电子技术基础教案1课件

电子技术基础教案.第1章 常用半导体器件 将所有的物质按照导电性能进行分类，可以分为导体、绝缘体和半导体三类。导体：导电性能良好的物体称为导体（例如铜、铁、铝等）。绝缘体：几乎不导电的物体称为绝缘体（例如橡胶、陶瓷、干木头等）。半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的物体称为半导体（例如硅、锗、氧化物等）.1.1 半导体基础知识 半导体是制作晶体二极管、晶体三极管、场效应管和集成电路的材料。半导体的广泛应用是因为半导体有特殊的导电性能。半导体的电阻率随着温度的升高而下降，即温度升高，半导体的导电能力增强。半导体的导电能力受掺入杂质的影响显著，即在半导体材料中掺入微量杂质（特定的元素），电阻率下降，导电能力增强。半导体的导电能力随着光照强度的增强而增强。下面将详细讲述半导体的基础知识.常用的半导体材料有硅（元素符号为Si）和锗（元素符号为Ge）两种。纯纯净净的的半半导导体体称为本征半导体。因为半导体的原子结构是晶体结构，所以又称为晶体。用半导体材料做成的二极管、三极管又称为晶体二极管、晶体三极管。1、本征半导体.几个名词 半导体硅元素和锗元素的单个原子都是4价元素，其原子结构为相对稳定的共价健结构。所以在室温下有少数的价电子可以从原子的热运动中获得能量，挣脱共价健的束缚，成为带负电荷的自自由由电电子子；在原来的位置上留下一个带正电荷的空位，这个空位称为空空穴穴。在本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的称为电电子子空空穴穴对对。在外加电压的作用下，电子和空穴都参与导电，所以电子和空穴都称为载载流流子子。两种载流子所带的电量相等、极性相反，对外不显电性。自由电子与空穴相遇时也会中和，称为复合复合。常温下本征半导体导电能力差，要提高它的导电能力，必须掺入微量的杂质（特定元素），这就是杂质半导体。.2、杂质半导体 掺入杂质以后的半导体称为杂质半导体。杂质半导体有两种：N型半导体和P型半导体。（1）N型半导体 在本征半导体硅（或锗）元素中掺入五价元素，例如磷（元素符号P），就可以得到N型半导体。N型半导体中自由电子占大多数，称为多数载流子；而空穴称为少数载流子。在外电场的作用下电流中主要部分是电子流。这种以电子导电为主的半导体称为N型半导体。在硅元素中掺入五价元素，得到的杂质半导体称为N型硅；在锗元素中掺入五价元素，得到的杂质半导体称为N型锗。.（2）P型半导体在本征半导体硅（或锗）元素中掺入三价元素，例如硼（元素符号B），就可以得到P型半导体。在P型半导体中空穴占大多数，称为多数载流子；而自由电子称为少数载流子。在外电场的作用下电流中主要部分是空穴流。这种以空穴导电为主的半导体称为P型半导体。如果在硅元素中掺入三价元素，得到的杂质半导体称为P型硅；如果在锗元素中掺入三价元素，得到的杂质半导体称为P型锗。.3、PN结将N型半导体与P型半导体采用特殊的工艺结合在一起时，在其交界处会形成一种特殊的阻挡层，这就是PN结。PN结具有很重要的特性单向导电性。实际电路中，PN结上总要加上一定的电压，外加电压的极性不同，导电性能差异很大。.PN结的单向导电性PN结加正向电压导通 图图1-1PN结的单向导电性 将PN结按照图1-1（a）所示接上电源称为加正向电压，加正向电压时阻挡层（PN结）变窄，电阻变小，电流增大，称为PN结处于导通状态。.PN结的单向导电性 将PN结按照图1-1（b）所示接上电源称为加反向电压，加反向电压时阻挡层（PN结）变宽，电阻变大，电流减小，称为PN结处于截止状态。综上所述，当PN结加正向电压时会导通，加反向电压时会截止，这就是PN结的单向导电性。PN结加反向电压截止.1.2 晶体二极管1晶体二极管的结构用外壳把一个PN结封装起来，从P区和N区各引出一个电极，就组成一个晶体二极管，简称二极管，用VD表示。示意图如图1-2（a）所示。图（b）是晶体二极管的电路符号。图图1-2 晶体二极管.晶体二极管的分类 晶体二极管种类很多 按照制造材料的不同分为硅二极管和锗二极管。按照用途分为整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照制造工艺分类有点接触型、面接触型、平面型等。.2晶体二极管的伏安特性 二极管两端的电压u（单位为伏）与电流i（单位为安）之间的变化规律称为晶体二极管的伏安特性。