模拟电子技术基础学习教案.pptx
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1、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
2、: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
3、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
4、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?
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、,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
11、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
12、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=k1
13、T3/2 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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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。
19、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
20、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)
21、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,
22、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
23、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
24、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
25、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
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