模拟电子技术基础第一章课件.ppt
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- 模拟 电子技术 基础 第一章 课件
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1、第第1章章 半导体器件半导体器件 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 半导体三极管半导体三极管 1.4 场效应三极管场效应三极管 学习要点:学习要点:PN结及其单向导电性 半导体二极管电路分析 半导体三极管及其特性曲线 场效应管的原理及特性 1.1.1 半导体基础知识1.1.2 本征半导体和杂质半导体 1.1.3 PN结及其特性半导体特性半导体特性 导电能力介乎导体和绝缘体之间的物质,如硅,锗,硫化镉等就称为半导体。在半导体器件中,用得最多的材料是硅(Si)和锗(Ge),它们都是四价元素。半导体所特有的性质:(1)热敏性;(2)光敏性;(3)掺杂性。
2、本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体 1本征半导体 将锗、硅等半导体材料提纯后形成的完全纯净、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。本征半导体在温度为零开尔文(0 K,相当于-273.15)时,每一个原子的外围电子被共价键所束缚,不能自由移动,此时半导体是不导电的。当外界条件改变时,由于半导体共价键中的价电子不像绝缘体中那样被束缚得很紧,价电子从外界获得一定的能量,少数价电子受到激发会摆脱共价键的束缚,成为自由电子;同时在共价键相应的位置上留下一个空位,这个空位称为空穴。自由电子和空穴总是成对出现的,所以称它们为电子空穴对。由于热或光照的作用,本征半导体中产生电子空穴对的现象称为本征激发
3、,又称为热激发。2杂质半导体(1)N型半导体 在本征半导体硅(或锗)中掺入五价的杂质元素,如磷,可以得到N型半导体。N型半导体中自由电子成为半导体主要导电方式,故此类半导体也称为电子型半导体。(2)P型半导体 在纯净的半导体硅(或锗)中掺入的三价杂质元素,如硼,可以得到P型半导体。半导体中空穴成为主要的导电方式,故此类半导体也称为空穴型半导体。在N型半导体中,由于掺杂自由电子浓度远大于空穴浓度,自由电子成为多数载流子,简称多子;空穴则成为少数载流子,简称少子。而在P型半导体中,由于掺杂空穴浓度远大于自由电子浓度,空穴成为多数载流子,自由电子成为少数载流子。1.1.3 PN结及其特性 在一块N型
4、(P型)半导体的局部再掺入浓度较大的三价(五价)杂质,使其变为P型(N型)半导体,这样就在P型半导体和N型半导体的交界形成PN结,此时将在N型半导体和P型半导体的交接面将形成如下物理过程:1.PN结的形成因浓度差 多子的扩散运动 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散由杂质离子形成空间电荷区 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡,此时空间电荷区的宽度基本上稳定下来,PN结就处于相对稳定的状态。2.PN结的单项导电性 在PN结两端外加电压,如果外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,也称PN结正向偏置(简称正偏);外加电压使PN结中N区的电位高于P区
5、的电位,称为加反向电压,也称PN结反向偏置(简称反偏)。(1)PN结正向偏置 在PN结两端加正向电压,外加电源产生的外电场的方向与PN结所产生的内电场方向相反,在外电场作用下,使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负离子,同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正离子。结果:空间电荷区变窄,内电场被削弱,多数载流子的扩散运动增强,形成较大的扩散电流,即由P区流向N区的正向电流。PN结呈现低阻态,即PN结处于正向导通状态。(2)PN结反向偏置 在PN结上加反向电压,此时外电场与内电场的方向一致,扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。结果:空间电荷区变宽,内电场增强,抑制多数载流子的扩散运动,同时加强了
6、少数载流子的漂移运动,形成由N区流向P区的反向电流。由于少数载流子数量很少,因此反向电流不大,PN结的反向电阻很高,即PN结处于截止状态。正向偏置时,PN结处于正向导通状态,其正向电阻较小,正向电流较大。反向偏置时,PN结处于反向截止状态,其反向电阻较大,反向电流很小。这就是PN结具有的单向导电特性,它是PN结构成半导体器件的基础。1.2.1 二极管结构及其特性1.2.2 二极管的主要参数1.2.3 二极管电路及其应用1.2.4 特殊二极管1.2.5 二极管的检测及判断1.2.1 二极管结构及其特性1.二极管基本结构、符号及外形 在PN结的P型和N型半导体加上相应的电极引线,并用管壳封装,就成
