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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：在時間和數(shù)值上連續(xù)的信號。,,,計算機檢測控制系統(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：內(nèi)容多、內(nèi)容雜、工程實踐性強,1、抓“重點”,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)：１０％期末考試：９０％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)體中載流子的運動，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,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）等價電子：圍繞原子核運動的最外層軌道的電子導(dǎo)體:低價元素絕緣體:高價元素硅（Si）、鍺（Ge）：４個價電子,1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識,,價電子,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。它是共價鍵結(jié)構(gòu)。,1.1.2本征半導(dǎo)體,相鄰原子的價電子成為共用電子，即共價鍵結(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,成對出現(xiàn),成對消失,,,,,,,,,+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。,,價電子填補空穴,,,,,,本征激發(fā)——價電子受熱及光照后，掙脫共價鍵束縛成為自由電子。,激勵(溫度和光照)一定時，電子空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合會達到“動態(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，因為導(dǎo)體的導(dǎo)電能力更強。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。,載流子的兩種運動：擴散——載流子在濃度差作用下的運動載流子總是從高濃度向低濃度擴散飄移——載流子在電場作用下的運動電子逆電場方向運動空穴順電場方向運動,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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PN結(jié)。,,,,,空間電荷區(qū),,,內(nèi)電場方向,1.2PN結(jié),多子擴散－＞形成空間電荷區(qū)－＞有利少子向?qū)Ψ狡啤⒆钃醵嘧酉驅(qū)Ψ綌U散，少子向?qū)Ψ降钠疲究臻g電荷區(qū)變窄－＞有利于多子向?qū)Ψ綌U散；當(dāng)多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡時，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)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷,,N區(qū)電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷,,擴散運動增強，形成較大的正向電流，此時PN結(jié)導(dǎo)通,,一、外加正向電壓（正向偏置）,外電場加強擴散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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PN結(jié)截止,多數(shù)載流子的擴散運動難于進行,,外電場削弱擴散,結(jié)論,,綜上所述，當(dāng)PN結(jié)正向偏置時，回路將產(chǎn)生一個較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時，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，所以溫度對其影響很大（溫度愈高，反向電流愈大），此時PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)?？梢姡琍N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,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,載流子的運動,漂移擴散,PN結(jié)的特性,正向?qū)ㄐ苑聪蚪刂固匦苑聪驌舸┨匦?,,,,多子擴散引起,少子飄移引起,1.3.1二極管的結(jié)構(gòu)和符號,1.3半導(dǎo)體二極管,一、符號,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,,UＤ,非線性特性,ＵＢＲ反向擊穿電壓ＵＺ（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Ｄ,Si管：0.6V~0.8V（０.７Ｖ）Ge管：0.2V~0.3V（０.３Ｖ）,二極管方程,UT：溫度的電壓當(dāng)量。常溫下，即T=300K（270C）時，UT=26mV。Is：反向飽和電流。,在反向段：當(dāng)|uD|>>UT時，iD?–IS,一般:特性曲線上區(qū)分Uon和UＤ計算時不區(qū)分Uon和UＤ,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，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)通時正向壓降為零,截止時反向電流為零)的等效模型,大信號作用下的模型,2.二極管導(dǎo)通時正向壓降為一常量UＤ（正向?qū)妷海?7V或０.３V），截止時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UＤ后，其電流iD與uD成線性關(guān)系（直線斜率為1/rD），截止時反向電流為零的等效模型,以上三個等效電路中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海保燃僭O(shè)二極管截止，求其陽極和陰極電位；２．若陽極陰極電位差＞UD，則其正向?qū)?；３．若電路有多個二極管，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ǎ?7V或０.３V）；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，并說明每個二極管的作用。,解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，則,VY=3–0.3=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=6sin?tV，試畫出uo及uD的波形。,,,,,,?,2?,ui?3時，D截止，uo=ui，uD=ui–3,ui>3時，D導(dǎo)通，uo=3，uD=0,解：,,,,,,,,,二、二極管的小信號交流模型（微變等效電路）,二極管外加直流正向電壓時，將有一電流，則反映在其伏安特性曲線上的點為Q（Q點稱為靜態(tài)工作點）。,iD,,,I,U,Q,若在Q點基礎(chǔ)上外加微小的變化量，則可用以Q點為切點的直線來近似微小變化時的曲線，即可將二極管等效成一個線性器件，用動態(tài)電阻rd來表示，且rd=?uD/?iD。,,,,question2,,,,,,,,,小信號作用下的模型,即,動態(tài)電阻與Q點有關(guān),圖1.2.8直流電壓和交流信號同時作用,,,直流通路,交流通路,question3,作業(yè):1.4(1.3),1.3(1.2),