模拟电子技术基础.ppt

1 1 模拟电子技术基础 授课教师 主要参考书 清华大学出版社 霍亮生主编 电子技术基础 1 2 课程的难点 建立 工程的概念 电子电路分析的合理近似课程要求 1 3 第一章半导体器件 1 1半导体基础知识 1 2二极管 1 3双极型晶体管 1 4绝缘栅型场效应晶体管 1 4 1 1半导体基础知识 1 1 1本征半导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 1 5 半导体的导电机理不同于其它物质 所以它具有不同于其它物质的特点 比如 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 往纯净的半导体中掺入某些杂质 会使它的导电能力明显改变 1 6 现代电子学中 用的最多的半导体是硅和锗 它们的最外层电子 价电子 都是四个 1 7 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 称为本征半导体 1 8 硅和锗的晶体结构 在硅和锗晶体中 原子按四角形系统组成晶体点阵 每个原子都处在正四面体的中心 而四个其它原子位于四面体的顶点 每个原子与其相临的原子之间形成共价键 共用一对价电子 1 9 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 1 10 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 1 11 本征半导体的导电机理 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚着 本征半导体中没有可以运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 束缚电子 1 12 本征半导体的导电机理 自由电子 空穴 在常温下 由于热激发 使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为自由电子 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 1 13 本征半导体的导电机理 在其它力的作用下 空穴吸引临近的电子来填补 这样的结果相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于正电荷的移动 因此可以认为空穴是载流子 1 14 本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即自由电子和空穴 温度越高 载流子的浓度越高 因此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 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 1 15 半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发 自由电子在运动中与空穴相遇就会填补空穴 使二者同时消失 这种现象称为复合 本征半导体的载流子浓度 自由电子 空穴 1 16 一定温度下 本征激发产生的自由电子和空穴对 与复合的自由电子和空穴对数目相等 达到动态平衡 理论分析表明 ni和pi表示自由电子和空穴的浓度 cm 3 1 17 注意 本征半导体的导电性很差 且与环境密切相关 本征半导体的这种对温度的敏感性 既可用来制作热敏和光敏器件 又是造成半导体器件温度稳定性差的原因 1 18 1 1 2杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体 电子半导体 使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体 空穴半导体 1 19 N型半导体 多余电子 磷原子 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 或锑 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 磷原子的最外层有五个价电子 其中四个与相临的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子 这个电子几乎不受束缚 很容易被激发而成为自由电子 这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子 每个磷原子给出一个电子 称为施主原子 1 20 N型半导体 N型半导体中的载流子是什么 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征激发成对产生的电子和空穴 3 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 1 21 空穴 P型半导体 硼原子 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素 如硼 或铟 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 硼原子的最外层有三个价电子 与相临的半导体原子形成共价键时 产生一个空穴 这个空穴可能吸引束缚电子来填补 使得硼原子成为不能移动的带负电的离子 由于硼原子接受电子 所以称为受主原子 1 22 P型半导体 P型半导体中的载流子是什么 1 由受主原子提供的空穴 浓度与受主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 3 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 空穴浓度远大于自由电子浓度 空穴称为多数载流子 多子 自由电子称为少数载流子 少子 1 23 总结 1 N型半导体中电子是多子 