半导体型半导体型半导体n n 在硅或锗的晶体中掺入五价元素后，杂质原子就在硅或锗的晶体中掺入五价元素后，杂质原子就替代了晶格中某些硅原子的位置，多余的一个价电子替代了晶格中某些硅原子的位置，多余的一个价电子处在共价键之外，由于磷原子给出了一个多余的电子，处在共价键之外，由于磷原子给出了一个多余的电子，故称磷原子为施主杂质，也称故称磷原子为施主杂质，也称N N（NegativeNegative）型杂质。）型杂质。磷原子给出一个多余的电子后，本身成为正离子，但磷原子给出一个多余的电子后，本身成为正离子，但在产生自由电子的同时，并不产生空穴，这点与本征在产生自由电子的同时，并不产生空穴，这点与本征半导体不同。正离子束缚在晶体中不能移动，所以它半导体不同。正离子束缚在晶体中不能移动，所以它不能参与导电。在掺磷后的硅晶体中同样也有本征激不能参与导电。在掺磷后的硅晶体中同样也有本征激发产生的电子空穴对，但数量很少，因此，自由电发产生的电子空穴对，但数量很少，因此，自由电子数远大于空穴数，故称这种杂质半导体为子数远大于空穴数，故称这种杂质半导体为N N型半导型半导体。体。N N型半导体中，电子为多数载流子（简称多子），空穴型半导体中，电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）。为少数载流子（简称少子）。第18页/共92页第十九页，编辑于星期二：点 五十五分。N型半导体的结构第19页/共92页第二十页，编辑于星期二：点 五十五分。二、二、P P型半导体型半导体 硼原子能接受一个电子，故称为受主杂质或P型杂质。硼原子接受一个电子后，成为带负电的不能移动的负离子，同时产生一个空穴。但产生空穴的同时并不产生自由电子，只是由于本征激发产生为数甚少的电子空穴对，因此空穴的数量远大于自由电子的数量，故称这种杂质半导体为P（Positive）型半导体。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。第20页/共92页第二十一页，编辑于星期二：点 五十五分。P型半导体的结构 第21页/共92页第二十二页，编辑于星期二：点 五十五分。1.1.3 PN 1.1.3 PN 结结n n 在一块本征半导体上，一边掺入施主杂质，使之变为N型半导体，另一边掺入受主杂质，使之变为P型半导体，那么在P型半导体和N型半导体的交界面附近，就会形成一个具有独特物理特性的PN结。PN结具有单向导电性。第22页/共92页第二十三页，编辑于星期二：点 五十五分。一、一、一、一、PNPNPNPN结的形成结的形成结的形成结的形成 物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。运动。P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合在一起时，型半导体结合在一起时，交界面两侧多子和少子的浓度有很大的差别，交界面两侧多子和少子的浓度有很大的差别，就要进行扩散，进而形成空间电荷区，随着扩就要进行扩散，进而形成空间电荷区，随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场加强。而散的进行，空间电荷区加宽，内电场加强。而内电场的作用是阻止多子扩散的，所以由浓度内电场的作用是阻止多子扩散的，所以由浓度差产生的多子扩散的结果产生的内电场对扩散差产生的多子扩散的结果产生的内电场对扩散的阻碍作用最终将达到平衡，使空间电荷区的的阻碍作用最终将达到平衡，使空间电荷区的宽度不再变化。宽度不再变化。第23页/共92页第二十四页，编辑于星期二：点 五十五分。PN结的形成第24页/共92页第二十五页，编辑于星期二：点 五十五分。在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动。另一方面，在P区和N区交界面附近空间电荷区形成的内电场又使少子产生漂移运动，使空间电荷区变窄，又将引起多子扩散以加强内电场。在平衡状态下，总的扩散电流等于漂移电流，且二者方向相反，PN结中的电流为零。第25页/共92页第二十六页，编辑于星期二：点 五十五分。二、二、PNPN结的单向导电性结的单向导电性 1、PN结加正向电压时处于导通状态 电源的正极接P区，负极接N区，叫做加“正向电压”或“正向偏置”。产生较大的正向电流。2、PN结加反向电压时处于截止状态 电源的正极接N区，负极接P区，称为加反向电压。