模拟电子技术电子教案(第一章)N23336.pptx

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1、模拟电子技术电子教案制作人：郭建才制作人：郭建才华南师范大学教育信息技术学院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：本章应重点掌握以下内容：l半导体二极管的单向导电特性、伏安特半导体二极管的单向导电特性、伏安特性以及主要电参数。性以及主要电参数。l硅稳压二极管的伏安特性、稳压原理及硅稳压二极管的伏安特性、稳压原理及主要电参数。主要电参数。l晶体管的放大作用、输入特性曲线和输晶体管的放大作用、输入特性曲线和输出特性曲线、主要参数、温度对参数的出特性曲线、主要参数、温度对参数的影响。影响。教学内容1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 PN结结 1.3

2、 半导体三极管半导体三极管1.1 半导体基础知识l 1.1.1 本征半导体本征半导体l 1.1.2 杂质半导体杂质半导体1.1.1 本征半导体l根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来的不同，来划分划分导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体。l典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等等。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。半导体硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。原子序号分别为原子序号分别为1414（2 2、8 8、4 4）和）和3232（2 2、8 8、1818、4 4）。）。

3、Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子1.1.1 本征半导体l通过一定的工艺过程，可以将半导体制通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。成晶体。l完全纯净的、结构完整的半导体晶体，完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。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。形成共价键，共用一对价电子。共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子+4+4+4+41.1.1 本征半导体l形成共价键后，每个形成共价键后，每个原子的最外层电子是原子的最外层电子是

4、八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。+4+4+4+4l共价键有很强的结合共价键有很强的结合力，使原子规则排列，力，使原子规则排列，形成晶体。形成晶体。1.1.1 本征半导体在在绝绝对对温温度度0 0K(-K(-273)273)时时，本本征征半半导导体体中中的的电电子子受受原原子子核核的的束束缚缚，故故该该半半导导体体不不存存在在能能导导电电的的粒粒子子，从从而而呈呈现现绝缘体的性能。绝缘体的性能。绝对温度绝对温度=273 273+摄氏温度摄氏温度+4+4+4+41.1.1 本征半导体共共价价键键中中的的价价电电子子受受激激发发获获得得能能量量并并摆摆脱脱共共价价键键的的束束缚缚成成为为“自

5、自由由电电子子”，并并在在原原共共价价键键的的位位置置上上形形成成一一个个“空空穴穴”，这这一一过过程程称为称为本征激发本征激发。+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 本征半导体电电子子和和空空穴穴均均是是能能够够自自由由移移动动的的带带电电粒粒子子，称称为为载载流流子子。电电子子带带负负电电荷荷，空空穴带正电荷。穴带正电荷。+4+4+4+41.1.1 本征半导体载载流流子子在在电电场场作作用用下下的的定定向向运运动动称称为为漂漂移移 .本本征征半半导导体体中中自自由由电电子子数数n ni i等等于于空穴数空穴数p pi i，即即n n

6、i ip pi i.+4+4+4+41.1.1 本征半导体产产生生自自由由电电子子和和空空穴穴对对的的同同时时，部部分分电电子子也也失失去去能能量量返返回回到到共共价价键键处处，使使自自由由电电子子和和空空穴穴对对消消失失，此此过程称为载流子的过程称为载流子的复合复合。+4+4+4+41.1.1 本征半导体空空穴穴在在电电场场作作用用下下定定向向移移动动形形成成电电流流，实实际际上上是是共共价价键键中中的的价价电电子子在在作作填填补补空空穴穴的的移移动动，方方向向与与空空穴穴移动的方向相反。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，本征半导体的载流子浓度，除

7、与半导体材料本身的性质除与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高，关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。因基本上按指数规律增加。因此，此，本征载流子的浓度对温本征载流子的浓度对温度十分敏感。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。本征激发产生成对电子和空穴。n 温温度度越越高高，电电子子空空穴穴对对的的浓浓度度越越大大。外外部部条条件件一一定定时时，不不断断有有本本征征激激发发产产生生新新的的电电子子和和空空穴穴，也也不不断断有有电电子子与与空空穴穴复复合合而而消消失失，达达到到动动态态平平衡衡。室室

