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模拟电子技术教案教学目标教材分析课时安排教学目标教材分析授课类型教学方法课时安排组织教学教学过程课堂小结布置作业课后总结教学目标教材分析授课类型教学方法课时安排组织教学教学过程课堂小结布置作业课后总结教学目标教材分析授课类型教学方法课时安排组织教学教学过程课堂小结布置作业课后总结教学目标 教材分析授课类型教学方法课时安排组织教学教学过程课堂小结布置作业课后小结教学目标教材分析授课类型教学方法课时安排组织教学教学过程课堂小结课后作业课后总结第一章 半导体二极管及其基本应用1、掌握半导体二极管的基本概念及基本知识2、掌握半导体二极管的特征和特性3、了解半导体二极管的几个主要参数4、掌握半导体二极管的两个模型及其应用5、了解半导体二极管的应用电路及几种特殊的二极管。6、掌握二极管应用电路的测试重点：1、半导体二极管的几个特征及其它的特性2、半导体二极管的两个模型及其应用，并会测试二极管应用电路。8课时1.1 半导体的基础知识2课时1.2 二极管的特性及主要参数2课时1.3 二极管的基本应用1课时1.4 特殊二极管1课时1.5 二极管应用电路的测试1课时复习课1课时1.1 半导体的基础知识1、了解本征半导体和杂质半导体的基本概念及其形成。2、了解PN结的形成3、掌握PN结的两个特性。重点：PN结的两个特性单向导电性和击穿特性新授课讲授法2课时应到 人，实到 人导入：什么是导体？什么是绝缘体？那么介入这两者之间的是什么呢？这就是我们这章要学习的内容，半导体二极管及其基本应用，我们首先来学习一下半导体的基础知识。自然界中的物质，按其导电能力可分为三大类：导体、半导体和绝缘体。 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料如：硅Si 锗 Ge 和砷化镓GaAs，其中硅应用得最广泛。半导体的特点：热敏性光敏性掺杂性1.1.1 本征半导体1、概念：纯净的单晶半导体称为本征半导体。其中应于制造半导体器件的纯硅和锗都是晶体，它们同属于四价元素。共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。 图1.1硅和锗的原子结构和共价键结构2、本征激发和两种载流子自由电子和空穴 温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。 本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图1.2所示为本征激发所产生的电子空穴对。图1.2 本征激发所产生的空穴和自由电子如图1.3所示，空穴（如图中位置1）出现以后，邻近的束缚电子（如图中位置2）可能获取足够的能量来填补这个空穴，而在这个束缚电子的位置又出现一个新的空位，另一个束缚电子（如图中位置3）又会填补这个新的空位，这样就形成束缚电子填补空穴的运动。为了区别自由电子的运动，称此束缚电子填补空穴的运动为空穴运动。 图1.3 束缚电子填补空穴的运动3、结 论 （1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。 （2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。 （4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。1.1.2 杂质半导体在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。1、N型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个不能移动的正离子，称施主离子，其中自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的空穴产生，如图1.4所示。图1.4 N型半导体的共价键结构2、P型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，由于缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子如果获取足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子，称为受主离子。其中空穴为多子，自由电子为少子。半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的自由电子产生，如图1.5所示。图1.5 P型半导体的共价键结构P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。P型半导体主要靠空穴导电。注意：杂质离子虽然带电荷，但不能移动，因此它不是载流子；杂质半导体中虽然有一种载流子占多数，但整个半导体仍呈电中性。 杂质半导体的导电性能主要取决于多子浓度，多子浓度主要取决于掺杂浓度。少子浓度与本征激发有关，因此对温度敏感，其大小随温度的升高而增大。1.1.3 PN结一、PN结的形成多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.6所示。图1.6 P型和N型半导体交界处载流子的扩散由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.7所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称空间电荷区为耗尽层。