模拟电路课件件第1次.ppt

1,高 等 学 校 教 材,(第三版),模拟电子技术,2,研究对象,模拟信号,指在时间或数值上都是连续变化的信号。,研究重点,信号的放大,放大电路,3,第一章 半 导 体 器 件,1.1 半导体基础知识 1.2 PN结 1.3 半导体三极管,4,基础知识,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,典型的半导体有硅Si和锗Ge等。,半导体材料,特性,在光照或加热、通电或掺入杂质元素时，半导体的导电性能会发生显著变化。,5,半导体的共价键结构（Si、Ge）,平面结构,空间排列,6,在光照和受热或通电激发、掺入杂质元素时，半导体的导电性将发生明显的改变,本征半导体,杂质半导体,半导体按照是否含有杂质元素可分为,7,1.1.1 本征半导体,本征半导体是一种完全纯净不掺入任何杂质且结构完整的半导体晶体.,图 1 2 本征半导体共价键晶体结构示意图,8,共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量, 其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子, 自由电子带负电，同时必然在共价键中留下空位, 称为空穴。空穴带正电。 这一现象称为本征激发.,图 1 3 本征半导体中的自由电子和空穴,我们用n和p分别表示自由电子和空穴的浓度, 即ni=pi, 下标i表示为本征半导体。,9,若外加电场时： 一方面自由电子将在电场力的作用下产生定向移动,形成电子电流;另一方面由于具有电子填补空穴的复合运动,我们可以看作空穴也产生运动,形成空穴电流.,半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。,温度越高，载流子的浓度越高, 则本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,能够运载电荷的粒子称为载流子。,10,按掺入的杂质元素不同,可形成N型半导体(电子型半导体)和P型半导体(空穴型半导体),在本征半导体中掺入微量元素,就会使半导体的导电性能发生显著的改变.因此，杂质半导体是电子器件的核心元件。,1.1.2 杂质半导体,11,(1）N型半导体,在本征半导体如硅中掺入五价杂质元素，例如磷（P），可形成 N型半导体,也称电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。,我们将能在半导体内产生多余电子的杂质原子称为施主杂质. N型半导体的结构示意图如图所示。,N型半导体结构示意图,12,(2) P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。我们 把能接受电子的杂质原子称为受主杂质。,P型半导体的结构示意图,P型半导体的结构示意图,13,自由电子带负电；空穴带正电,在N型半导体中，自由电子是多子，空穴是少子 在P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子,N型半导体带负电，P型半导体带正电呢,错误,P型半导体和N型半导体虽然各自都有一种多数载流子，但整体仍呈电中性。,14,1. 结,1.2.1 异型半导体接触现象,物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。,载流子在电场力的作用下的运动称为漂移运动。,把P型和N型半导体采用一定的工艺技术制作在一块半导体材料上，在它们的交界面处形成了PN结。,15,1) PN结外加正向电压时,若将电源的正极接区, 负极接区, 则称此为正向接法，也称PN结正向偏置.,外加电压在耗尽层内形成的电场与自建场方向相反, 削弱了自建场, 使耗尽层变窄,显然, 扩散作用大于漂移作用, 在电源作用下, 多数载流子向对方区域扩散形成正向电流, 其方向由电源正极通过区、区到达电源负极。此时, 结处于导通状态。,1.2.2 结的单向导电特性,16,结处于导通状态时, 它所呈现出的电阻阻值很小。 正向电压愈大, 正向电流愈大。其关系是指数关系：,式中, 为流过结的电流；U为结两端电压； , 称为温度电压当量, 其中k为玻耳兹曼常数, 为绝对温度,q为电子的电量,在室温下即时,；为反向饱和电流。,17,2) PN结外加反向电压时,若将电源的正极接区, 负极接区, 则称此为反向接法，也称PN结反向偏置。,外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相同, 增强了自建场, 使阻挡层变宽,此时漂移作用大于扩散作用, 少数载流子在电场作用下作漂移运动, 由于其电流方向与正向电压时相反, 故称为反向电流。,由于少子的数目极少, 反向电流也非常小,所以在近似分析中 常将它忽略不计,认为PN结外加反向电压时,处于截止状态.,18,当外加反向电压超过零点几伏时, 少数载流子基本全被电场拉过去形成漂移电流, 此时反向电压再增加, 载流子数也不会增加, 因此反向电流也不会增加, 故称为反向饱和电流。,PN结处于截止状态，呈现的电阻称为反向电阻, 其阻值很大, 高达几百千欧以上。,反向饱和电流：,19,将上述电流与电压的关系写成如下通式：,(1-1),综上所述：我们把结加正向电压, PN结中有较大扩散电流流过，PN结处于导通状态；加反向电压, PN结中的反向电流非常小，几乎为零，PN结处于截止状态的特性称为结的单向导电性。,正偏：,反偏：,20,PN结处于反向偏置时, 在一定电压范围内, 流过PN结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值()后, 反向电流急剧增加, 这种现象称为反向击穿。称为击穿电压。 ,雪崩击穿,齐纳击穿,1.2.3 PN结的击穿,21,由于存在空间电荷区，当结两端加上电压, 结内就有电荷的变化, 说明结具有电容效应，也称为结电容。,1.2.4 PN结的电容效应,结具有两种电容：势垒电容和扩散电容。,势垒电容,扩散电容,由多数载流子在扩散过程中的积累而引起的。,22,半导体二极管图片,二极管图片1,1,2,3,Exit,23,将PN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,简称二极管.（硅二极管和锗二极管）,点接触型二极管,面接触型二极管,硅平面型二极管,二极管的结构和符号,1.2.5 半导体二极管,24,正向特性:当加在二极管上的正向电压比较小时,正向电流很小，几乎等于零.只有在当二极管两端的正向电压超过某一数值时,正向电流才明显增大.当正向电压大于Uon,二极管导通；正向电压小于Uon时，二极管截止。,1.二极管的伏安特性,反向特性:当在二极管上加上反向电压时,反向电流的值很小.而且当反向电流不随着反向电压的增大而增大时,即达到了饱和,这个电流称为反向饱和电流,用Is表示.如果反向电压继续增大超过UB,反向电流急剧增大,产生击穿.,Uon :使二极管开始导通的导通电压，也称死区电压,25,最大整流电流IF:二极管长期运行时允许通过管子的最大正向平均电流. 最高反向工作电压UR: UR是二极管工作时允许外加的最大反向电压,超过此值时,二极管有可能因反向击穿而损坏.UR=1/2 UB。 反向电流IR: IR是二极管未击穿时的反向电流. IR越小,二极管的单向导电性越好. 最高工作频率fM: fM是二极管工作时的上限频率.超过此值时,由于结电容的作用,二极管将不能很好的体现单向导电性.,2.二极管的主要参数,26,图 1 - 16 稳压管伏安特性、符号及电路,稳压管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管,工作在反向击穿区.,(a),1.2.6 稳压二极管,27,从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(1) 稳定电压UZ ,(2) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,稳压管工作在稳压区时，两端电压变化量与电流变化量之比。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =UZ /IZ,28,(3) 额定功耗 PZ ,稳压管反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZ和VZ可以决定IZmax。稳压管的功耗超过此值时,会因结温升高而损坏.,(4) 稳定电流IZ ,稳压管的稳定工作电流是使稳压管正常