《电子技术教案1（半导体）.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子技术教案1（半导体）.ppt（44页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、电电 子子 技技 术术 基基 础础 模拟电子部分模拟电子部分主讲主讲:林启国林启国2007年年12月月第一讲半导体器件第一讲半导体器件模拟电子技术主要是讨论常用的半导体器件和常用的模拟电子技术主要是讨论常用的半导体器件和常用的功能电路功能电路.常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应管、晶闸管。本讲重点介绍常用半导体器件的结构、伏安特性和主要参数。半导体器件是构成电子电路的最基本单元，掌握半导体器件的特征是分析电子电路的基础。常用的功能电路有共射放大器、负反馈放大器、运算放大器、功率放大器、波形发生器、直流电源。本讲重点介绍常用功能电路的组成、工作原理、分析方法。常用功能电路是组成复杂电子电路
2、的基本单元，掌握常用功能电路的分析方法是分析复杂电子电路的基础。导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体：纯净的半导体。掺杂半导体：掺入杂质的半导体。本征半导体：纯净的半导体。掺杂半导体：掺入杂质的半导体。1本征半导体的三个特性本征半导体的三个特性(1)、热敏特性（）、光敏特性、热敏特性（）、光敏特性在加热或光照加强时，半导在加热或光照加强时，半导体的电阻值显著下降，导电能力体的电阻值显著下降，导电能力增强并类似于导体。半导体具有热敏特性和光敏特性是由半导体的内增强并类似于导体。半导体具有热敏特性和光敏特性是由半导体的内部结构所决定
3、的。如图部结构所决定的。如图1所示。所示。本征激发：本征半导体在受到光照或加热的条件下，少数电子挣脱了本征激发：本征半导体在受到光照或加热的条件下，少数电子挣脱了共价键的束缚而成为自由电子，与此同时在共价键上形成了数量相等共价键的束缚而成为自由电子，与此同时在共价键上形成了数量相等的空穴，即空穴电子对。可见，在半导体导电中，有电子和空穴两的空穴，即空穴电子对。可见，在半导体导电中，有电子和空穴两种载流子。种载流子。一一.半导体半导体（）、杂杂 敏敏 性性：在在 本本 征征 半半 导导 体体 中中 掺掺 入入 杂杂 质质（其其 他他 物物 质质 的的 原原 子），其电阻值发生显著变化。子），其电
4、阻值发生显著变化。、掺杂半导体、掺杂半导体（）、P P 型型半半导导体体：如果在半导体里掺入少量外层电子只有三个的硼元素，与外层电子数是四个的半导体硅或锗原子组成共价键时，就自然形成一个空穴，这就使半导体中的空穴载流子增多，叫空穴型半导体，简称P型半导体。（）、N N型型半半导导体体：如果在半导体中掺入少量外层电子为五个的磷元素，在和半导体硅或锗原子组成共价键时，就多出一个电子。这种电子为多数载流子的半导体叫电子型半导体，简称N型半导体。掺杂半导体对外是显电中性的。（1）.PN结的成因：在一块纯净的半导体硅晶片上，采用特殊的掺杂工艺，在两侧分别掺入三价元素硼和五价元素磷，则一侧形成P型半导体，
5、另一侧形成N型半导体，如图2所示。因载流子的扩散运动，故在P型半导体和N型半导体结合面的两侧分别留下了不能移动的负正离子，呈现出一个空间电荷区，形成了内电场，该电场阻碍了载流子的继续扩散这个空间电荷区就称为PN结。内电场：硅材料为.伏，锗材料为.伏.3、PN结结 PNPN结的偏置：结的偏置：PNPN结外加电压结外加电压PNPN结结正正偏偏（P PN N）导导通通，反反偏偏（P PN N）截截止止，具有单向导电性。具有单向导电性。(2).PN(2).PN结的单向导电性结的单向导电性1结构和分类结构和分类二极管内部就是一个PN结，PN结具有单向导电性，所以二极管也具有单向导电性。按PN结的接触面大
6、小，二极管可分为点接触型和面接触型。按制造所用的半导体材料，二极管可分为硅管和锗管。按不同的用途，可分为检波管整流管开关管稳压管变容管光电管等。二极管的型号命名：见教材附录如AP6为N型锗材料普通检波二极管二半导体二极管二半导体二极管1.伏安特性正向特性：导通死区：硅管导通（管）压降（死区电压0、5伏）约 为 0.7伏,锗 管 导 通 压 降 约 为 0.3伏 非 线 性 区：近似线性区：反向特性：截止反向击穿：a齐纳击穿:外电场拉出价电子b雪崩击穿：价电子之间的相互撞击ac击穿是可逆的c热击穿：大量的电子不能回到平衡位置C击穿是不可逆的2.主要参数：（1）最大整流电流IF超过IF二极管的PN
