模电课件第一章01

模拟电子技术基础模拟电子技术基础信息科学与工程学院信息科学与工程学院基础电子教研室基础电子教研室第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 双极型晶体管双极型晶体管第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件 内容提要 本章介绍了半导体的基本知识，然后阐述了三种常用半导体器件：半导体二极管、晶体管和场效应管的工作原理和基本特性。本着“管为路用”的原则，在了解其基本原理的基础上，重点掌握他们的外特性重点掌握他们的外特性基基本应用本应用。1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1 半导体基础知识半导体基础知识导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属 一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。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。一、半导体一、半导体 导电特性处于导体（低价元素构成导电特性处于导体（低价元素构成）和绝和绝缘体（高价元素构成）之间，称为缘体（高价元素构成）之间，称为半导体半导体，如，如锗、硅等，均为四价元素。锗、硅等，均为四价元素。共价键共价键价电子共有化，形成共价键的晶格结构价电子共有化，形成共价键的晶格结构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。一、半导体一、半导体二、本征半导体的导电情况二、本征半导体的导电情况金属导电是由于其内部有自由电子存在金属导电是由于其内部有自由电子存在(载流子载流子),),在外电场的作用下在外电场的作用下,自由电子定向移动自由电子定向移动,形成电流形成电流.半导体中有两种载流子半导体中有两种载流子:自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴在外电场作用下，电子的定向移动形成电流在外电场作用下，电子的定向移动形成电流+-在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流+-1.1.本征半导体中载流子为电子和空穴本征半导体中载流子为电子和空穴;2.2.电子和空穴成对出现电子和空穴成对出现,浓度相等浓度相等;3.3.由于热激发可产生电子和空穴由于热激发可产生电子和空穴,因此半导因此半导体的导电性和温度有关体的导电性和温度有关,对温度很敏感。对温度很敏感。1.1.2 杂质半导体杂质半导体一、一、N型半导体型半导体 在纯净的硅晶体在纯净的硅晶体中掺入五价元素中掺入五价元素（如磷），使之取（如磷），使之取代晶格中硅原子的代晶格中硅原子的位置，就形成了位置，就形成了N N型半导体。型半导体。电子电子-多子多子;空穴空穴-少子少子.1.1.2 杂质半导体杂质半导体二、二、P型半导体型半导体 在纯净的硅晶体在纯净的硅晶体中掺入三价元素中掺入三价元素（如硼），使之取（如硼），使之取代晶格中硅原子的代晶格中硅原子的位置，就形成了位置，就形成了P P型半导体。型半导体。空穴空穴-多子多子;电子电子-少子少子.注意注意杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度；杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂原子的浓度；少子的浓度决定于温度。少子的浓度决定于温度。1.1.3 PN结结采用不同的掺杂工艺，将采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与型半导体与N型半导体制作型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。结。PN结结具有单向导电性具有单向导电性。一、一、PN结的形成结的形成P区区N区区一、一、PN结的形成结的形成在在交界面，由于两种载流子的浓度差，出交界面，由于两种载流子的浓度差，出现扩散运动。现扩散运动。一、一、PN结的形成结的形成在在交界面，由于扩散运动交界面，由于扩散运动,经过复合经过复合,出现空出现空间电荷区间电荷区 空间电荷区空间电荷区耗尽层耗尽层一、一、PN结的形成结的形成当扩散电流等于漂移电流时，达到动态当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成平衡，形成PNPN结。结。PN结结1.1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;2.2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;3.3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态当扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡，形成平衡，形成PNPN结。结。二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性1.1.PN结外加正向电压时处于导通状态结外加正向电压时处于导通状态加正向电压是指加正向电压是指P端加正电压，端加正电压，N端加负电压，端加负电压，也称正向接法或正向偏置。也称正向接法或正向偏置。1.内电场内电场外电场外电场外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄，形成较大的扩散电流。窄，形成较大的扩散电流。2.PN结外加反向电压时处于截止状态结外加反向电压时处于截止状态外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变宽，形成很小的漂移电流。宽，形成很小的漂移电流。三、三、PN结的伏安特性结的伏安特性 正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿反向击穿PN结的电流方程为结的电流方程为其中，其中，IS 为为反向饱和电流反向饱和电流，UT26mV，1.2 半导体二极管半导体二极管1.2 半导体二极管半导体二极管 将将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。