PN结加正向电压时，耗尽层变窄，呈现较小的正向电阻，正向电流较大；加反向电压时，耗尽层增厚，呈现较大的反向电阻，反向电流很小。PN结的这种正向导电性能好，而反向导电性能差的特性，称为PN结的单向导电性。第26页/共92页第二十七页，编辑于星期二：点 五十五分。PN结加正向电压时处于导通状态PN结加反向电压时处于截止状态第27页/共92页第二十八页，编辑于星期二：点 五十五分。三、三、PN PN 结的电流方程结的电流方程由理论分析可知，PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为i=IS（e qu/kT-1）IS 为反向饱和电流，q为电子电量，T为热力学温度，K为玻耳兹曼常数。将KT/q用UT代替，则得i=IS（e u/UT-1）常温下，即T=300K时，UT26mV。第28页/共92页第二十九页，编辑于星期二：点 五十五分。四、四、PNPN结的伏安特性结的伏安特性 当PN结外加正向电压，且u远大于UT时，IISe u/UT；当加于PN结的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然急剧增大，这种反向电流剧增的现象称为PN结的反向击穿，对应于电流开始剧增的电压，称为击穿电压。PN结击穿分“雪崩击穿”和“齐纳击穿”两类。第29页/共92页第三十页，编辑于星期二：点 五十五分。n n雪崩击穿的过程是这样的，当反向电压较高时，结内电场很强，而结层又有一定的宽度，在结内作漂移运动的少数载流子受强电场的加速作用可获得很大的能量。它与结内原子碰撞时，使原子的价电子摆脱束缚状态而形成电子空穴对。新产生的电子和空穴在强电场作用下，再去碰撞其它原子，产生更多的电子空穴对。如此连锁反应，使耗尽层中载流子的数量急剧增加，反向电流迅速增大，PN结发生了雪崩击穿。雪崩击穿的本质是碰撞电离。第30页/共92页第三十一页，编辑于星期二：点 五十五分。n n齐纳击穿发生在高浓度掺杂的PN结中。因为杂质浓度很高，使耗尽层的宽度比一般情况窄得多，即使外加反向电压不高（5V以下），耗尽层中的电场强度就已达到非常高的数值，以致把结内束缚电子直接从共价键中拉出来，产生大量载流子，发生齐纳击穿。第31页/共92页第三十二页，编辑于星期二：点 五十五分。五、五、PNPN结的电容效应结的电容效应 PN结内有电荷的存储，当外加电压变化时，存储的电荷量随之变化，表明PN结具有电容的性质。这一电容由势垒电容和扩散电容两部分组成。1、势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充、放电过程相同，耗尽层宽窄变化所等效的这个电容称为势垒电容Cb。第32页/共92页第三十三页，编辑于星期二：点 五十五分。2、扩散电容 当PN结加正向偏压时，P区和N区的多子就会在扩散过程中越过PN结成为另一方的少子，称为非平衡少子。当正向偏压变化时，相应地有载流子的“充入”和“放出”，等效于电容的充、放电效应。因为这一等效电容是由于载流子在扩散中产生的电荷积累引起的，所以称为扩散电容Cd。由此可见，PN结的结电容Cj是Cb与Cd之和，即Cj=Cb+Cd第33页/共92页第三十四页，编辑于星期二：点 五十五分。1 12 2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 1.2.1 半半导导体体二二极极管管的的几几种种常常见见结结构构 半导体二极管按其不同结构，可分为点接触型、面结合型和平面型几类。点接触型二极管由一根金属丝经过特殊工艺与半导体表面相接，形成P结。因而结面积小，所以不能通过较大的电流，但结电容较小，一般在1pF以下，工作频率可达100MHz以上，但不能承受较高的反向电压和通过较大的电流。这类管子适用高频电路、小功率整流和脉冲数字电路中的开关。第34页/共92页第三十五页，编辑于星期二：点 五十五分。n n面面结结合合型型二二极极管管将将三三价价元元素素铝铝球球置置于于N N型型硅硅片片上上，加加热热使使铝铝球球与与硅硅片片互互相相熔熔合合渗渗透透，形形成成合合金金，从从而而使使接接触触的的那那部部分分硅硅片片转转变变成成P P型型，形形成成PNPN结结。面面结结合合型型二二极极管管PNPN结结面面积积大大，允允许许通通过过较较大大的的电电流流，但但结结电电容容也也大大，因此这类管子适用于整流等低频电路。因此这类管子适用于整流等低频电路。n n平平面面型型二二极极管管是是采采用用扩扩散散法法制制制制成成的的。