电子技术教案.

1.1半导体基础知识1.本征半导体及其特点纯净的半导体称为本征半导体。在热“激发”条件下，本征半导体中的电子和空穴是成对产生的；当电子和空穴相遇“复合”时，也成对消失；电子和空穴都是载流子；温度越高，“电子—空穴”对越多；在室温下，“电子—空穴”对少，故电阻率大。2.掺杂半导体及其特点（1）N型半导体：在本征硅或锗中掺入适量五价元素形成N型半导体，N型半导体中电子为多子，空穴为少子；电子的数目（掺杂+热激发）=空穴的数目（热激发）+正粒子数；半导体对外仍呈电中性。（2）P型半导体：在本征硅或锗中掺入适量三价元素，形成P型半导体，其空穴为多子，电子为少子；空穴的数目（掺杂+热激发）=电子的数目（热激发）+负粒子数；对外呈电中性。在本征半导体中，掺入适量杂质元素，就可以形成大量的多子，所以掺杂半导体的电阻率小，导电能力强。当N型半导体中再掺入更高密度的三价杂质元素，可转型为P型半导体；反之，P型半导体也可通过掺入足够的五价元素而转型为N型半导体。3.半导体中的两种电流（1）漂移电流：在电场作用下，载流子定向运动所形成的电流则称为漂移电流。（2）扩散电流：同一种载流子从浓度高处向浓度低处扩散所形成的电流为扩散电流。4.PN结的形成通过一定的工艺，在同一块半导体基片的一边掺杂成P型，另一边掺杂成N型，P型和N型的交界面处会形成PN结。P区和N区中的载流子存在一定的浓度差，浓度差使多子向另一边扩散，从而产生了空间电荷和内电场；内电场将阻多子止扩散而促进少子漂移；当扩散与漂移达到动态平衡时，交界面上就会形成稳定的空间电荷层（或势垒区、耗尽层），即PN结形成。5.PN结的单向导电性PN结正向偏置时，空间电荷层变窄，内电场变弱，扩散大于漂移，正向电流很大（多子扩散形成），PN结呈现为低电阻，称为正向导通。正向压降很小，且随温度上升而减小。PN结反向偏置时，空间电荷层变宽，内电场增强，漂移大于扩散，反向电流很小（少子漂移形成），PN结呈现为高电阻，称为反向截止。反偏电压在一定范围内，反向电流基本不变（也称为反向饱和电流），且随温度上升而增大。6.PN结的电容特性（1）势垒电容CB：当外加在PN结两端的电压发生变化时，空间电荷层中的电荷量会发生变化，这一现象是一种电容效应，称为势垒电容。CB是非线性电容。（2）扩散电容CD：当PN结正向偏置时，多子扩散到对方区域后，在PN结边界附近有积累，并会有一定的浓度梯度。积累的电荷量也会随外加电压变化，引起电容效应，称为扩散电容。CD也是非线性电容。1.2半导体二极管1.二极管的结构及类型半导体二极管就是一个封装的PN结。半导体二极管的类型（1）按使用的半导体材料不同可分为硅管和锗管；（2）按结构形式不同可分为平面型和点接触型两种。通常，平面型的结面积较大，结电容也较大，适用于低频、大电流的电路；点接触型结面积小，结电容也小，适用于高频、小电流的电路。2.二极管的伏安特性及主要参数（1）伏安特性表达式二极管是一个非线性器件，其伏安特性的数学表达式为当，且时，；当，且时，。在室温下，。由此可看出二极管具有单向导电的特性。（2）伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线如图1.1所示。图1.1二极管的伏安特性曲线正向特性：小于死区电压（硅管是0.5V，锗管是0.1V）时，。正向部分的开始阶段电流增加的比较慢。在电流比较大时，二极管两端的电压随电流变化很小，称为导通电压（硅管：0.7V，锗管：0.3V）。反向特性：当反向电压，且小于时，，反向饱和电流很小。当反向电压的绝对值达到后，反向电流会突然增大，二极管反向击穿。击穿后，当反向电流在很大范围内变化时，二极管两端的电压几乎不变，击穿后的反向特性有稳压性。击穿电压低于4伏的击穿主要是齐纳击穿；击穿电压大于6伏的击穿为雪崩击穿；击穿电压介于4伏与6伏之间时，两种击穿都可能发生，也可能同时发生。二极管发生反向击穿时，如果回路中的限流电阻能将反向电流限制在允许的范围内，二极管不会损坏。当反向电压降低后，管子仍可以恢复到原来的状态，这就是电击穿。