通常用曲线来表示二极管的伏安特性，这条曲线称为伏安特性曲线。伏安特性曲线可以通过实验的方法得到，测试电路如下图1-3所示。图1-3 晶体二极管伏安特性测试.二极管特性曲线测试 用图1-3（a）测试二极管的正向特性曲线 用图1-4（b）测试二极管的反向特性曲线 电阻R为限流电阻，为防止因电路中的电流过大损坏二极管而设计。改变可调电阻RW的大小，可以得到不同的输入电压，每给定一个电压值读出相应的电流值，把若干个这样的测试结果用描点连线的方法作在同一个u-i平面上,就可以得到如图1-4所示的晶体二极管的伏安特性曲线。.图1-4晶体二极管伏安特性曲线晶体二极管特性曲线.曲线分析（1）正向特性只有当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这个电压数值称为“门限电压”或“死区电压”用UT表示。对于硅管UT为0.60.8伏；对于锗管UT为0.20.3伏。一般情况下，从曲线近似直线部分作切线，切线与横坐标的交点即为UT。随着电压u的增加，电流i按照指数的规律增加，当电流较大时，电流随着电压的增加几乎直线上升。不论硅管还是锗管，即使工作在最大允许电流，管子两端的电压降一般也不会超过1.5伏，这是晶体二极管的特殊结构所决定的。.（2）反向特性 反向电流很小。而且相同温度下，硅管比锗管的反向电流更小。反向击穿之前，反向电流基本不随反向电压的变化而变化，所以这个电流称为反向饱和电流。用IS表示。反向饱和电流随着温度的上升而按照指数的规律增长。（3）反向击穿特性当反向电压超过某一数值时，反向电流将急剧增加，这种现象称为击穿现象。对应于电流突变的这一点的电压称为反向击穿电压，用UB表示。.3晶体二极管的主要参数（1）最大整流电流IF允许流过二极管的平均电流的最大值。正常工作时二极管的电流ID应该小于IF。（2）最高反向工作电压UR允许加在二极管上反向电压的最大值。一般情况下取UR为UB（反向击穿电压）的一半。（3）最高工作频率fM指二极管工作频率的上限值。主要由PN结的电容决定。外加信号的频率超过二极管的最高工作频率时，二极管的单向导电性能将不能很好的体现。.1.3晶体三极管 1晶体三极管的结构 在一片半导体基片上制作两个PN结，就有两个N型区域，一个P型区域（或者两个P型区，一个N型区），从三个区各引出一根导线，作为三个电极就组成一个晶体三极管。图1-5是晶体三极管的结构示意图，其中图（a）为NPN型晶体三极管的结构示意图和电路符号；图（b）是PNP型晶体三极管的结构示意图和电路符号。电路中晶体三极管用VT表示。.图图1-5 晶体三极管结构及其符号晶体三极管结构及其符号.无论PNP型还是NPN型晶体三极管都有相同的名称：晶体三极管中间的区域为基区，两边的分别为发射区和集电区。三个电极分别称为基极(用b表示)、发射极(用e表示)、集电极(用c表示)。发射极与基极之间的PN结称为发射结（简称e结）；集电极与基极之间的PN结称为集电结（简称c结）。.晶体管的分类 晶体三极管的种类很多 按照制作材料分类：有硅管和锗管。按照内部结构分类：有NPN型和PNP型（不论是硅管还是锗管都有NPN型和PNP型）。按照用途分类：有放大管和开关管等。按照工作频率分类：有低频管和高频管。按照功率分类：有小功率管、中功率管和大功率管等。.2晶体三极管的放大原理 晶体三极管具有放大作用，因此常用它组成放大电路。放大电路框图如图1-6所示。在输入端加上一个小信号，在输出端可以得到比较大的信号。图图1-6 放大电路框图.三极管的三种连接方法晶体三极管只有三个电极，用它组成放大电路时，一个电极作为输入端，一个电极作为输出端，剩下的一个电极作为输入、输出的公共端，所以用三极管组成放大器时就有三种接法。如图1-7所示。图图1-7 三极管的三种连接方法.（1）晶体三极管具有放大作用的条件 要使三极管能够放大，必须满足一定的外部条件，必须给发射结加一个正向电压，习惯上称为正向偏置；给集电结加一个反向电压，习惯上称为反向偏置。对NPN管如图1-8（a）所示，对PNP管如图1-8（b）所示。.图1-8晶体三极管放大的条件.（2）晶体三极管中的电流分配关系 三极管制作完成以后，基区的宽度与各区载流子的浓度就确定了，因此发射极电流 IE、基极电流IB与集电极电流IC的关系也被确定下来。发射极电流传输到集电极的电流分量与基极电流分量的比值，称为共发射极直流电流放大系数，用表示。