模拟电子技术 第1 半导体器件

《电子技术》机电类80学时主讲：张静秋副教授答疑电话：[phone]办公地点：民主楼212#《电子技术》课程使用教材《模拟电子技术实用教程》（机电类）主编：罗桂娥华中科技大学出版社《数字电子技术实用教程》（机电类）主编：覃爱娜华中科技大学出版社《电子技术》课程使用教材《电工电子实验教程》主编：陈明义中南大学出版社《电子技术》教学安排模拟电子技术部分讲授32学时：——主要功能电路信号放大电路、集成放大器、信号运算电路、滤波电路、信号发生电路信号比较电路、直流稳压电源数字电子技术部分讲授32学时：——主要功能电路MSI组合逻辑电路：编码器、译码器、数据选择器、数值比较器、加法器MSI时序逻辑电路：寄存器、计数器模数混合IC：555定时器、数/模转换器、模/数转换器LSI组合逻辑电路：半导体存储器16学时实验：模拟部分4个实验、数字部分4个实验教学要求1.遵守课堂纪律，保持良好的氛围2.认真完成作业，跟上教学进度3.认真做每次实验，理论联系实际4.达到如下之一者取消考试资格：随机点名4次不到缺交作业三分之一缺两次以上实验教学内容：1.1信号与电子系统1.2放大电路的基本知识1.3放大电路主要性能指标2.1半导体材料及PN结第1讲电子系统概述与PN结教学重点：1.四种类型放大电路的特点2.放大电路的主要性能指标3.PN结的单向导电性第1讲电子系统概述与PN结1.1.1信号及其分类电信号：代表一定信息的电压或电流信号。利用变换设备，把语言、文字、图像等信息转换为随时间作相应变化的电压或电流信号，以便于传输。例1：无线电收音机——超外差式混频级中频放大级检波级功率放大级射频载波信号中频载波小信号中频载波大信号音频信号音频信号1.1信号与电子系统第1讲1.1.1信号及其分类例2：电视收发系统摄像机话筒发射机景物声音图像电信号伴音电信号全电视信号接收机显像管扬声器图像电信号伴音电信号景物声音第1讲1.1.1信号及其分类连续信号：如正弦波、矩形波、三角波、其它任意连续波形周期信号——f(t)=f(t+nT)如正弦波、矩形波、三角波模拟信号——幅值和时间均连续变化。如正弦波离散信号：在不连续的瞬间取值采样信号——在固定的离散时间点上取值，幅值连续数字信号——在固定的离散时间点上，幅值取规定值幅值和时间均不连续第1讲tutu－10123451.1.1信号及其分类第1讲模拟信号幅值和时间均连续变化的信号例2：任意连续信号例1：正弦波模拟电路产生、放大、变换模拟信号的电路1.1.1信号及其分类第1讲数字信号在固定的离散时间点上取规定值，即幅值和时间均不连续变化的信号。数字电路实现输入与输出信号之间一定逻辑关系的电路例如：数字计算机中运行的高电平和低电平信号，分别代表二元编码中的1和0两个数码。1.1.2电子系统电子系统：由若干相互关联的单元电子电路组成，用来实现电信号的产生、传输或处理的电路整体。如：收音机、电视机其设计目标为SOPC（单片可编程系统）实用系统：在很多情况下，电子系统必须与其它物理系统结合，从而构成完整的实用系统。如：计算机系统有光驱、软驱等精密机械系统1.1信号与电子系统第1讲工业生产中的许多生产设备，可能由电子、机械、动力、热工、激光等多种物理系统组合而成。其中的各个电子系统完成两方面工作：1)对生产过程的监视与调控；2)控制生产机械的驱动机构动作；1.2.1模拟信号的放大放大电路主要用于放大微弱的电信号，在不失真的前提下，其输出电压或电流在幅度上得到了放大。第1讲1.1信号与电子系统1.放大倍数表征放大器的放大能力，也称为增益。第1讲1.2.2.放大电路的主要技术指标根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器可分为四种类型，可以定义四种放大倍数。（1）电压放大倍数定义为:AU=UO/UI（重点）（2）电流放大倍数定义为:AI=IO/II（3）互阻放大倍数定义为:Ar=UO/II（4）互导放大倍数定义为:Ag=IO/UI第1讲1.放大倍数放大电路有四种类型：电压/电流放大器互阻/互导放大器1.2.2.放大电路的主要技术指标（1）电压增益:20lgAU(dB)（2）电流增益:20lgAI(dB)（3）互阻增益:20lgAr(dB)（4）互导增益:20lgAg(dB)1.放大倍数——用分贝表示（5）功率增益:10lgAUAI(dB)第1讲1.2.2.放大电路的主要技术指标2.输入电阻Ri输入电阻：Ri=ui/ii当信号源为电压源时，Ri越大越好。（1）Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小（2）当信号源有内阻Rs时，Ri越大，ui就越接近usiiRi输入端usRs信号源Au输出端第1讲1.2.2.放大电路的主要技术指标从放大电路输入端向右看的等效电阻ui3.输出电阻Ro输出端输出端Au~usRs第1讲1.2.2.放大电路的主要技术指标Rouoc从放大电路输出端向左看的等效电阻。输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro越小，放大电路带负载的能力越强，输出电压变化越小3.输出电阻的计算公式第1讲1.2.2.放大电路的主要技术指标4.通频带通频带：fBW=fH–fL放大倍数随频率变化曲线－幅频特性曲线fA(f)中频段Am0.707AmfL下限截止频率fH上限截止频率3dB带宽第1讲1.2.2.放大电路的主要技术指标2.1半导体材料及PN结2.1.1本征半导体和杂质半导体1.半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。温度为300K时几种材料的电阻率（Ω·cm）导体半导体绝缘体银Ag铜Cu纯净锗Ge纯净硅Si砷化镓GeAs橡胶陶瓷1.7×10-860010×10145×1012第1讲1.6×10-82.3×1030.62.1半导体材料及PN结2.1.1本征半导体和杂质半导体2.本征半导体纯净的半导体。如硅、锗单晶体。硅原子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键结构在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。—共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。