其中大部分是掺杂提供的电子 本征半导体中受激产生的电子只占少数 N型半导体中空穴是少子 少子的迁移也能形成电流 由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 近似认为多子与杂质浓度相等 2 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 1 24 杂质半导体的示意表示法 1 25 1 1 3PN结及其单向导电性 一 PN结的形成 在同一片半导体基片上 分别制造P型半导体和N型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 1 26 P型半导体 N型半导体 空间电荷区 PN结处载流子的运动 1 27 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 内电场E加强 PN结处载流子的运动 内电场越强 就使漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 1 28 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 相当于两个区之间没有电荷运动 空间电荷区的厚度固定不变 1 29 空间电荷区 N型区 P型区 电位V Uho 1 30 空间电荷区内正负电荷相等 因此 当P区和N区杂质浓度相等时 正离子区和负离子区宽度相等 称为对称结 当P区和N区杂质浓度不同时 浓度高一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧 称为不对称PN结 绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴数目都非常少 在分析PN结特性时常忽略载流子的作用 只考虑离子区的电荷 这种方法称为 耗尽层近似 故称空间电荷区为耗尽层 1 31 1 空间电荷区中没有载流子 2 空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴 N中的电子 都是多子 向对方运动 扩散运动 3 P中的电子和N中的空穴 都是少子 数量有限 因此由它们形成的电流很小 请注意 1 32 二 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 反之称为加反向电压 简称反偏 1 33 PN结正向偏置 P N 内电场被削弱 多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流 1 34 PN结加正向电压时的导电情况 低电阻大的正向扩散电流 PN结正向偏置 1 35 PN结反向偏置 N P 内电场被被加强 多子的扩散受抑制 少子漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的反向电流 1 36 PN结加反向电压时的导电情况 高电阻很小的反向漂移电流 PN结反向偏置 1 37 PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 PN结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 1 38 3 PN结V I特性表达式 其中 IS 反向饱和电流 UT 温度的电压当量 且在常温下 T 300K 1 39 1 2二极管 1 2 1二极管的结构 1 2 2二极管的伏安特性 1 2 3二极管的主要参数 1 2 4稳压管 1 40 1 2 1二极管的结构 在PN结上加上引线和封装 就成为一个二极管 二极管按结构分有点接触型 面接触型和平面型三大类 1 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于高频电路和小功率整流 1 41 3 平面型二极管 采用扩散法制成 往往用于集成电路制造工艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 2 面接触型二极管 PN结面积大 结电容大 一般为仅作为整流管 b 面接触型 4 二极管的代表符号 1 42 半导体二极管图片 1 43 1 44 1 45 1 2 2二极管的伏安特性 一 与PN结伏安特性类似 正偏 体电阻 外引线 同样电压 I偏小 反偏 表面漏电流 Is数值增大 1 46 二极管的伏安特性表达式可用PN结伏安特性表达式表示 正向特性 反向特性 反向击穿特性 1 47 二 温度对二极管伏安特性的影响 温度升高 正向特性左移 反向特性下移 室温附近 温度每升高1 正向压降减少2 2 5mV 室温附近 温度每升高10 反向电流增大一倍 1 48 1 2 3二极管的参数 1 49 1 最大整流电流IF 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 反向击穿电压UBR和最高反向工作电压UR 二极管反向击穿时的电压值为UBR 击穿时反向电流剧增 二极管的单向导电性被破坏 甚至过热而烧坏 最高反向工作电压UR一般是UBR的一半 主要参数说明 1 50 3 反向电流IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流 此时二极管未被击穿 反向电流大 说明管子的单向导电性差 因此反向电流越小越好 反向电流受温度的影响 温度越高反向电流越大 硅管的反向电流较小 锗管的反向电流要大几十到几百倍 以上均是二极管的直流参数 二极管的应用是主要利用它的单向导电性包括整流 限幅 保护等 下面介绍两个交流参数 4 最高工作频率fM超过此值时 由于结电容的作用 二极管不能很好地体现单向导电性 1 51 1 2 4稳压二极管 1 符号及稳压特性 1 52 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 rZ UZ IZ 