IC/IB或写成ICIB（忽略一些次要因素）。当发射结两端的电压变化时IB就要变化，IC也要随之变化，因此IC的变化量与IB的变化量之比称为共发射极交流电流放大系数，用表示，即IC/IB。由于 和数值上相近，一般情况下不予严格区分，晶体管手册上都以给出。.在图1-8所示的各电流的参考方向下，IEICIB；ICIB 这就是三极管的电流分配关系。不论是那一种连接方法，不论是NPN管还是PNP管，电流分配关系都是相同的。图1-8晶体三极管放大的条件.3晶体三极管的伏安特性 晶体三极管的伏安特性有输入特性和输出特性两组。三极管的连接方法不同，特性也有所不同，以共发射极为例说明。（1）输入特性在UCE一定的条件下，输入端基极电流iB与uBE之间的关系称为输入特性。通过实验的方法可以得到输入特性曲线，如图1-9所示。.图1-9三极管的输入特性 .按照图1-9（a）连接电路，固定一个UCE的值，每改变一次基极电阻可以得到一组电流、电压数值，在ui平面上用描点连线的方法可以得到如图1-9（b）所示的输入特性曲线。UCE=0时，c、e短接，两个PN结都正偏，相当两个二极管并联输入特性曲线与二极管的正向特性曲线相似。当uBE大于门限电压UT以后，iB随着uBE的增加而增加。当UCE0时，输入特性曲线右移，而且非常接近。手册上给出的是UCE1V的特性曲线。.（2）输出特性曲线在一定的基极电流IB下，输出回路中集电极电流iC与uCE之间的关系曲线称为输出特性曲线。按照图1-10（a）连接电路，改变RB使IB为某一个固定的数值（例如20A）并保持不变。逐渐增加VCC，测出一系列iC和uCE的值，描点连线即可以得到一条输出特性曲线。改变RB重复上述过程，就可以得到如图1-10（b）所示的一族曲线，这就是输出特性曲线。.图1-10三极管的输出特性.曲线分成三个区域：当uCE较小时，曲线陡峭，这部分称为饱和区。在饱和区，iB增加时iC变化不大，不同iB下的几条曲线几乎重合，表明iB对iC失去控制，呈现“饱和”现象。一般情况下，把UCEUBE（C结零偏）的点连起来称为临界饱和线（图中的虚线），临界饱和线左边的区域就是饱和区。饱和区的特点是：发射结和集电结都正偏，三极管没有放大作用。.中间比较平坦部分称为放大区。在放大区，iC随着iB按倍成比例变化，晶体管具有电流放大作用。对输入信号进行放大就要使三极管工作在放大区。放大区的特点是：发射结正偏，集电结反偏，iCiB。IB0以下区域称为截止区。在截止区，UBEUT，IB0，ICICEO（这个电流从集电极直接穿过基极流向发射极的电流称为穿透电流，它不受IB的控制）。截止区的特点是：发射结、集电结都反偏，IB0，IC0三极管没有放大作用。.4三极管的主要参数 （1）共发射极电流放大系数 集电极电流的变化量与基极电流的变化量的比值，称为共发射极交流电流放大系数。一般为几十几百不等。可以用仪器测出，也可以由输出特性曲线上求出。（2）极间反向电流ICBO：指发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。一定温度下ICBO是一个常数，所以又称为反向饱和电流。ICEO：是指基极开路时，集电极与发射极之间的电流，又称为穿透电流。它与ICBO的关系为ICEO(1)ICBO。ICBO、ICEO是三极管噪声的根源，所以希望ICBO、ICEO越小越好。.（3）极限参数极限参数是指三极管正常工作时不能超过的值，否则有可能损坏管子。集电极最大允许电流ICM集电极电流IC达到一定的数值以后会下降，当下降到正常值的 时，所允许的集电极电流称为集电极最大允许电流。.集电极发射极反向击穿电压BUCEOBUCEO是指基极开路时，允许加在集电极与发射极之间的电压的最大值。集电极允许最大耗散功率PCM正常工作时，IC流过集电结要消耗功率，而使三极管发热，三极管达到一定温度后，性能变差或者损坏。使用时应该使集电极消耗的功率PCPCM.1.4场效应管FET 1.4.1结型场效应管1结型场效应管的结构 图1-11结型场效应管.如图1-11（a）所示，在N型半导体的两侧分别扩散一个P型区，形成两个PN结，从两个P区引出的电极称为栅极（G：控制电极）；从N型半导体两端引出的电极分别称为源极（S：电子的发源处）和漏极（D：电子的泄漏处）。中间的N型半导体是电子的通路，称为导电沟道。由于导电沟道中流动的是电子，所以称为N沟道结型场效应管。.