7、为半导体二极管,部分二极管的外形如图(a)所示。二极管基本结构和电路符号如图(b)(c)所示。(a)实物图(b)基本结构 (c)电路符号2.二极管特性 二极管实际上就是一个PN结,它的特性就是PN结的特性,即具有单向导电性。常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。虚线为锗管的伏安特性,实线为硅管的伏安特性。1.2.2 二极管的主要参数 除了用伏安特性曲线表示二极管的特性外,还有一些常用参数。1.最大整流电流IFM 最大整流电流IFM指二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压URM 保证二极管不被击穿所能承受最高反向电压峰值。3.反向峰值电流IRM 反向
8、峰值电流指在室温下二极管加最高反向电压时的反向电流。4.最高工作频率fM 它是指二极管正常工作时的上限频率。1.2.3 二极管电路及其应用 二极管的应用范围很广,如整流电路、检波电路、限幅电路、元件保护电路以及在数字电路中用作开关元件等,主要都是利用二极管的单向导电性来实现。1.整流电路 利用二极管的单向导电性,可将交流电变成直流电,起到整流作用。Us为正弦波。正半周时,二极管正向偏置,此时二极管导通,负半周时,二极管反向偏置,此时二极管截止。波形如图(b)所示。2.限幅电路 为正弦交流电压,其峰值为5V;直流电压U3V;R为限流电阻;为输出端电压。交流输入电压和直流电压同时作用于二极管上,当
9、 的幅值高于3V时,二极管导通;小于3V时,二极管截止。输入、输出端电压波形如图(b)所示。IuouIu3.开关电路 利用二极管的单向导电性,当二极管正向导通时其端电压很小,可近似的看作0,即相当于开关闭合;反偏时,流过的电流很小,可近似看作开路,即相当于开关断开。因此,二极管具有开关特性,在数字电路中得到广泛应用。1.2.4 特殊二极管 前面主要讨论了普通二极管,此外还有若干种特殊二极管,如稳压二极管、发光二极管,光电二极管和变容二极管等。1.稳压二极管 稳压二极管,又称齐纳二极管,它是一种特殊工艺制造的面接触型二极管,在电路中与适当数值的电阻配合后能起到稳压的作用。稳压管符号和伏安特性稳压
10、二极管的主要参数:(1)稳定工作电压UZ。(2)稳定电流IZ、最小稳定电流IZmin、最大稳定电流 IZmax。(3)动态电阻rZ-。它是指稳压管端进人稳压状态后,两端电压的变化量与 相应的电流变化量的比值,即(4)最大允许耗散功率PZM。(5)电压温度系数。zzzIUr/2.发光二极管 发光二极管与普通二极管一样,也是由PN结构成的,同样具有单向导电性,但正向导通时能发光,这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。发光二极管工作在正偏状态。3.光电二极管 光电二极管是一种很常用的光电子器件。其结构与PN结二极管类似,管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行
11、,它的反向电流随光照强度的增加而上升,反向电流与照度成正比。4.变容二极管 利用PN结的电容效应制成的半导体器件,即PN结电容会随反向电压的增加而减小,利用这种特性在电路中可把变容二极管当作可变电容使用。由于它无机械磨损且体积小,因而在高频技术中应用较多。1.2.5 二极管的检测及判断1二极管的型号 不同的二极管可以从它的形状和外观区别,某些二极管的材料和极性可以从它的型号和外观上直接进行辨别。如2AP9:“2”代表电极数为2,“A”表示N型锗材料,“P”表示普通管,“9”表示序号。生产厂家通常都会在二极管外壳上用特定标记来表示正负极。最明确的方法是在外壳上画有二极管符号,箭头指向一端为负极;
12、螺栓式二极管带螺纹的一端是负极,这是一种工作电流很大的二极管;有的二极管上画有色环,带色环的一端为负极。2二极管的检测 性能良好的二极管,其正向电阻小,反向电阻大。利用这一特性采用万用表测量二极管的正向电阻和反向电阻就可以判断其好坏与极性。测试过程中,要注意弄清所用万用表的两个表笔所对应电池的电压极性。若使用的是指针式万用表,则黑表笔接的是表内电池的正极(插入“-”孔中),红表笔接的是负极(插入“+”孔中)。测量时,把指针式万用表置于欧姆档的Rl0、R100或R1k,测量二极管的正、反向电阻。小电阻阻值为正向电阻。1.3.1 三极管的结构及分类1.3.2 三极管的放大作用1.3.3 三极管特性
13、曲线1.3.4 三极管的主要参数1.3.5 三极管的检测及判断三极管的结构及分类 三极管是由两个PN结、三个杂质半导体区域组成的,根据区域排列次序可分为NPN型和PNP型两大类。三极管三个区域,其作用不同,因而在制作时每个区的掺杂及面积均不相同。基区很薄,掺杂浓度低,一般仅有1微米至几十微米厚;发射区掺杂浓度高,因而多数载流子浓度也很高;集电结截面积要大于发射结截面积。三极管的这种内部结构特点,是三极管能够起电流放大作用的内部条件。三极管的放大作用1.三极管放大的外部条件 三极管要实现放大作用的外部条件是发射结正偏,集电结反偏。对于NPN型管,从电位的角度来看,三个电极间的电位关系为UCUBU
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