由半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（区引出的电极为阳极（A），由由N区区引出的电极为阴极（引出的电极为阴极（K）。）。二极管的符号：二极管的符号：PN阳极阴极 一、伏安特性一、伏安特性UI导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，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。在室温附近反向特性曲线下移。在室温附近,温度每升高温度每升高1C,正向正向压降减小压降减小22.5mV;温度每升高温度每升高10C，反向电流约增大反向电流约增大1倍。二极管的特性对温度很敏感。倍。二极管的特性对温度很敏感。二、二、二极管的主要参数二极管的主要参数1.最大整流电流最大整流电流IF2.最高反向工作电压最高反向工作电压UR二极管长期运行时允许通过的最大平均电流。二极管工作时允许加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。半导体的参数是对其特性和极限应用的定量描述，半导体的参数是对其特性和极限应用的定量描述，是设计电路时选择器件的主要依据。是设计电路时选择器件的主要依据。由于二极管的特性是非线性的，为了分析问题的简单、由于二极管的特性是非线性的，为了分析问题的简单、方便，可在方便，可在特定情况下特定情况下对其进行线性化处理，即用线对其进行线性化处理，即用线性化的等效模型来代替二极管。性化的等效模型来代替二极管。三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路当二极管两端电压远小于与当二极管两端电压远小于与之串联的元器件电压，流过之串联的元器件电压，流过二极管的电流远小于与之并二极管的电流远小于与之并联分支电流时，可将二极管联分支电流时，可将二极管理想化。理想化。认为：二极管正向导通，导认为：二极管正向导通，导通电压为通电压为0，反向截止，截止，反向截止，截止电流为电流为0。三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路当二极管两端电压超过导通电压时，认为二极管导通，二极管导通，导通电压为导通电压为Uon,当二极管两端电压小与导通电压或者为负电压时，认为二极管截止二极管截止,截止电流为截止电流为0。QiDuD 三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路四、二极管的应用四、二极管的应用ttuo0ui0DuiuoRL【例例1】画出二极管电路的输出波形（设画出二极管电路的输出波形（设UD=0）。）。EWB仿真二极管整流二极管整流【例例2】画出二极管电路的输出波形（设画出二极管电路的输出波形（设UD=0.7V）。0.7V0.7V-3VEWB仿真二极管限幅二极管限幅【例例3】电路如图所示，二极管的导通电压电路如图所示，二极管的导通电压UD约为约为0.7V。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。当开关断开时，二极管因加正向电压而处于当开关断开时，二极管因加正向电压而处于()状态，故输出电压为状态，故输出电压为导通导通分分析析【例例3】电路如图所示，二极管的导通电压电路如图所示，二极管的导通电压UD约为约为0.7V。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。当开关闭合时，二极管外加反向电压，当开关闭合时，二极管外加反向电压，因而（因而（），故输出电压为），故输出电压为分分析析截止截止UO1()，UO2()，UO3()，UO4()，UO5()，UO6()【例例4】写出图写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压极管导通电压UD 0.7V。1.3V01.3V2V1.3V2V五、五、稳压二极管及应用稳压二极管及应用1.稳压管的工作原理稳压管的工作原理稳压管的符号稳压管的符号2.稳压管的主要参数稳压管的主要参数稳定电压稳定电压UZUZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。稳压电流稳压电流IZ额定功耗额定功耗PZM IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。PZM 等于稳定电压UZ与最大稳定电流IZM（或 IZmax）的乘积。3.稳压管的稳压条件稳压管的稳压条件稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。必须工作在反向击穿状态；必须工作在反向击穿状态；流过稳压管的电流在流过稳压管的电流在IZ和和IZM之间之间。注意！注意！4.稳压管的应用稳压管的应用【例例1】典型应用电路：典型应用电路：RL为负载电阻，为负载电阻，R限流电阻限流电阻当当UI变化时，由于稳压管的作用，输出变化时，由于稳压管的作用，输出UO不变。不变。【例例2】已知稳压管的已知稳压管的UZ=6V,最小电流最小电流IZmin=5mA,最大电流最大电流IZmax=25mA。（1）分别计算分别计算UI为为10V、15V、35V时输出时输出UO的值。的值。（2）若）若UI为为35V时时负载开路，则会出现什么现象？负载开路，则会出现什么现象？解题思路解题思路首先假设稳压管不工作（开路），求出其两端电压，首先假设稳压管不工作（开路），求出其两端电压，是否满足稳压条件是否满足稳压条件；然后假设稳压管工作（文雅），；然后假设稳压管工作（文雅），看其是否满足稳压条件看其是否满足稳压条件。解：解：假设稳压管不工作假设稳压管不工作UoUI为为10V时时 UO=RL/(RL+R)=3.33V UO UZ UO=6V【例例2】已知稳压管的已知稳压管的UZ=6V,最小电流最小电流IZmin=5mA,最大电流最大电流IZmax=25mA。（1）分别计算分别计算UI为为10V、20V、35V时输出时输出UO的值。的值。（2）若）若UI为为35V时时负载开路，则会出现什么现象？负载开路，则会出现什么现象？假设稳压管工作假设稳压管工作IR=(UI-UZ)/R=18mAIL=UZ/RL=12mA IZmin IDZ UZ稳压管将因功耗过大而损坏稳压管将因功耗过大而损坏【例例2】已知稳压管的已知稳压管的UZ=6V,最小电流最小电流IZmin=5mA,最大电流最大电流IZmax=25mA。（1）分别计算分别计算UI为为10V、20V、35V时输出时输出UO的值。的值。