第1讲在常温下两种载流子（自由电子和空穴）成对出现+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴成对出现本征激发复合自由电子空穴成对消失第1讲2.本征半导体（常温下）—载流子—自由运动的带电粒子。2.1.1本征半导体和杂质半导体两种载流子自由电子空穴两种载流子的运动自由电子在共价键以外的运动空穴在共价键以内的运动结论：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，载流子浓度与温度有关。2.1.1本征半导体和杂质半导体第1讲3.杂质半导体之一：N型半导体+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子自由电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数电子数2.1.1本征半导体和杂质半导体第1讲常温下：Si原子浓度为5*1022/cm3掺杂原子浓度5*1016/cm3本征激发浓度5*1010/cm3+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子自由电子—少子载流子数空穴数4.杂质半导体之二：P型半导体2.1.1本征半导体和杂质半导体第1讲5.P型与N型半导体的简化示意图负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子P型N型2.1.1本征半导体和杂质半导体第1讲2.1.2PN结第1讲1.PN结(PNJunction)的形成1)载流子的浓度差引起多子的扩散2)复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。内建电场3)扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0PNP区N区内电场外电场IF限流电阻2.PN结的单向导电性1)外加正向电压2.1.2PN结第1讲外电场加强扩散运动使多子向PN结移动,中和部分离子空间电荷区变窄正偏导通：相当于开关闭合呈现低电阻（一般为几百欧姆）；正向电流较大（mA级）第1讲2)外加反向电压P区N区内电场外电场IR给PN结加不同方向的电压时，其导电能力截然不同漂移运动加强形成反向电流IR0I少子=2.PN结的单向导电性内外电场共同促进少子漂移背离PN结移动，空间电荷区变宽反偏截止：相当于开关断开呈现高电阻（一般为几百千欧姆）；反向电流很小（μA级）3.PN结的伏安特性)1e(/STUuIi反向饱和电流温度的电压当量qkTUT电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mVOu/VI/mA加正向电压时：加反向电压时：i≈–IS2.1.2PN结第1讲反向饱和反向击穿正向特性UR＋－ui第2讲半导体二极管教学内容：2.2半导体二极管2.2.1二极管的结构和类型2.2.2二极管的伏安特性2.2.3二极管的常用电路模型2.2.4稳压二极管2.2.5二极管应用举例教学重点：1.二极管的伏安特性2.二极管的电路模型3.含二极管电路的分析方法第2讲半导体二极管2.2.1二极管的结构和类型构成：符号：(anode)AC(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型第2讲PN结+引线+管壳二极管(Diode)2.2半导体二极管分立元件集成电路正极引线负极引线集成电路中平面型PNP型支持衬底2.2.1二极管的结构和类型第2讲点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金2.2.1二极管的结构和类型第2讲2.2.2二极管的伏安特性1.二极管伏安特性方程（同PN结）)1e(/SDDTUuIi当T=300(27C)：UT=26mV第2讲2.二极管的伏安特性曲线OuD/ViD/mA正向恒压特性Uth开启电压反向截止U(BR)反向击穿︱U(BR)︱︱U︱0iD=IS硅管0.1A、锗管约几十A︱U︱︱U(BR)︱反向电流急剧增大，要及时限流第2讲死区iD=0Uth=0.5V(硅管)/0.1V(锗管)微导通区iD快速上升0UUthUD=硅管0.7V锗管0.3V导通区iD变化范围大uD几乎不变UthUUD反向截止反向击穿反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场足够强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。2.2.2二极管的伏安特性第2讲硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.0202.2.2二极管的伏安特性第2讲温度对二极管特性的影响20C604020–0.0200.4–25–50iD/mAuD/V90CUD(on)具有负温度特性：温度每上升1C，约下降(22.5)mV2.2.2二极管的伏安特性第2讲IS具有正温度特性：温度每上升10C，IS约增加一倍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，通常取U(BR)/23）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)iDuDU(BR)IFURMO2.2.2二极管的伏安特性第2讲影响工作频率的原因—PN结的电容效应结论：1)低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗减小，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。3.二极管的主要参数2.2.2二极管的伏安特性第2讲πfCX21C2.2.3二极管的常用电路模型1.理想二极管模型特性符号及等效模型SS正偏则导通，uD=0；iD由外电路决定第2讲反偏则截止：iD=0，U(BR)由外电路决定大信号模型uDiD02.二极管的恒压源模型UD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.3V(Ge)2.2.3二极管的常用电路模型第2讲特性符号等效模型阳极电位比阴极高UD(on)时,二极管导通;管压降钳制在：当二极管截止时:iD=0U(BR)由外电路决定大信号模型uDi