8、温温下下，电电子子、空空穴穴对对浓浓度度较低，故电阻率大，导电性能差。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。质，可使半导体的导电性发生显著变化。T T=300 K=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n n=p p=1.410=1.4101010/cm/cm3 3某种掺杂半导体中的自由电子浓度某种掺杂半导体中的自由电子浓度:n=n=5105101616/cm/cm3 31.1.2 杂质半导体 掺入杂质的本征半导体称为掺入杂质的本征半导体称

9、为杂质半导体杂质半导体。为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺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入的杂质主要是微量的价电子数较为接近的的三价三价或或五价五价元素。元素。1.1.2 杂质半导体 N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。的半导体。P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。的半导体。NN型半导体型半导体因五价杂质原子中只有因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余子形成共价键，而多余的一个价电子

10、因无共价的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自键束缚而很容易形成自由电子。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型半导体在在N N型半导体中型半导体中自由电子是自由电子是多数载流子，多数载流子，它主要由杂它主要由杂质原子提供；质原子提供；空穴是少数空穴是少数载流子载流子,由热激发形成。由热激发形成。+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提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。P

11、P型半导体型半导体因三价杂质原子在与硅因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。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型半导体在在P P型半导体中型半导体中空穴是多空穴是多数载流子，数载流子，它主要由掺杂它主要由掺杂形成；形成；自由电子是少数载自由电子是少数载流子，流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质因而也称为三价杂质因而也称为受主杂质受主杂质。+4+4+4+4+3+4+4

12、+4+4图15 P型半导体的共价键结构受主原子空位本节中的有关概念本节中的有关概念l本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体l自由电子、空穴自由电子、空穴lN N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体l多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子1.2 PN结 l1.2.1 1.2.1 异型半导体接触现象异型半导体接触现象 l1.2.2 1.2.2 PNPN结的单向导电特性结的单向导电特性 l1.2.3 1.2.3 PNPN结的击穿特性结的击穿特性 l1.2.4 1.2.4 PNPN结的电容效应结的电容效应l1.2.5 1.2.5 半导体二极管半导体二极管l1.2.6 1.2.6 稳压

13、二极管稳压二极管l1.2.7 1.2.7 二极管的应用二极管的应用l1.2.8 1.2.8 其它二极管其它二极管1.2.1 异型半导体接触现象 P P型型和和N N型型半半导导体体相相接接触触，其其交交界界面面两两侧侧由由于于载载流子的浓度差，产生流子的浓度差，产生扩散运动扩散运动，形成扩散电流，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 异型半导体接触现象l扩扩散散时时将将分分别别留留下下带带正正、负负电电荷荷的的杂杂质质离离子子，形形成成空空间间电电荷荷和和自自建建场场在在该该电电场场作作用用下下，载载

14、流流子子作作漂漂移移运运动动，其其方方向向与与扩扩散散方方向向相相反反，阻阻止扩散，平衡时扩散运动与漂移运动相等止扩散，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当外加电压使PNPN结中结中P P区区的电位高于的电位高于N N区的电位，区的电位，称为加称为加正向电压正向电压，简称，简称正正偏偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。加正向电压时，加正向电压时，PNPN结处结处于导通状态，其正向电流于导通状态，其正向电流随正向电压增大而增大

15、。随正向电压增大而增大。PNPN结正向偏置结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流PNPN结反向偏置结反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小，A级级1.2.2 PN结的单向导电特性其中其中I IS S 反向饱和电流反向饱和电流U UT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300KT=300K）1.2.3 PN结的击穿特性