7、结将过热而烧断（2）最高反向工作电压URM二极管一旦过压击穿损坏，失去了单向导电性。（3）最大反向电流IR这个电流愈小二极管的单向导电性愈好。温升时，IRM增大。2二极管的二极管的伏安特性和主要参数伏安特性和主要参数结论：1、二极管具有单向导电性。2、二极管是非线性元件。3、二极管是温度敏感元件。4、二极管存在死区、非线性区、近似线性区、电击穿和热击穿。5、二极管存在结电容，分别称为势垒电容和扩散电容，它们都是非线性的。6、二极管具有光敏性。利用二极管的特性，可实现整流、限幅、钳位、检波、稳压、加速、保护、续流、阻尼、变容、开关、补偿、光控等。1.整流电路整流电路是利用二极管的单向导电作用，将
8、交流电变成直流电的电路。3二极管的应用二极管的应用全波整流限幅电路是限制输出信号幅度的电路。2.2.限幅电路限幅电路钳位电路是使输出电位钳制在某一数值上保持不变的电路。设二极管为理想元件，当输入UAUB3V时，二极管V1，V2正偏导通，输出被钳制在UA和UB上，即UF3V；当UA0V，UB3V，则V1导通，输出被钳制在UFUA0V，V2反偏截止。3.钳位电路钳位电路检波电路是把信号从已调波中检出来的电路。4.4.检波电路检波电路1.发光二极管发光二极管正偏导通时发光。2.光电二极管光电二极管光照增强时，外加反偏压作用下，反向电流增加。3.光电耦合器如果把发光二极管和光电二极管组合构成二极管型光
9、电耦合器件4.稳压二极管具有稳定电压的作用，工作在反向击穿区。稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ（2）稳定电流IZ（3）动态电阻rZ特殊二极管特殊二极管三极管在模拟电子电路中其主要作用是构成放大电路。1三极管的结构和分类三极管的结构和分类结构：三个区、二个结、三个电极。分类：三极管如按结构可分为NPN型和PNP型；按所用的半导体材料可分为硅管和锗管；按功率可分为大、中、小功率管；按频率特性可分为低频管和高频管等。三三三极管三极管三极管放大条件：发射结正偏，集电结反偏。1.发射区发射电子形成IE2.基区复合电子形成IB3.集电区收集电子形成ICIEIBIC ICIB IEIBICIBIB(1)
10、IB 三极管的电流放大作用的实质是以很小的IB控制较大的IC。2电流分配和放大作用电流分配和放大作用1.伏安特性（1）输入特性在放大区，硅管的发射结压降UBE一般取0.7V，锗管的发射结压降UBE一般取0.3V。3伏安特性和主要参数伏安特性和主要参数（2）输出特性放大区条件：发射结正偏，集电结反偏。特点：ICIB ，IC仅由IB决定。截止区条件：两个PN结均反偏。特点是IB0、ICICEO0，无放大作用。饱和区条件：两个PN结均正偏。特点：UCE1V，有IB和IC，但ICIB。IC已不受IB控制，无放大作用。在收音机的放大电路中，如果测得如图6.17中所示各管脚的电压值，问各三极管分别工作在哪
11、个区？解解：图7（a）UBUE，UBUC，两个PN结均正偏，三极管工作在饱和区。图（b）UBUE，UBUC，发射结正偏，集电结反偏，三极管工作在放大区。图（c）UBUE，UBUC，两个PN结均反偏，三极管工作在截止区。【例例1】（1）电流放大系数和共发射极直流电流放大系数共发射极交流电流放大系数ICIB（2）穿透电流ICEO（3）集电极最大允许电流ICM（4）集电极最大允许耗散功率PCM PCUCEIC(5)反向击穿电压U(BR)CEO2.主要参数三极管称为电流控制元件；场效应管称为电压控制元件。场效应管具有输入电阻高（最高可达1015）、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点。四、场
12、效应管四、场效应管1、结型场效应管（1）、结构图41结型场效应管的结构示意图及其符号(a)N沟道JFET；(b)P沟道JFET（2）工作原理UGS使PN结反偏，当其增大时，耗尽区变宽，导电沟道变窄，电阻变大，ID变小。当其继续增大时，导电沟道为0，ID为0，此时称为夹断;当UGS减小时，导电沟道变宽,电阻变小,ID变大.使ID0时的UGS反偏电压，称为该管的夹断电压，用UGS（off）表示。管子的输入电阻就是反偏的PN结的结电阻，它可达107数量级。（3）结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线图32JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线一、转移特性曲线
