《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》(第四版)第1章.ppt

教材:模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)主講:柯能偉,緒論,一、課程的地位和主要內(nèi)容,電子技術(shù)研究電子器件、電子電路及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。器件為路用,緒論,模擬信號(hào)：在時(shí)間和數(shù)值上連續(xù)的信號(hào)。,計(jì)算機(jī)檢測控制系統(tǒng)原理框圖,緒論,二、電子技術(shù)的典型應(yīng)用,三、如何學(xué)好模電,緒論,課程特點(diǎn)：內(nèi)容多、內(nèi)容雜、工程實(shí)踐性強(qiáng),1、抓“重點(diǎn)”,2、注重綜合分析注重工程化素質(zhì)培養(yǎng),3、提高學(xué)習(xí)效率、培養(yǎng)自學(xué)能力,課堂、答疑、作業(yè)、自學(xué),放大器、反饋、振蕩器,四、模電成績?nèi)绾嗡?作業(yè)：期末考試：參考課堂和答疑表現(xiàn)作業(yè)：每周交1次，全交，有參考解答,內(nèi)容提要,半導(dǎo)體器件是組成各種電子電路包括模擬電路和數(shù)字電路，集成電路和分立元件電路的基礎(chǔ)。本章首先介紹半導(dǎo)體的特性，半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)，闡明PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，然后介紹半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管、半導(dǎo)體三極管及場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。,第一章常用半導(dǎo)體器件,1.2半導(dǎo)體二極管,1.3穩(wěn)壓管,1.4半導(dǎo)體三極管,1.5場效應(yīng)管,1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),1.1.1半導(dǎo)體的特性,一、定義導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體稱半導(dǎo)體。,如：硅（Si）、鍺（Ge）等價(jià)電子：圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的最外層軌道的電子導(dǎo)體:低價(jià)元素絕緣體:高價(jià)元素硅（Si）、鍺（Ge）：個(gè)價(jià)電子,1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),價(jià)電子,慣性核,二、半導(dǎo)體特性溫度導(dǎo)電能力可做成各種熱敏元件受光照導(dǎo)電能力可做成各種光電器件3.摻入微量雜質(zhì)導(dǎo)電能力（幾十萬幾百萬倍）可做成品種繁多、用途廣泛的半導(dǎo)體器件。如半導(dǎo)體二極管、三極管、場效應(yīng)管等。,純凈的、沒有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體。它是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。,1.1.2本征半導(dǎo)體,相鄰原子的價(jià)電子成為共用電子，即共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由電子,空穴,在常溫下自由電子和空穴的形成,成對(duì)出現(xiàn),成對(duì)消失,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外電場方向,在外電場作用下，電子和空穴均能參與導(dǎo)電(載流子)。這是半導(dǎo)體導(dǎo)電與導(dǎo)體導(dǎo)電最本質(zhì)的區(qū)別。,價(jià)電子填補(bǔ)空穴,本征激發(fā)價(jià)電子受熱及光照后，掙脫共價(jià)鍵束縛成為自由電子。,激勵(lì)(溫度和光照)一定時(shí)，電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合會(huì)達(dá)到“動(dòng)態(tài)平衡”。,注意,本征半導(dǎo)體中載流子的濃度除與半導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與溫度密切相關(guān)。半導(dǎo)體材料性能對(duì)溫度的這種敏感性，既可用來制造熱敏和光敏器件，又是造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體,一、N型半導(dǎo)體,自由電子,通過擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入微量特定元素，便可形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。,在純凈的硅或鍺晶體中摻入微量五價(jià)元素（如磷）所形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱N型半導(dǎo)體。,N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖,在N型半導(dǎo)體中，自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,二、P型半導(dǎo)體,在純凈的硅或鍺的晶體中摻入微量的三價(jià)元素（如硼）所形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱P型半導(dǎo)體。,+4,P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖,在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。,對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，多子濃度約等于所摻雜質(zhì)濃度，多子濃度受溫度影響??；少子（本征激發(fā)）濃度受溫度影響大；,注意,注意,不論是N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但整個(gè)晶體仍然是不帶電的，呈電中性。通過摻入雜質(zhì)來提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力不是最終目的，因?yàn)閷?dǎo)體的導(dǎo)電能力更強(qiáng)。雜質(zhì)半導(dǎo)體的奇妙之處在于，摻入不同性質(zhì)、不同濃度的雜質(zhì)，并使P型和N型半導(dǎo)體采用不同的方式結(jié)合，可以制造出形形色色、品種繁多、用途各異的半導(dǎo)體器件。