3 最大耗散功率PZM 4 最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin 5 稳定电压温度系数 2 稳压二极管主要参数 UZ 1 53 3 稳压电路 正常稳压时VO UZ 稳压条件是什么 不加R可以吗 1 54 例 已知图中电路稳压管的稳定电压UZ 6V 计算UI为12V 30V三种情况下输出电压UO的值 解 UI为12V 经两个电阻分压 URL 4V UZ DZ截止 故UO 4V UI为30V 两个电阻分压 URL能得到10V电压 UZ DZ反向击穿 稳压管工作在稳压状态 UO钳位在6V 1 55 1 3双极型晶体管 BJT 1 56 结构特点 发射区的掺杂浓度最高 集电区掺杂浓度低于发射区 且面积大 基区很薄 一般在几个微米至几十个微米 且掺杂浓度最低 管芯结构剖面图 1 57 1 3 1结构和类型 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 1 58 基区 较薄 掺杂浓度低 集电区 面积较大 发射区 掺杂浓度较高 1 59 发射结 集电结 1 60 1 3 2晶体管的电流控制作用 放大是对模拟信号最基本的处理 晶体管是放大电路的核心元件 此图为基本放大电路 称为共射放大电路 共射放大电路的的工作条件是发射结正向偏置 集电结反向偏置 1 61 一晶体管内部载流子的运动 VBB RB VCC 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 是发射极电流IE的主要组成部分 1 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBN 多数扩散到集电结 1 62 VBB RB VCC 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO 2 从基区扩散来的电子作为集电结的少子 漂移进入集电结而被收集 形成ICN 要使三极管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 1 63 IE IBN IEP ICN IB IC IB IBN IEP ICBO IB ICBO IBN IEP 1 64 4 ICN与IB 之比称为共射直流电流放大倍数 ICEO为穿透电流 物理意义是 当基极开路 IB 0 时 在集电极电源VCC作用下集电极和发射极之间形成的电流 ICBO为发射极开路时 集电结的反向饱和电流 1 65 若有输入交流电压信号 UI作用 则晶体管的基极电流在IB基础上叠加动态电流 iB 集电极电流在IC基础上叠加动态电流 iC iC与 iB之比为交流放大系数 1 66 若以发射极电流作为输入电流 以集电极电流作为输出电流 则定义ICN与IE之比为共基直流电流放大系数 共基交流电流放大系数 1 67 NPN型三极管 PNP型三极管 Vc Vb Ve Vc Vb Ve 1 68 例 分别判断图中所示各电路中晶体管是否有可能工作在放大状态 1 69 例 已知两只晶体管的电流放大系数 分别为50和100 现测得放大电路中这两只管子两个电极的电流如图所示 分别求另一电极的电流 标出其实际方向 并在圆圈中画出管子 1 70 1 3 3晶体管的共射特性曲线 UBE是发射结压降UCE是管压降 1 71 1 输入特性 IB A UBE V 20 40 60 80 0 6 0 8 1 72 1 输入特性 iB A uBE V 20 40 60 80 0 6 0 8 1 73 1 输入特性 IB A UBE V 20 40 60 80 0 6 0 8 1 74 1 输入特性 开启电压UON 硅管0 5V 锗管0 1V IB A UBE V 20 40 60 80 0 6 0 8 工作压降 硅管UBE 0 7V 锗管UBE 0 2V 1 75 2 输出特性 iC mA 此区域满足iC IB称为线性区 放大区 特征是 发射结正向偏置 uBE UON 集电结反偏 uCE uBE 1 76 此区域称为饱和区 发射结正偏 uBE UON 集电结正偏 UCE UBE IB IC UCE 0 3V 1 77 UBEUBE IC ICEO 称为截止区 1 78 例 电路如图所示 晶体管导通时UBE 0 7V 50 试分析uI为1 5V 3V情况下晶体管的工作状态及输出电压uO的值 所以晶体管处于放大状态 1 79 例 电路如图所示 晶体管导通时UBE 0 7V 50 试分析uI为1 5V 3V情况下晶体管的工作状态及输出电压uO的值 1 80 1 3 4晶体管的主要参数 前面的电路中 三极管的发射极是输入输出的公共点 称为共射接法 相应地还有共基 共集接法 共射直流电流放大倍数 1 电流放大倍数 NPN型三极管 1 81 工作于动态的三极管 真正的信号是叠加在直流上的交流信号 基极电流的变化量为 iB 相应的集电极电流变化为 iC 则交流电流放大倍数为 1 82 2 集 基极反向饱和电流ICBO ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流 受温度的变化影响 1 83 3 集 射极穿透电流ICEO 1 84 ICEO 1 ICBO 而ICEO受温度影响很大 当温度上升时 ICEO增加很快 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 选管子时 ICBO ICEO应尽量小 硅管的ICBO和ICEO比锗管小 所以温度稳定性好 1 85 4 集电极最大电流ICM 集电极电流IC在一定范围内 不变 但大到一定数值会导致三极管的 值的下降 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM 1 86 5 集 射极反向击穿电压 当集 射极之间的电压UCE超过一定的数值时 三极管就会被击穿 手册上给出的数值是25 C 基极开路时的击穿电压U BR CEO 晶体管的某一电极开路时