（2）若）若UI为为35V时时负载开路，则会出现什么现象？负载开路，则会出现什么现象？假设稳压管工作假设稳压管工作IR=(UI-UZ)/R=29mA IDZ IZmaxIDZ=IR-IL=29mAUI为为35V时负载开路时负载开路【例例3】两只稳压管的稳压值分别为两只稳压管的稳压值分别为5V和和10V，正向正向导通电压为导通电压为0.7V,将他们串联或者并联，可能得到几种将他们串联或者并联，可能得到几种电压值？电压值？15V5.7V10.7V1.4V5V0.7V六、六、特殊二极管特殊二极管1.光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。2.发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成,当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。1.3 双极型晶体管双极型晶体管1.3 双极型晶体管双极型晶体管 一、晶体管的结构和类型一、晶体管的结构和类型NPN型型基区发射区集电区发射结集电结发射极基极集电极bec发射极箭头的方向发射极箭头的方向为电流的方向为电流的方向bPNP集电极集电极基极基极发射极发射极cePNP型型二、二、晶体管的电流放大作用晶体管的电流放大作用 放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核放大是对模拟信号最基本的处理。晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失心元件，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真的放大输出，放大的对象是变化量。真的放大输出，放大的对象是变化量。晶体管工作在放大状晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置。向偏置且集电结反向偏置。晶体管的放大作用表现为晶体管的放大作用表现为小的基极电流可以控制大小的基极电流可以控制大的集电极电流。的集电极电流。共射放大电路共射放大电路1.发射结加正向电压，扩散运发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流动形成发射极电流IE2.扩散到基区的自由电子与扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电空穴的复合运动形成基极电流流IB3.集电结加反向电压，漂集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流移运动形成集电极电流ICIBICIE晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系IBICIE共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系共射直流电流放大系数共射直流电流放大系数共射交流电流放大系数共射交流电流放大系数通常认为：通常认为：晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系IBICIEIBICIE三、晶体管的共射特性曲线三、晶体管的共射特性曲线UCEIC+-UBEIB+-实验线路实验线路mA AVVRBECEBRC1.输入特性输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：工作压降：硅管硅管UBE 0.60.7V,锗管锗管UBE 0.20.3V。死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗锗管管0.2V。2.2.输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足IC=IB称为线性称为线性区（放大区（放大区）。区）。IC只与只与IB有关，有关，IC=IB。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCE UBE,集电结集电结正偏，正偏，IBIC，UCE 0.3V称为饱称为饱和区。和区。2.2.输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE 0.3V(3)截止区：截止区：UBE 死区电压，死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 iCiBRBRCVCCvOvi+-三极管工作状态三极管工作状态判断方法：判断方法：当当vBE0.7V时，时，截止截止0.7V时，时，放大或饱和放大或饱和iCiBRBRCVCCvOvi+-三极管工作状态三极管工作状态判断方法：判断方法：当当vBC0时，时，放大放大0时，时，饱和饱和0.7V4V00.7V0.3V0 0 4V0【例例1】判断以下三极管的工作状态。判断以下三极管的工作状态。放大放大饱和饱和截止截止四、例题分析四、例题分析【例例2】现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流现已测得某电路中几只晶体管三个极的直流电位如下，各晶体管开启电压均为电位如下，各晶体管开启电压均为0.5V。试判断各管试判断各管的工作状态。的工作状态。放大放大放大放大饱和饱和截止截止【例例3】测测得得放放大大电电路路中中六六只只晶晶体体管管的的直直流流电电位位如如图图所所示示。在在圆圆圈圈中中画画出出管管子子，并并分分别别说说明明它它们们是是硅硅管还是锗管。管还是锗管。解题思路解题思路(1)三极管处于放大状态(2)确定三个电极(3)确定三极管为硅管还是锗管(4)确定为何种类型【例例3】测测得得放放大大电电路路中中六六只只晶晶体体管管的的直直流流电电位位如如图图所所示示。在在圆圆圈圈中中画画出出管管子子，并并分分别别说说明明它它们们是是硅硅管还是锗管。管还是锗管。ccccccPNPPNPPNPNPNNPNNPNbbbbbbeeeeee下集预告下集预告第二章第二章 基本放大电路基本放大电路小结 基本要求：基本要求：1.掌握二极管的特性曲线及其等效电路；掌握二极管的特性曲线及其等效电路；2.掌握稳压管的稳压条件。掌握稳压管的稳压条件。3.掌握三极管的结构；掌握三极管的结构；4.掌握三极管的输入输出特性，会进行掌握三极管的输入输出特性，会进行状态判断。状态判断。作业：作业：P66 1.3、1.4、1.7题题 1.14 1.16（只判断工作状态只判断工作状态）