,載流子的兩種運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散載流子在濃度差作用下的運(yùn)動(dòng)載流子總是從高濃度向低濃度擴(kuò)散飄移載流子在電場作用下的運(yùn)動(dòng)電子逆電場方向運(yùn)動(dòng)空穴順電場方向運(yùn)動(dòng),P區(qū),N區(qū),1.2.1PN結(jié)的形成,采用不同的摻雜工藝，在同一塊半導(dǎo)體單晶上形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，在它們的交界面處就形成了一個(gè)PN結(jié)。,空間電荷區(qū),內(nèi)電場方向,1.2PN結(jié),多子擴(kuò)散形成空間電荷區(qū)有利少子向?qū)Ψ狡?、阻擋多子向?qū)Ψ綌U(kuò)散，少子向?qū)Ψ降钠瓶臻g電荷區(qū)變窄有利于多子向?qū)Ψ綌U(kuò)散；當(dāng)多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度一定，形成PN結(jié)。,內(nèi)電場方向,R,1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?P區(qū),N區(qū),外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷,N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流，此時(shí)PN結(jié)導(dǎo)通,一、外加正向電壓（正向偏置）,外電場加強(qiáng)擴(kuò)散,P區(qū),N區(qū),內(nèi)電場方向,R,二、外加反向電壓（反向偏置）,外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的多子(空穴和自由電子)移走,空間電荷區(qū)加寬,少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流，此時(shí)PN結(jié)截止,多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行,外電場削弱擴(kuò)散,結(jié)論,綜上所述，當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，回路將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，回路中的反向電流非常小，幾乎等于零，且由于該電流是由少數(shù)載流子產(chǎn)生的，所以溫度對(duì)其影響很大（溫度愈高，反向電流愈大），此時(shí)PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。可見，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)的伏安特性,正偏：P“+”N“-”正向低阻導(dǎo)通,反偏：P“-”N“+”反向高阻截止i=-Is,反向擊穿,PN結(jié)特性之二：“擊穿特性”（反向擊穿i很大）,-,P->N,P->N,正偏和反偏,UT=26mV,半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),半導(dǎo)體中的載流子,自由電子空穴,載流子的產(chǎn)生,本征激發(fā)摻雜P型、N型,載流子的運(yùn)動(dòng),漂移擴(kuò)散,PN結(jié)的特性,正向?qū)ㄐ苑聪蚪刂固匦苑聪驌舸┨匦?多子擴(kuò)散引起,少子飄移引起,1.3.1二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào),1.3半導(dǎo)體二極管,一、符號(hào),D,Diode,P區(qū),N區(qū),硅管的伏安特性,1.3.2二極管的伏安特性,反向特性,死區(qū),IS,正向特性,UBR,Uon,iD=f（uD）,+uD,D,U,非線性特性,反向擊穿電壓（穩(wěn)壓管）,i-u?,q-u?,L?,反向擊穿,正向和反向,開啟電壓：Uon,Si管：0.5V左右Ge管：0.1V左右,正向?qū)妷篣,Si管：0.6V0.8V（.）Ge管：0.2V0.3V（.）,二極管方程,UT：溫度的電壓當(dāng)量。常溫下，即T=300K（270C）時(shí)，UT=26mV。Is：反向飽和電流。,在反向段：當(dāng)|uD|>>UT時(shí)，iDIS,一般:特性曲線上區(qū)分Uon和U計(jì)算時(shí)不區(qū)分Uon和U,二極管的伏安特性受溫度的影響。如當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，二極管的正向特性曲線左移，反向特性曲線下移。,注意,1.3.4二極管的等效電路,能夠模擬二極管特性的電路稱二極管等效電路，也稱二極管的等效模型。,I?U?,I,U,iD,一、二極管的直流模型,1.理想二極管(導(dǎo)通時(shí)正向壓降為零,截止時(shí)反向電流為零)的等效模型,大信號(hào)作用下的模型,2.二極管導(dǎo)通時(shí)正向壓降為一常量U（正向?qū)妷?7V或.V），截止時(shí)反向電流為零的二極管的等效模型,Question1UDUON,3.二極管導(dǎo)通且正向壓降uD大于U后，其電流iD與uD成線性關(guān)系（直線斜率為1/rD），截止時(shí)反向電流為零的等效模型,以上三個(gè)等效電路中1的誤差最大，3的誤差最小，一般情況下多采用2所示的等效電路。,直流電阻,二極管主要用于限幅，整流，鉗位判斷二極管是否正向?qū)ǎ合燃僭O(shè)二極管截止，求其陽極和陰極電位；若陽極陰極電位差UD，則其正向?qū)?；若電路有多個(gè)二極管，陽極和陰極電位差最大的二極管優(yōu)先導(dǎo)通；其導(dǎo)通后，其陽極陰極電位差被鉗制在正向?qū)妷海?7V或.V）；再判斷其它二極管,用直流模型2,用直流模型2,圖1.2.6例1.2.1電路圖,【例1】下圖中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB為鍺管，求輸出端Y的電位，并說明每個(gè)二極管的作用。,解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，則,VY=30.3=2.7V,DA導(dǎo)通后，DB因反偏而截止，起隔離作用，DA起鉗位作用，將Y端的電位鉗制在+2.7V。,【例2】下圖是二極管限幅電路，D為理想二極管，E=3V，ui=6sintV，試畫出uo及uD的波形。,2,ui3時(shí)，D截止，uo=ui，uD=ui3,ui>3時(shí)，D導(dǎo)通，uo=3，uD=0,解：,二、二極管的小信號(hào)交流模型（微變等效電路）,二極管外加直流正向電壓時(shí)，將有一電流，則反映在其伏安特性曲線上的點(diǎn)為Q（Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)）。,iD,I,U,Q,若在Q點(diǎn)基礎(chǔ)上外加微小的變化量，則可用以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的直線來近似微小變化時(shí)的曲線，即可將二極管等效成一個(gè)線性器件，用動(dòng)態(tài)電阻rd來表示，且rd=uD/iD。,question2,小信號(hào)作用下的模型,即,動(dòng)態(tài)電阻與Q點(diǎn)有關(guān),圖1.2.8直流電壓和交流信號(hào)同時(shí)作用,直流通路,交流通路,question3,作業(yè):1.4(1.3),1.3(1.2),