16、当当PNPN结的反向电压增加到结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为然快速增加，此现象称为PNPN结的结的反向击穿。反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆1.2.4 PN结的电容效应PNPN结结电电压压变变化化，阻阻挡挡层层厚厚度度也也发发生生变变化化，从从而而引引起起阻阻挡挡层层内内电电荷荷变变化化。此此种种电电容容称称为为势势垒垒电电容容C CT T。1.1.势垒电容势垒电容C CT T势垒电容示意图势垒电容示意图1.2.4 PN结的电容效应PNPN结结正正向向运运用用时时，多多数数载载流流

17、子子在在扩扩散散过过程程中中引引起起电电荷荷积积累累，正正向向电电压压变变化化，其其积积累累的的电电荷荷也也变变化化，此此种种电电容容称称为为扩扩散电容散电容C CD D。2.2.扩散电容扩散电容C CD D扩散电容示意图扩散电容示意图1.2.4 PN结的电容效应一一般般情情况况下下，PNPN结结加加正正向向电电压压时时，扩扩散散电电容容C CD D 起主要作用。起主要作用。加加反反向向电电压压时时，势势垒垒电电容容C CT T起主要作用。起主要作用。PNPN结结电电容容均均随随外外加加电电压压变化而变化。变化而变化。1.2.5 半导体二极管1.基本结构基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导

18、体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PN符号符号阳极阳极阴极阴极PN1.2.5 半导体二极管2.分类分类二极管按结构分二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型有点接触型、面接触型和平面型三大类。三大类。(1)(1)点接触型二极管点接触型二极管点接触型点接触型 PN结面积小，结电容结面积小，结电容小，用于检波和变频等高小，用于检波和变频等高频电路。频电路。1.2.5 半导体二极管(3)(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。往往用于集成电路制造艺中。PN PN 结面积可大可小，用于高结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。频整流和开关电路中。(2)(2)面接触型

19、二极管面接触型二极管 PNPN结面积大，用于低频结面积大，用于低频大电流整流电路。大电流整流电路。面接触型面接触型平面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二极管伏安特性UI导通压降导通压降:硅管硅管0.7V,锗管锗管0.2V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)反向漏电流反向漏电流（很小，（很小，A A级）级）死区电压死区电压 硅管硅管0.60.8V,锗管锗管0.10.3V。二极管伏安特性二极管伏安特性锗二极管锗二极管2 2AP15AP15的的V V-I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性二极管的主要参数二极管的主要参数二极管的主要参数有：二极

20、管的主要参数有：n最大整流电流最大整流电流I IF Fn最大反向工作电压最大反向工作电压U UR Rn反向电流反向电流I IR Rn直流电阻直流电阻R RD Dn交流电阻交流电阻r rd dn最高工作频率最高工作频率f fM M 1.2.6 稳压二极管1.1.稳压特性稳压特性(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压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。二极管稳压时工作在反向电击穿状态。I IZ Z很大，很大，V VZ Z很小。很小。1.2.6 稳压二极管(1)(1)稳定电压稳定电压V VZ Z(2)(2)动态电阻动态电阻r rZ

21、 Z 在规定的稳压管反向工作在规定的稳压管反向工作电流电流IZIZ下，所对应的反向下，所对应的反向工作电压。工作电压。r rZ Z=V VZ Z/I IZ Z(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 P PZMZM V VZ ZI IZ Z(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 I IZmax Zmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 I IZminZmin(5)(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 V VZ Z2.2.稳压二极管主要参数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.

22、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三极管的结构及类型l 1.3.2 三极管的三种连接方式三极管的三种连接方式l 1.3.3 三极管的放大作用三极管的放大作用l 1.3.4 三极管的特性曲线三极管的特性曲线l 1.3.5 三极管的主要参数三极管的主要参数l 1.3.6 温度对三极管参数的影响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三极管是组成各种电子线路的核心器件 两个两个PNPN结：发射结和集电结结：发射结和集电结l三个区域：发射区、基区、集电区三个区域：发射区、基区、集电区l三个极：发射极、基极、集电极三个极：