图1.7 PN结的形成 空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。二、PN结的单向导电性如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。（1）PN结外加正向电压 PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，如图1.8所示。 图1.8 PN结加正向电压 PN结正偏时，外电场使P区的多子空穴向PN结移动，并进入空间电荷区和部分负离子中和；同样，N区的多子电子也向PN结移动，并进入空间电荷区和部分正离子中和。因此空间电荷量减少，PN结变窄，这时内电场减弱，扩散运动将大于漂移运动，多子的扩散电流通过回路形成正向电流。当外加正向电压增加到一定值后，正向电流将显著增加，此时，PN结呈现很小的电阻，称为导通。（2）PN结外加反向电压 PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图1.9所示。 图1.9 PN结加反向电压 PN结反偏时，外电场使P区的空穴和N区的电子向离开PN结的方向移动，空间电荷区变宽。反向电流几乎不随外加电压而变化，故又称为反向饱和电流。此时，PN结呈现很大的电阻，称为截止。PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。三、PN结的击穿特性当加于PN结两端的反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为反向击穿。PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种机理。雪崩击穿发生在掺杂度较低的PN结中，这种PN结的阻挡层宽，因碰撞而电离的机会多。由高浓度掺杂材料制成的PN结中耗尽区宽度很窄，即使反向电压不高也容易在很窄的耗尽区中形成很强的电场，将价电子直接从共价键中拉出来产生电子空穴对，致使反向电流急剧增加，这种击穿称为齐纳击穿。一般认为反向击穿电压超过6V主要为雪崩击穿，低于6V为齐纳击穿。 本节课重点掌握两个问题，一个是本征半导体的三个特征，一个是PN结的两个特性。对于P型半导体和N型半导体的形成及其PN结的形成做了解就可以。P5 1.1.3 1.1.41.2 二极管的特性及主要参数1、掌握二极管的结构及其符号2、了解半导体二极管的几种类型3、了解二极管的伏安特性4、掌握二极管的几个主要参数和温度对二极管特性的影响重点：二极管的结构及符号，二极管的几个主要参数难点：二极管的伏安特性新授课讲授法2课时应到 人，实到 人1.2.1 二极管的结构在PN结两端各引出一根电极引线，然后用外壳封装起来就构成了半导体二极管。由P区引出的电极称为正极（或阳极），由N区引出的电极称负极（或阴极）。VD是二极管的文字符号，箭头方向表示正向电流的流通方向。图1.10 二极管的符号半导体二极管同PN结一样具有单向导电性。二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类，如图1.11所示。图1.11不同结构的各类二极管 上面是按照PN结的面积大小来分的。其中点接触型的不能承受大的电流和高的反向电压，由于极间电容很小，所以这类管子适用于高频电路；面接触型的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容较大，这类器件适应于低频电路，主要用于整流电路。1.2.2 二极管的伏安特性二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。1）正向特性 二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如图1.12所示，当二极管所加正向电压比较小时（0U1；通常认为。（3）三极管的电流分配及放大关系式为：2.1.2 晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性是指晶体管的极电流与极电压之间的函数关系。一、输入特性输入特性描述为某一常数时，晶体管的输入电流与输入电压之间的函数关系，即（1）晶体管输入特性与二极管特性类似，在发射结电压大于死区电压时才导通，导通后近似为常数。（2）当从0增大为1V时，曲线要右移，而当后，曲线重合为同一根线。在实际使用中，多数情况下满足V，硅管的死区电压为0.5v，导通电压约为0.60.8V，通常取0.7V。对于锗管，则死区电压约为0.1V，导通电压约为0.20.3V，通常取0.2V。2.1.6 输入特性二、输出特性 输出特性描述为某一常数，晶体管的输出电流与输出电压之间的函数关系，即通常划分为放大、饱和和截止三个工作区域。图2.1.7 输出特性一般把三极管的输出特性分为3个工作区域，下面分别介绍。 截止区 三极管工作在截止状态时，具有以下几个特点： （a）发射结和集电结均反向偏置； （b）若不计穿透电流，有、近似为0； （c）三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。 放大区 图2.1.7中，输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。三极管工作在放大状态时，具有以下特点： （a）三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置； （b）基极电流微小的变化会引起集电极电流较大的变化，有电流关系式：；（c）对NPN型的三极管，有电位关系：； （d）对NPN型硅三极管，有发射结电压；对NPN型锗三极管，有。 