它它是是在在N N型型硅硅片片上上生生成成一一层层氧氧化化膜膜，再再用用照照相相、腐腐蚀蚀等等一一套套光光刻刻技技术术开开出出一一个个窗窗口口，通通过过窗窗口口进进行行浓浓度度扩扩散散，形形成成P P型型区区，从从而而形形成成PNPN结结。结结面面积积较较大大的的平平面面型型二二极极管管可可用用于于大大功功率率整整流流等等低低频频电电路路。结结面面积积小小的的平平面面型型二二极极管管，极极间电容小，适用于高频电路和脉冲数字电路。间电容小，适用于高频电路和脉冲数字电路。第35页/共92页第三十六页，编辑于星期二：点 五十五分。（a）结构 （b）电路符号 （c）实物外形 二极管结构、符号及外形第36页/共92页第三十七页，编辑于星期二：点 五十五分。1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性一、二极管和一、二极管和一、二极管和一、二极管和PNPNPNPN结伏安特性的区别结伏安特性的区别结伏安特性的区别结伏安特性的区别 与与PNPN结一样，二极管具有单向导电性。但由于二结一样，二极管具有单向导电性。但由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于PNPN结上压降；或者说，在外加正向电压相同的情况下，二极结上压降；或者说，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于管的正向电流要小于PNPN结的电流；在大电流情况下，这结的电流；在大电流情况下，这种影响更为明显。另外，由于二极管表面漏电流的存种影响更为明显。另外，由于二极管表面漏电流的存在，使外加反向电压时的反向电流增大。在近似分析在，使外加反向电压时的反向电流增大。在近似分析时，仍然用时，仍然用PNPN结的电流方程来描述二极管的伏安特性。结的电流方程来描述二极管的伏安特性。开启电压开启电压U Uonon：使二极管开始导通的临界电压。：使二极管开始导通的临界电压。第37页/共92页第三十八页，编辑于星期二：点 五十五分。二、温度对二极管的伏安特性的影响二、温度对二极管的伏安特性的影响 在环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。第38页/共92页第三十九页，编辑于星期二：点 五十五分。1.2.3 1.2.3 1.2.3 1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数二极管的主要参数二极管的主要参数1.1.最最大大整整流流电电流流I I 是是二二极极管管长长期期工工作作允允许许通通过过的的最最大大正正向向平平均均电电流流。其其大大小小决决定定于于PNPN结结的的面面积积、材材料料和和散散热热条条件件。因因电电流流通通过过管管子子时时，PNPN结结要要消消耗耗一一定定的的功功率率而而发发热热，电电流流太太大大将将使使PNPN结结过过热热而而烧烧坏坏，因因此此使用时不要超过使用时不要超过I I值。值。2.2.最最大大反反向向工工作作电电压压U UR R 当当反反向向电电压压增增加加到到击击穿穿电电压压U UR R时时，反反向向电电流流剧剧增增，二二极极管管的的单单向向导导电电性性被被破破坏坏。为了保证管子安全工作，为了保证管子安全工作，U UR R值通常取击穿电压的一半。值通常取击穿电压的一半。3.3.反反向向电电流流I IR R 是是管管子子未未击击穿穿时时反反向向电电流流的的数数值值。I IR R愈愈小小管子的单向导电性能愈好。管子的单向导电性能愈好。4.4.最最高高工工作作频频率率f f 是是二二极极管管具具有有单单向向性性的的最最高高工工作作频频率率。其值主要由管子的势垒电容和扩散电容的大小决定。其值主要由管子的势垒电容和扩散电容的大小决定。第39页/共92页第四十页，编辑于星期二：点 五十五分。1.2.4 1.2.4 1.2.4 1.2.4 二极管的等效电路二极管的等效电路二极管的等效电路二极管的等效电路 二二极极管管的的伏伏安安特特性性具具有有非非线线性性，这这给给二二极极管管应应用用电电路路的的分分析析带带来来一一定定的的困困难难。为为了了便便于于分分析析，常常在在一一定定的的条条件件下下，用用线线性性元元件件所所构构成成的的电电路路来来近近似似模模拟拟二二极极管管的的特特性性，并并用用之之取取代代电电路路中中的的二二极极管管。能能够够模模拟拟二二极极管管特特性性的的电电路路称称为为二二极极管管的的等等效效电电路路，也也称称为为二二极极管管的的等等效效模模型型。