图1-11（b）是N沟道结型场效应管的电路符号。场效应管与三极管一样，具有放大作用。场效应管的栅极相当于双极型三极管的基极、源极相当于发射极、漏极相当于集电极。所不同的是，场效应管是用栅源电压UGS控制漏极电流ID。如果在P型半导体上扩散两个N型区，形成两个PN结，构成P沟道结型场效应管，电路符号如图1-11（c）所示。N沟道结型场效应管与NPN三极管对应；P沟道结型场效应管与PNP三级管对应。.2结型场效应管的伏安特性 按照图1-12（a）连接电路，改变VDD给定UDS的值（例如4V）不变，改变栅源电压uGS可以得到一系列iD的值，以uGS为横坐标，以iD为纵坐标，得到的曲线称为转移特性曲线，表明输入端的电压对输出端的电流的控制作用。如图1-12（b）所示。图中UGS0时的ID称为饱和漏极电流，用IDSS表示。ID0时的电压称为夹断电压，用UP表示。.图1-12结型场效应管的转移特性.续图1-12结型场效应管的输出特性在栅源电压UGS一定的情况下，改变uDS可以得到一系列的iD的值，以uDS为横坐标，以iD为纵坐标，描点连线，得到输出特性曲线，如图1-12（c）所示。.曲线由四部分组成接近纵轴虚线以左部分：称为可变电阻区。当uDS较小时，随着uDS的增加iD也增加，相当于可变电阻。中间平坦部分：称为恒流区。uDS增加到一定程度后iD几乎不随uDS的变化而变化，而是随着UGS的变化而变化。要放大交流信号管子就工作在这个区域。曲线右边上翘部分：称为击穿区。uDS增加到一定程度以后，再增加uDS，会使PN结因电压过大而击穿，使电流急剧增加，称为击穿。UGSUP（图中UP4V）以下的部分为截止区。.3结型场效应管的主要参数（1）夹断电压UP当漏源电压为某一个固定的数值时，使漏极电流为零的栅源电压称为夹断电压。（2）漏极饱和电流IDSS当UGS0时的ID称为漏极饱和电流，（3）漏源击穿电压BUDS当UGS一定时，使漏极电流急剧增加的漏源电压称为漏源击穿电压。正常使用时漏源电压应该小于BUDS。.（4）低频小信号跨导gm当UDS一定时，漏极电流的变化量与栅源电压的变化量之比称为跨导，用gm表示。gm u DS=常数gm的大小表示栅源电压对漏极电流的控制能力，是放大作用的一个重要参数。.1.4.2绝缘栅型场效应管 1绝缘栅场效应管的结构 N沟道绝缘栅场效应管的结构示意图如图1-13（a）所示。图1-13绝缘栅场效应管.在一片P型半导体基片（称为衬底）上用特殊工艺制作两个N型区，在其上面生成一层二氧化硅绝缘层，再在其上喷涂一层金属铝，从金属层和两个N型区引出三个电极分别称为栅极、源极和漏极。在结构上：从上到下为金属、氧化物、半导体，所以这种场效应管称为金属氧化物半导体场效应管，简称MOS管。对于N沟道的MOS管称为NMOS管，图1-13（b）为电路符号。如果在N型半导体基片，制作两个P型区，可以得到P沟道的MOS，简称PMOS，电路符号如图1-13（c）所示。MOS管使用时从衬底也引出一个电极，与源极相连。.2MOS管的伏安特性 以NMOS为例，按照图1-14（a）连接电路。改变VDD使UDS为某一固定值，改变uGS得出一系列的iD的值，用描点连线的方法得到iD随uGS变化的曲线，这条曲线称为转移特性曲线，如图1-14（b）所示。图1-14NMOS转移特性 .图1-14（b）与晶体三极管的输入特性曲线非常相似，所不同的是用栅源电压控制漏极电流。而且只有UGS达到一定值以后才有漏极电流，这个电压称为开启电压，用UT表示。.固定某一个UGS，改变uDS得出一系列的iD的值，iD随uDS变化的曲线称为输出特性曲线，如图1-14（c）所示。续图1-14NMOS输出特性图1-14（c）输出特性曲线与结型场效应管的输出特性曲线相似。.3MOS管的主要参数（1）跨导gm：与结型场效应管的相同。（2）开启电压UT：指管子截止与导通的分界点，是管子导通的最小电压值。（3）最大漏极电流IDM是指管子正常工作时所允许的漏极最大电流，使用时不要超过这个数值。（4）漏极最大耗散功率PDM是指正常工作时漏极耗散功率的最大值。使用时不要超过这个数值。.4使用场效应管注意事项（1）电压的极性不能接错，工作电压和电流不能超过最大允许值。（2）由于MOS管输入电阻太高，所以保存时应将三个电极短路，以防击穿栅极。（3）测试仪表、焊接的电烙铁都要可靠的接地。最好将电烙铁的电源切断以后，快速焊接，而且焊接时先焊接源极、漏极，最后焊接栅极。.