13、一、转移特性曲线转移特性曲线的意义是：在UDS一定时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，即理论分析和实测结果表明，iD与uGS符合平方律关系，即二、输出特性曲线二、输出特性曲线输出特性曲线的意义是：以UGS为参变量时iD与uDS的关系。根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：1.恒流区恒流区恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：(1)当UGSoffUGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系，uGS对iD的控制能力很强。2.可变电阻区可变电阻区当uDS很小，|uDS-uGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开
14、关，则工作在截止区，即相当于开关关闭。4.击穿区击穿区随着uDS增大，靠近漏极的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大，iD迅速增大，|UGS|失去对iD的控制作用。2、绝缘栅场效应管的结构和符号绝缘栅场效应管的结构和符号绝缘绝缘栅栅场效应管的伏安特性和主要参数场效应管的伏安特性和主要参数使场效应管刚开始形成导电沟道的临界电压UGS（th），称为开启电压。转移特性转移特性N沟道增强型MOSFET的转移特性如图6.22(b)所示。其主要特点为：当uGSUGSth时，iD0，uGS越大，iD也随之增大，二者符合平方律关系:当uGSUGSth时，iD=0。式中：UGSth开启电压(或阈值
15、电压)；n沟道电子运动的迁移率；Cox单位面积栅极电容；W沟道宽度；L沟道长度；W/LMOS管的宽长比。输出特性曲线N沟道增强型MOSFET的输出特性分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：(1)截止区：UGSUGSth，导电沟道未形成，iD=0。(2)恒流区（放大区）：曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。进入恒流区的条件，即预夹断条件为:因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGD0，就有漏极电流。如果uGS0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。反之，若uGS0，则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反，总电场减弱
16、，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当uGS继续变负，等于某一阈值电压时，沟道将全部消失，iD=0，管子进入截止状态。综上所述，N沟道耗尽型MOSFET的转移特性和输出特性如图6、23所示。当UGS的负值达到某一数值UGS（off）时，导电沟道消失，这一临界电压UGS（off）称为夹断电压。场效应管的主要参数：增强型MOS管的开启电压UGS（th），耗尽型MOS管的夹断电压UGS（off）低频跨导图6.23N沟道耗尽型MOS管的输出特性各种场效应管符号的对比1.场效应管是以UGS控制ID，称电压控制元件；三极管是以IB控制IC，称电流控制元件。2.场效应管的放大系数为gm，三极管的放大系数为。
17、3.场效应管与三极管电极的对应关系为G B、D C、S E。4.绝缘栅场效应管存放时，三个电极应短接在一起，防止外界静电感应电压过高时击穿绝缘层使其损坏。焊接时，烙铁应有良好的接地，最好拔下烙铁电源插头再焊。4 4、场效应管与三极管的比较 1.半导体有光敏、热敏和掺杂特性。2.PN结具有单向导电性，PN导通，PN截止。3.二极管的内部就是一个PN结，正向偏置导通，反向偏置截止。4.三极管内部有二个PN结，三极管放大的实质是以很小的基极电流控制较大的集电极电流。发射结正偏，集电结反偏，三极管工作在放大状态，在放大状态时 ICIB IEIBIC（1）IB 5.场效应管是以很小的栅源电压控制较大的漏极电流。场效应管是电压控制元件，三极管是电流控制元件。本章小结本章小结作业：教材第13面习题1补充：1、PN结是怎样形成的？2、画出二极管的伏安特性曲线，指出正反向特性。3、二极管有哪些击穿？各是怎样形成的？4、二极管的结电容有哪些？各是怎样形成的？有何特点？5、二极管有哪些应用?各利用其什么特性?6+2