一一种种等等效效电电路路是是建建立立在在器器件件物物理理原原理理基基础础上上的的，其其电电路路参参数数与与物物理理机机理理密密切切相相关关，参参数数适适用用范范围围大大，因因此此模模型型较较为为复复杂杂，参参数数的的测测量量与与计计算算也也比比较较复复杂杂，适适用用于于计计算算机机辅辅助助分分析析；另另一一种种等等效效电电路路是是根根据据器器件件外外特特性性而而构构造造的的，因因而而模模型型较较为为简简单单，适适用用于似分析。于似分析。第40页/共92页第四十一页，编辑于星期二：点 五十五分。一一、由由伏伏安安特特性性折折线线化化得得到到的的等等效效电路电路理想二极管：导通时正向压降为零，截止时反向电流为零。理想二极管电压源Uon，截止时反向电流为零。理想二极管电压源Uon电阻rD，截止时反向电流为零。二极管的端电压小于导通电压时电流为零；超过导通电压后，特性曲线用一条斜线来近似，斜线的斜率为工作范围内电流、电压的比值，其导数为等效的电阻。第41页/共92页第四十二页，编辑于星期二：点 五十五分。二、二极管的微变等效电路二、二极管的微变等效电路二、二极管的微变等效电路二、二极管的微变等效电路 当二极管外加直流正向偏置电压时，将有一直流电流，当二极管外加直流正向偏置电压时，将有一直流电流，曲线上反映该电压和电流的点为曲线上反映该电压和电流的点为QQ点，若在点基础上加微点，若在点基础上加微小的变化量，则可以用以点为切点的直线来近似微小变化小的变化量，则可以用以点为切点的直线来近似微小变化时的曲线。即将二极管等效成一个动态电阻时的曲线。即将二极管等效成一个动态电阻r rd d，且，且r rd d=u uDD/i iDD称为二极管的微变等效电路。由于二极管正称为二极管的微变等效电路。由于二极管正向特性为指数曲线，所以向特性为指数曲线，所以QQ愈高，愈高，r rd d的数值愈小，利用的数值愈小，利用二极管的电流方程可以求出二极管的电流方程可以求出r rd d。如如果果只只考考虑虑二二极极管管两两端端电电压压在在某某一一固固定定值值附附近近作作微微小小变变化化时时所所引引起起的的电电流流变变化化，可可以以用用曲曲线线在在该该固固定定处处的的切切线线来来近近似似表示这一小段曲线。表示这一小段曲线。交流电压源和直流电压源同时作用的二极管电路。交流电压源和直流电压源同时作用的二极管电路。第42页/共92页第四十三页，编辑于星期二：点 五十五分。1.2.5 稳压二极管稳压二极管一、稳压二极管的伏安特性一、稳压二极管的伏安特性 稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。它具有陡峭的反向击穿特性，工作在反向击穿状态。稳压管的稳压作用在于：电流变化量I很大，只引起很小的电压变化V。击穿特性越陡，稳压管的动态电阻越小，稳压性能就越好。必须控制反向电流不超过一定值，否则管子就会损坏。第43页/共92页第四十四页，编辑于星期二：点 五十五分。(a)伏安特性 （b）符号第44页/共92页第四十五页，编辑于星期二：点 五十五分。n n二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数n n1 1稳稳定定电电压压U UZ Z 是是在在规规定定电电流流下下稳稳压压管管的的反反向向击击穿穿电电压压。这这一一参参数数随随工工作作电电流流和和温温度度的的不不同同略略有改变，并且分散性大。有改变，并且分散性大。n n2 2 稳稳定定电电流流I IZ Z 即即稳稳压压管管的的端端电电压压等等于于U UZ Z时时的的参参考考电电流流值值，电电流流低低于于此此值值时时稳稳压压效效果果变变坏坏，甚甚至至根根本本不不稳稳压压，故故也也常常将将I IZ Z记记作作I IZ Zminmin。只只要要不不超超过过稳稳压管的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。压管的额定功率，电流愈大，稳压效果愈好。第45页/共92页第四十六页，编辑于星期二：点 五十五分。n n3 3 动动态态电电阻阻r rZ Z 是是稳稳压压管管两两端端电电压压和和通通过过电电流流变变化化量量的的比比。其其值值越越小小，电电流流变变化化时时端端电电压压的的变变化化越小，即稳压管的稳压特性越好。越小，即稳压管的稳压特性越好。n n4 4 温温度度系系数数 是是说说明明稳稳定定电电压压值值受受温温度度影影响响的的参参数数，其其数数值值为为温温度度每每升升高高一一度度时时稳稳定定电电压压值值的的相相对对变变化量。