23、发射极、基极、集电极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为实现放大，三极管应满足下列条件l(1)(1)发射区重掺杂，发射区重掺杂，l(2)(2)基区很薄；基区很薄；l(3)(3)集电结面积大，集电结面积大，l(4)(4)发射结正向偏置，集电结反向偏置发射结正向偏置，集电结反向偏置 三极管的结构特点BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高三极管的电流放大原理BECNNPEBRBEcIE1IB进入进入P P区的电子少部区的

24、电子少部分与基区的空穴复合，分与基区的空穴复合，形成电流形成电流I IB B,多数扩多数扩散到集电结。散到集电结。发射结正偏，发射结正偏，发射区电子发射区电子不断向基区不断向基区扩散，形成扩散，形成发射极电流发射极电流I IE E。BECNNPEBRBEcIE从基区扩散来的从基区扩散来的电子漂移进入集电子漂移进入集电结而被收集，电结而被收集，形成形成I IC C。IC2ICIB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：实现这一传输过程的两个条件是：（1 1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。杂质浓度，且基区很薄

25、。（2 2）外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结反发射结正向偏置，集电结反向偏置。向偏置。综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的综上所述，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发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。的。静态电流放大倍数静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数 =IC/IBIC=IB动态电流放大倍数动态电流放大倍数IB：IB+IBIC：IC+IC =IC/IB一般认为：一般认为：=，近似为一常数，近似为一常数，值范围：值范围：20100 IC=IB电流分配关系：电流分配关

26、系：I IE E=I IB B+I IC CI IC C=I IB BI ICBOCBO为为c c结少数载流子形成的反向饱和电流；结少数载流子形成的反向饱和电流；I ICEOCEO为为I IB Bo o时，时，c c、e e橙之间的穿透电流；橙之间的穿透电流；为共基极电流放大系数；为共基极电流放大系数；为共发射极电流放大系数。为共发射极电流放大系数。1.3.4 三极管的特性曲线输入特性曲线的三个部分输入特性曲线的三个部分 死区死区 非线性区非线性区 线性区线性区1.1.输入特性曲线输入特性曲线2、输出特性、输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80

27、 A100 A放大区：放大区：当当U UCECE大于一定的数大于一定的数值时，值时，I IC C只与只与I IB B有关有关I IC C=I IB B ,且且 I IC C=I IB B 。发发射结正向偏置，集电结反向射结正向偏置，集电结反向偏置偏置 。截止区截止区:I IB B=0,=0,I IC C=I=ICEOCEO,U,UBEBE IIC C，U UCECE 0.3V0.3V。两个结均两个结均处于正向偏置。处于正向偏置。1.3.5 三极管的主要参数 (1)(1)电电流流放放大大系系数数或或，主主要要表表征征管管于的放大能力。一般二者关系为：于的放大能力。一般二者关系为：=/=/（1+1

28、+）=/=/（1-1-）1.3.5 三极管的主要参数 (2)(2)极间反向电流：极间反向电流：I ICBO CBO 集电极一基极反向饱和电流。集电极一基极反向饱和电流。I ICEOCEO 穿透电流，与穿透电流，与I ICBOCBO的关系为的关系为 I ICEOCEO=（1+1+）I ICBOCBO它们是由少数载流子形成的，与温度有关。它们是由少数载流子形成的，与温度有关。1.3.5 三极管的主要参数 (3)(3)极限参数：极限参数：I ICM CM 集电极最大允许电流。集电极最大允许电流。P PCM CM 集电极最大允许功率损耗。集电极最大允许功率损耗。BUBUCBOCBO 、BUBUCEOC

29、EO 、BUBUEBO EBO 三极管的击穿电压。三极管的击穿电压。I ICMCM 、P PCMCM 、BUBUCEOCEO共同确定三极管的安全工作区。共同确定三极管的安全工作区。1.3.6 温度对三极管参数的影响T(T(温度温度)、I ICBOCBO、I ICEOCEO、|U UBEBE|IIC C 谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH