模拟电子技术ppt课件

.,项目一、半导体器件基础,.,绪论,一、电子技术的发展与应用概况电子技术是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。电子技术的应用，以信息科学技术为中心的包括计算机技术、生物基因工程、光电子技术、军事电子技术、生物电子学、新型材料、新型能源、海洋开发工程技术等高新技术群的兴起，已经引起人类从生产到生活各个方面巨大变革。,.,电子线路是由电子器件（又称有源器件，如电子管、半导体二极管、晶体管、集成电路等）和电子元件（又称无源器件，如电阻器、电容器、电感器、变压器等）组成具有一定功能的电路。电子器件是电子线路的核心。电子器件的发展促进了电子技术的发展。(一)电子管时代:1904年电子管的发明，使电子技术进入了第一个时代电子管时代。,.,从此，无线电通信、电视、广播、雷达、导航电子设备和计算机等开始问世，并得到迅速发展。,(二)晶体管时代,1948年贝尔（Bell）实验室发明晶体管后，使电子技术进入晶体管时代，拉开了人类社会步入信息时代的序幕。晶体管的广泛应用，开创了电子设备朝小型化、微型化发展的新局面。,(三)集成电路时代,.,1958年，德克萨斯仪器公司发明了集成电路，使电子技术进入集成电路时代。集成电路芯片是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片上，实现特定的电路或系统功能。,(四)信息时代,2000年以来,以集成电路为基础的电子信息产业已成为世界第一大产业。电子信息产业的发展在国民经济发展中具有十分重要的战略意义。科学家认,.,2000年以来，以集成电路为基础的电子信息产业已成为世界第一大产业。电子信息产业的发展在国民经济发展中具有十分重要的战略意义。科学家认为人类继石器、青铜器、铁器时代之后进入了硅石时代。,二、课程的性质和任务,本课程是高职高专电类专业通用的技术基础课程，也是实践性较强的一门主干课程。在专业人才培养过程中具有重要的地位和作用。,.,通过本课程的理论教学和实验、课程设计等实践教学，使学生获得电子元器件和功能电路及其应用的基本知识，掌握电子技术基本技能，培养学生创新意识和实践能力，以适应电子技术发展的形势，为后续课程的学习和形成职业能力打好基础。通过本课程及实践环节的教学使学生获得以下知识和能力：,.,1.熟悉常用电子元器件的性能特点及其应用常识，具有查阅手册、合理选用、测试常用电子元器件的能力。2.掌握常见功能电路的组成、工作原理、性能特点及其分析计算方法，具有常见低频电路读图能力。3.熟悉常见电路的调试方法，具有电路简单故障分析、排除能力。4.了解EWB基本操作方法，会用软件进行电路仿真。,.,三、课程特点和学习方法,本课程是研究模拟电路（AnalogCircuit）及其应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。数字电路(DigitalCircuit)的知识学习由数字电子技术课程完成。本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方法。,.,（1）模拟电路是以模拟电子器件为核心构成的电子电路。（2）近似估算的方法（3）等效的方法（4）图解的方法（5）实验调整的方法在本课程学习过程中，要根据课程特点进行，并注意以下问题。第一，提高对本课程重要性的认识，努力学习。第二，理论联系实际，重视实践动手能力培养。第三，注重职业道德培养，养成良好职业习惯。,.,四、半导体的基础知识,1.本征半导体,2.杂质半导体,3.PN结,.,本征半导体,1、本征半导体,半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,纯净的不含任何杂质的半导体。如硅、锗单晶体。,自由运动的带电粒子。,载流子,共价键,相邻原子共有价电子所形成的束缚。,半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。,.,硅(锗)的原子结构,简化模型,自由电子,硅(锗)的共价键结构,空穴,.,半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。,结论：,自由电子在共价键以外的运动。,空穴在共价键以内的运动。,1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。,2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。,3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。,.,2、杂质半导体,一、N型半导体,在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的5价元素（如磷）。,磷原子,自由电子,N型半导体的特点：,两种载流子中自由电子是多子，空穴是少子；,主要靠自由电子导电。,N型半导体的简化图示,.,二、P型半导体,在纯净的硅或锗晶体中掺入少量的3价元素（如硼）。,空穴,硼原子,P型半导体的特点：,空穴是多子，自由电子是少子；,主要靠空穴导电。,P型半导体的简化图示,.,3、PN结,一、PN结的形成,扩散运动,漂移运动,空间电荷区,离子电荷区形成,PN结,内电场建立,扩散运动,（一定宽度）,动态平衡,P区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,.,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、空间电荷区中没有载流子。,注意:,2、空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,.,二、PN结的单向导电性,1.PN结外加正向电压时处于导通状态,P,N,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,+,PN结加上正向电压、正向偏置的意思是：P区加正、N区加负电压。,.,2.PN结外加反向电压时处于截止状态,P,N,+,内电场被加强，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,PN结加上反向电压、反向偏置的意思是：P区加负、N区加正电压。,.,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。,.,三、PN结的伏安特性,反向饱和电流,加正向电压时,加反向电压时,iIS,.,小结,1.本征半导体、N型半导体、P型半导体的特点,2.PN结的形成及特性,.,模块一半导体二极管,1.1半导体二极管的结构和类型,1.2二极管的伏安特性,1.3二极管的主要参数,1.4特殊二极管,.,1.1半导体二极管的结构和类型,构成：,PN结+引线+管壳=二极管(Diode),实质上就是一个PN结,.,.,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,.,二极管实物图,.,.,1.2二极管的伏安特性,反向击穿电压UBR,导通压降:硅管0.60.8V,锗管0.10.3V。,死区电压硅管0.5V,锗管0.1V,正向特性,反向击穿,.,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿：(Zener),雪崩击穿：,PN结未损坏，断电即恢复。,PN结烧毁。,反向击穿类型：,反向电场太强，将电子强行拉出共价键。,反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。,PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,.,1.3二极管的主要参数,1.IF最大整流电流(最大正向平均电流),2.URM最高反向工作电压，为U(BR)/2,3.IR反向电流(越小,单向导电性越好),4.fM最高工作频率(超过时,单向导电性变差),.,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，主要应用于整流、限幅、保护等等。,结论：(1)低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。(2)结面积小时结电容小，工作频率高。,二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,.,1.4特殊二极管,一.稳压二极管,符号,工作条件：反向击穿,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,.,二.光电二极管,又称为光敏二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,实物照片,.,符号,三.发光二极管,工作条件：正向偏置,一般工作电流几十mA，导通电压(12)V,.,1.二极管的伏安特性-正向特性、反向特性,小结,2.二极管的主要参数:IF、URM、IR、fM,3.特殊二极管及其应用,.,模块二半导体三极管,2.1晶体三极管,2.2晶体三极管的特性曲线,2.3晶体三极管的主要参数,2.4特殊的晶体三极管,.,2.1晶体三极管,一、结构、符号和分类,基极,发射极,NPN型,发射结,集电结,基本结构一,集电极,.,基区：较薄，掺杂浓度低,发射区：掺杂浓度较高,制造工艺上的特点,集电区：面积较大,掺杂浓度低,.,PNP型,基本结构二,.,分类：,按材料分：硅管、锗管,按功率分：小功率管1W,中功率管0.51W,.,三极管实物图,.,.,二.晶体管的电流放大作用,发射结正向偏置,集电结反向偏置,三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。（1）工作在放大状态的外部条件：,(2)实现电路:,.,(3)满足放大条件的三种电路,共集电极,共发射极,共基极,.,(4)三极管内部载流子的传输过程(以NPN为例）,ICN,IE,ICBO,IB,IBN,1)发射结加正向电压，发射区向基区注入电子，形成发射极电流IE。,3)电子到达基区后，由于集电结加反向电压，电子漂移运动形成集电极电流ICN。,2)扩散到基区的电子与孔穴的复合形成基极电流IBN。,IC,基区的空穴来源：,基极电源提供(IB),集电区少子漂移(ICBO),所以IBNIB+ICBO,IB=IBNICBO,.,IC=ICN+ICBO,IE=IC+IB,当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：,若ICICEO，,IE=IB+IC,.,（5）晶体管的电流分配关系,三极管的电流放大作用,1三极管的电流放大作用就是基极电流IB的微小变化控制了集电极电流IC较大的变化。,2三极管放大电流时，被放大的IC是由电源VCC提供的，并不是三极管自身生成的，放大的实质是小信号对大信号的控制作用。,3三极管是一种电流控制器件。,.,2.2晶体三极管的特性曲线,IB=f(UBE)UCE=常数,1.输入特性曲线,.,UCE1V,工作压降：硅管UBE0.60.8V,锗管UBE0.20.3V。,UCE=0V,UCE=0.5V,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,三极管输入特性曲线与二极管特性相似,.,放大区,截止区,饱和区,二、输出特性,三极管有三种工作状态:1)截止状态2)放大状态3)饱和状态,1)截止区：IB0IC=ICEO0条件：两个PN结反偏或零偏,.,2)放大区：,IC=IBUCUBUE,条件：发射结正偏集电结反偏,3)饱和区：,特点：ICIB,条件：两个PN结均正偏,IB虽然变化,但IC基本不变化,深度饱和时UCES0.1v,此时C极和E极之间相当于一个开关的闭合状态。利用三极管截止、饱和两种状态可做无触点开关。,.,三、温度对晶体管特性及参数的影响,1、温度对ICBO的影响,.,2.3晶体三极管的主要参数,1.电流放大倍数和,2.集-基极反向饱和电流ICBO,ICEO=IB+ICBO,3.集-射极间穿透电流ICEO,4.集电极最大允许电流ICM,5.集电极最大允许耗散功率PCM,6.反向击穿电压,（1）U(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压,（2）U(BR)EBO集电极开路时发射结的击穿电压,（3）U(BR)CEO基极开路时集电极和发射极间的击穿电压,.,由PCM、ICM和V(BR)CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区、过电流区和击穿区。,.,半导体晶体管的型号,国家标准对半导体晶体管的命名如下:3DG110B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,.,2.4特殊的晶体三极管,一.光敏三极管,等效电路及符号,.,在光敏三极管集电极c和发射极e之间加电压，使集电结反偏，光照时将产生光电流IB，同时IB被“放大”形成集电极电流IC，大小在几百微安到几毫安之间。光敏三极管的输出特性和晶体管类似，只是用入射光的照度来代替晶体管输出特性曲线中的IB。光敏三极管制成达林顿形式时，可获得很大的输出电流而能直接驱动某些继电器。,二.光电耦合器,光电耦合器是把发光二极管和光敏三极管组装在一起而成的光-电转换器件。,.,小结,2.晶体管的特性曲线,输入特性曲线输出特性曲线,1.晶体三极管的结构、符号和分类,3.晶体管的主要参数-,4.特殊的晶体三极管及其应用,、ICBO、ICEO、ICMPCM、U(BR)CBO,.,模块三场效应管,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,MOSFET,绝缘栅型,FET,场效应管,N沟道,3.1场效应管的分类,.,3.2结型场效应管的结构,N沟道JFET,P沟道JFET,.,3.3工作原理（以N沟道为例）,1、UGS0V,UDS|Vp|,预夹断后ID不为0时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。,当UDS=|Vp|,发生预夹断,ID=IDss,.,3UGS0V,预夹断后ID不为0，ID基本不受UDS影响,只受UGS的控制,管子可看成一个由UGS控制的电流源,类似于三极管的放大区,故又称为场效应管的线性放大区。,UGD=UGS-UDS=UP时发生预夹断,.,3.4转移特性和输出特性,1.输出特性,2.转移特