化量。n n5 5 额额定定功功耗耗P PZ Z 它它是是由由管管子子允允许许温温升升所所决决定定的的，为为U UZ Z和和I IZMZM的乘积。的乘积。第46页/共92页第四十七页，编辑于星期二：点 五十五分。1.2.6 1.2.6 其它类型二极其它类型二极管管一、发光二极管一、发光二极管包括可见光、不可见光、激光等不同类型。发光颜色决定于所用材料。开启电压比普通的大。因驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高等优点广泛用于显示电路中。也具有单向导电性。第47页/共92页第四十八页，编辑于星期二：点 五十五分。二、光电二极管二、光电二极管 远红外线接收管，是一种光能与电能进行转换的器件，利用PN结的光敏特性，将接收到的光的变化转换成电流的变化。伏安特性：1、无光照时，与普通二极管一样，一象限。2、有光照时，特性曲线下移。三象限、四象限第48页/共92页第四十九页，编辑于星期二：点 五十五分。在在反反向向电电压压的的一一定定范范围围内内，即即在在第第三三象象限限，特特性性曲曲线线是是一一组组横横轴轴的的平平行行线线。光光电电流流受受入入射射照照度度的的控控制制。照照度度一一定定时时，光光电电二二极极管管可可等等效效成成恒恒流流源源。照照度度愈愈大大，光光电电流流愈愈大大，在在光光电电流流大大于于几几十十微微安安时时，与与照照度度成成线线性性关关系系。这这种种特特性性可可广广泛泛用用于于遥遥控控、报报警及光电传感器中。警及光电传感器中。特性曲线在第四象限时呈光电池特性。特性曲线在第四象限时呈光电池特性。由由于于光光电电二二极极管管的的光光电电流流较较小小，所所以以当当将将其其用用于于测量及控制等电路中时，需首先进行放大处理。测量及控制等电路中时，需首先进行放大处理。除除上上述述特特殊殊二二极极管管外外，还还有有利利用用PNPN结结势势垒垒电电容容制制成成的的变变容容二二极极管管，利利用用高高掺掺杂杂材材料料形形成成PNPN结结的的隧隧道道二二极极管管，利利用用金金属属与与半半导导体体之之间间的的接接触触势势垒垒而而制制成成的的肖肖特特基基二极管。二极管。第49页/共92页第五十页，编辑于星期二：点 五十五分。1 13 3 双极型晶体管双极型晶体管1.3.1 1.3.1 晶体管的结构及类型晶体管的结构及类型 在双极型晶体管中，带正电的空穴和带负电的电子均参与导电，由此得名。根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结就构成双极型晶体管。有两种基本类型即NPN型和PNP型。第50页/共92页第五十一页，编辑于星期二：点 五十五分。NPN型晶体管由三层半导体组成，中间是一层很薄的P型半导体，两边各为一块N型半导体，三个区域分别为发射区、基区和集电区，从这三个区域引出相应的电极，称为发射极e、基极b和集电极c，在三个区域的交界面上形成两PN结，处于发射区和基区之间的叫做发射结，处于基区和集电区之间的称为集电结。第51页/共92页第五十二页，编辑于星期二：点 五十五分。晶体管的结构特点是：发射区掺杂浓度高，基区薄且掺杂浓度低，集电结面积大。晶体管的外特性与三个区域的上述特点紧密相关。用晶体管组成放大电路，其中一个极作为输入端，一个极作为输出端，还有一个极作为输入和输出的公共端。根据用作公共端电极的不同，晶体管有三种不同的连接方式，即共基极接法、共发射极接法和共集电极接法。第52页/共92页第五十三页，编辑于星期二：点 五十五分。1.3.2 1.3.2 晶体管的电流放大作用晶体管的电流放大作用 我们知道，把两个二极管背靠背的连在一起，是没有放大作用的，要想使它具有放大作用，必须做到一下几点：一一、三三极极管管放放大大时时必必须须的的内内部部条件条件1、发射区中掺杂浓度最高；2、基区必须很薄且掺杂浓度最低；3、基电结的面积应很大掺杂浓度较高。第53页/共92页第五十四页，编辑于星期二：点 五十五分。二、三极管放大时必须的外部条件二、三极管放大时必须的外部条件发射结应正向偏置，集电结应反向偏置。三、三极管的电流放大作用三、三极管的电流放大作用1 1、载流子的传输过程、载流子的传输过程 因为发射结正向偏置，且发射区进行重掺杂，所以发射区的多数载流子扩散注入至基区，又由于集电结的反向作用，故注入至基区的载流子在基区形成浓度差，因此这些载流子从基区扩散至集电结，被电场拉至集电区形成集电极电流。而留在基区的很少，因为基区做的很薄。我们再用图形来说明一下，如图所示：第54页/共92页第五十五页，编辑于星期二：点 五十五分。第55页/共92页第五十六页，编辑于星期二：点 五十五分。2 2、电流的分配关系、电流的分配关系由于载流子的运动，从而产生相应电流，它们的关系如下：其中：ICEO为发射结少数载流子形成的反向饱和电流；ICBO为IB=0时，集电极和发射极之间的穿透电流。为共基极电流的放大系数，共发射极电流的放大系数。第56页/共92页第五十七页，编辑于星期二：点 五十五分。它们可定义为：=IC/IE，=IC/IBIC/IB，放大系数有两种（直流和交流），但我们一般认为，它们二者是相等的，不区分它们。第57页/共92页第五十八页，编辑于星期二：点 五十五分。1.3.3 1.3.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线 它的特性曲线与它的接法有关，在学习之前，我们先来学习一下它的三种不同接法。共基极 共发射极 共集电极 第58页/共92页第五十九页，编辑于星期二：点 五十五分。一、输入特性一、输入特性n n K为常数 它与PN结的正向特性相似，三极管的两个PN结相互影响，因此，输出电压U UCE对输入特性有影响，且U UCE1,时这两个PN结的输入特性基本重合。我们用U UCE=0和U UCE=1,两条曲线表示。第59页/共92页第六十页，编辑于星期二：点 五十五分。第60页/共92页第六十一页，编辑于星期二：点 五十五分。二、输出特性二、输出特性 K为常数第61页/共92页第六十二页，编辑于星期二：点 五十五分。它的输出特性可分为三个区：(1)截止区：I IB=0时，此时的集电极电流近似为零，管子的集电极电压等于电源电压，两个结均反偏；(2)饱和区：此时两个结均处于正向偏置，U UCE=0.3V；(3)放大区:此时I IC=I IB，I IC基本不随U UCE变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏。第62页/共92页第六十三页，编辑于星期二：点 五十五分。1.3.41.3.4三级管主要参数三级管主要参数一、直流参数一、直流参数1 共射直流电流放大系数=（IC ICEO）/IB2 共基直流电流放大系数=IC/IE3 极间反向电流ICBO 即发射极开路时，集电结的反向饱和电流。ICEO 即基极开路时，集电极发射极间的穿透电流。它是由集电区贯穿基区至发射区的电流，故称穿透电流。第63页/共92页第六十四页，编辑于星期二：点 五十五分。二、交流参数二、交流参数1 共射交流电流放大系数2 共基交流电流放大系数3 特征频率fT使下降到1的信号频率称为特征频率。第64页/共92页第六十五页，编辑于星期二：点 五十五分。三、极限参数三、极限参数 是指为使晶体管安全工作对它的电压、电流和功率损耗的限制。1 最大集电极耗散功率PCM 决定于晶体管的温升。2 最大集电极电流ICM 使明显减小的iC3 极间反向击穿电压 晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压。如反向电压超过规定值就会发生击穿，击穿原理与二极管相同。管子击穿后将造成永久性的损坏或性能下降。第65页/共92页第六十六页，编辑于星期二：点 五十五分。经常接触到的有下列三种击穿电压：UCBO发射极开路时集电极基极间的反向击穿电压，这是集电结所允许加的最高反向电压。UCEO基极开路时集电极基极间的反向击穿电压，此时集电结承受反向电压。UEBO集电极开路时发射极基极间的反向击穿电压，这是发射结所允许加的最高反向电压。第66页/共92页第六十七页，编辑于星期二：点 五十五分。1.3.5 1.3.5 温温度度对对晶晶体体管管特特性性及及参参数数的影响的影响一、一、温度对温度对I ICBOCBO影响影响温度升高ICBO增大。二、二、温度对输入特性的影响温度对输入特性的影响当温度升高时，正向特性曲线将左移。三、温度对输出特性的影响三、温度对输出特性的影响输出特性曲线上移，电流放大倍数增大。第67页/共92页第六十八页，编辑于星期二：点 五十五分。1.3.6 1.3.6 光电三极管光电三极管 光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小，其功能可等效为一只光电二极管与一只晶体管相连，并仅引出集电极与发射极。光电三极管与普通三极管的输出特性曲线类似，只是将参变量基极电流用入射光照度取代。第68页/共92页第六十九页，编辑于星期二：点 五十五分。光电三极管 第69页/共9