饱和区 三极管工作在饱和状态时具有如下特点： （a）三极管的发射结和集电结均正向偏置； （b）三极管的电流放大能力下降，通常有；（c）的值很小，称此时的电压为三极管的饱和压降，用表示。一般硅三极管的约为0.3V，锗三极管的约为0.1V； （d）三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。 三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。 三、PNP型晶体管的伏安特性PNP型管工作电压极性的接法和电流流向均与NPN型管电路的相反；PNP型锗管的伏安特性曲线与NPN型硅管的曲线相似，差别主要是导通电压大小不同、电压极性相反。例2.2.1 某晶体管处于放大状态，用万用表的直流电压档测得三个电极对地电位为3V、2、3V、5V，试判断此管的三个电极，并说明是NPN型管还是PNP型管，是硅管还是锗管。解：当晶体管处于放大状态时，必定满足发射结正偏、集电结反偏，因此三个电极的电位大小对NPN型管为，对PNP型管为，所以中间电位者为基极B，故3V对应基极B。由3-2.3=0.7V，可知，2.3V对应发射极E，5V则对应集电极C，为NPN型硅管。2.1.3 晶体管的主要参数 晶体管的主要参数有电流放大系数、极间反向电流、极限参数等，前两者反映了管子性能的优劣，后者表示了管子的安全工作范围，它们是选用晶体管的依据。一、电流放大系数 电流放大系数反映晶体管的电流放大能力，常用的是共发射极电流放大系数。共发射极交流电流放大系数 在目前的多数应用中，两者基本相等且为常数，因此一般可混用。将基极作为输入和输出回路的公共端，称为共基极接法，其输出电流变化量和输入电流变化量之比，称为共基极交流电流方法系数，用表示，即值小于1而接近于1，一般在0.98以上。二、极间反向电流 集电极基极间的反向饱和电流是发射极开路时流过集电结的反向饱和电流。 集电极发射极间的穿透电流是基极开路，C、E之间加上正偏电压时，从集电极直通到发射极的电流，称为穿透电流。、均随温度的上升而增大，其值越小，受温度影响就越小，晶体管的温度稳定性越好。硅管的、远小于锗管的，因此实用中多用硅管。三、极限参数 集电极最大允许电流 集电极最大允许功率损耗 反向击穿电压 当晶体管的工作点位于时的区域内时，管子能安全工作，因此称该区域为安全工作区。图 2.1.8 晶体管的安全工作区四、温度对晶体管特性的影响 同二极管一样，三极管也是一种对温度十分敏感的器件，随温度的变化，三极管的性能参数也会改变。 图2.1.9和图2.1.10所示为三极管的特性曲线受温度的影响情况。图2.1.9 温度对三极管特性的影响图 2.1.10 温度对三极管输出特性的影响本节课重点掌握一个大问题，晶体管的伏安特性，会判断电路处于哪一种工作状态，了解晶体管的工作原理和主要参数。P64 2 P65 2.1 2.2 晶体管的基本应用1、掌握晶体管直流电路的分析方法2、掌握晶体管工作状态的判断方法3、了解晶体管基本放大电路及其分析方法重点：晶体管直流电路的分析及其工作状态的判断新授课讲授法2课时应到 人，实到 人 利用晶体管的放大、恒流、开关特性，可构成放大电路、电流源电路、开关电路等基本电路。2.2.1 晶体管直流电路的分析晶体管直流电路主要用以给晶体管确定合适的工作状态，其分析方法主要有工程近似分析法和图解分析法。例题：（略）近似估算法： 两个方法中：为电路参数，为管参数，UBE为管对数，均已知。这种近似估算可迅速得到直流电量的大致情况，但不易估计其工作区域或区域的部位。通过例题，要知道晶体管静态工作点的求法。图解法的要求条件比较高，所以只要求学生掌握工程近似法来解决问题。2.2.2 晶体管开关电路及晶体管工作状态的判断一、晶体管开关电路利用晶体管的饱和及截止特性可构成开关电路。图中2.2.1中，当输入电压为高电平时，晶体管处于饱和状态，C、E之间等效为开关合上；当输入电压为0V时，晶体管截止，C、E之间等效为开关断开，LED不能导通发光，可见晶体管具有开关作用，它是一个受基极信号控制的电子开关。晶体管要起开关作用，其输入信号的幅度必须足够大，以保证晶体管可靠地工作于截止状态或饱和状态，即可靠地关或可靠地开。图2.2.1（a）电路 （b）饱和时相当于C、E之间的开关接通（c）饱和时相当于C、E之间的开关断开二、晶体管工作状态的判断方法 首先看发射结偏置状态，若发射结不能正偏导通，则通常晶体管截止。为保证可靠截止，应使发射结反偏或零偏。若发射结正偏导通，则晶体管有方法导通和饱和导通两种可能。当基极电流较小时，晶体管工作于放大区；当增大时，集电极电流随之线性增大，工作点沿输出负载向饱和区移动；当足够大时，将到达临界饱和点S，这时的基极和集电极电流分别称为临界基极电流和集电极饱和电流，记为和这时仍具有方法作用，因此；继续增大，则进入饱和区，不再跟随增大而增大，而基本维持值不变，其大小由晶体管输出端外电路确定。若，则工作在饱和区；若，则工作在放大区。2.2.3 晶体管基本方法电路及其分析方法一、晶体管放大电路的工作原理图 2.2.2 共发射极基本放大电路图中：为待放大的输入电压；为放大后的输出电压；为基极偏置电源，它通过供给晶体管发射结正向偏置电压，使晶体管导通，为集电极直流电源，它通过供给晶体管集电结反向偏置电压，使晶体管工作于放大区；称为集电极直流负载电阻，利用它的降压作用，将晶体管集电极电流的变化转换为集电极电压的变化，从而实现信号电压放大；用以耦合交流、隔断直流，称为隔直耦合电容，其容量应足够大