如果限流电阻太小，使反向电流超过其允许值，则二极管会发生热击穿，造成永久性损坏。（3）温度对二极管特性的影响温度升高时，二极管的正向伏安特性曲线左移，正向压降减小；温度每升高1℃，正向电压降将降低2~2.5mV。二极管的反向饱和电流也随温度的改变而改变，当温度每升高10℃左右时，反向饱和电流将将增大一倍。击穿电压也受温度的影响，击穿电压小于4伏时，有负的温度系数；击穿电压大于6伏时，有正的温度系数；击穿电压介于4伏与6伏之间时，温度系数较小。（4）主要参数二极管的主要参数有：①额定整流电流IF；②反向击穿电压U(BR)；③最高允许反向工作电压UR；④反向电流IR；⑤正向电压降UF；⑥最高工作频率fM。3.二极管的应用（整流、检波和限幅）（1）二极管电路的模型分析法二极管是一个非线性器件，分析二极管电路时应采用非线性电路的分析方法。图解分析法和模型分析法是分析二极管电路的两种基本方法，模型分析法比较简便。模型分析法是根据二极管在电路中的实际工作状态，以及分析精度的要求，用一个线性电路模型代替实际的二极管。①理想模型：正向导通时，二极管正向压降为零；反向截止时，二极管电流为零。②恒压源模型：正向导通时，二极管正向压降为常数（硅管：0.7V，锗管：0.3V）；反向截止时，二极管电流为零。③微变等效模型：如果电路中除了直流电源外，还有微变信号（交流小信号）时，则对后者，二极管可用交流等效电阻表示，其值与静态工作点有关，即。（2）整流与检波电路整流与检波电路的工作原理相同，它们都是利用二极管的单向导电特性，将交变的双向信号，转变成单向脉动信号。（3）限幅电路在电子电路中，为了降低信号的幅度以满足电路工作的需要；为了保护某些器件不受大的信号电压作用而损坏，往往利用二极管的导通和截止限制信号的幅度，这就是所谓的限幅。4.硅稳压管的伏安特性及主要参数稳压管是一种特殊的二极管，伏安特性与二极管类似，但它的反向击穿特性很陡。所以稳压管通常工作于反向击穿状态来稳定直流电压。由于硅半导体的温度特性好，通常稳压管是用硅材料制成的，称为硅稳压管。主要参数：①稳定电压：电流为规定值时，稳压管两端的电压。②最小稳定电流。③最大允许工作电流和最大允许功率耗散，二者的关系为。④动态电阻：在稳压范围内，。越小稳压管的稳压特性越好。⑤温度系数：UZ6V时，为正值；UZ4V时，为负值；UZ介于4V到6V之间时，可能为正，也可能为负。5.硅稳压管的等效电路硅稳压管正向偏置时，可用普通二极管的模型来等效；反向偏置的情况由理想二极管、动态电阻rZ及电压源UZ0串联支路等效。等效电路如图1.2所示，等效电路中的电压源UZ0可由下式求得：UZ0=UZ－IZrz图1.2硅稳压管的等效电路6.硅稳压管稳压电路(1)稳压原理硅稳压管稳压电路如图1.3所示。当稳压管工作在反向击穿状态时，如果输入直流电压有波动或负载发生变化，将会使UO有变化的趋势，这时Iz会发生剧烈变化，通过限流电阻R两端电压的变化来补偿输入电压或负载的变化，从而达到了稳定UO的目的。图1.3硅稳压管稳压电路（2）稳压条件图1.3电路中稳压管Dz能工作在反向电击穿状态的条件是：（3）限流电阻计算在图1.3所示电路中，使流过稳压管的电流满IZmin≤IZ≤IZM的条件时，稳压电路才能正常工作。限流电阻的计算公式如下：式中：UImax、UImin分别为输入直流电压的最大值和最小值；IZM是稳压管最大允许工作电流，IZmin是最小稳定电流；IOmax、IOmin分别为输出电流的最大值和最小值。第二章晶体管及放大电路基础2.1晶体管1.晶体管的结构及类型晶体管有双极型和单极型两种，通常把双极型晶体管简称为晶体管，而单极型晶体管简称场效应管。晶体管是半导体器件，它由掺杂类型和浓度不同的三个区（发射区、基区和集电区）形成的两个PN结（发射结和集电结）组成，分别从三个区引出三个电极（发射极e、基极b和集电极c）。晶体管根据掺杂类型不同，可分为NPN型和PNP型两种；根据使用的半导体材料不同，又可分为硅管和锗管两类。晶体管内部结构的特点是发射区的掺杂浓度远远高于基区掺杂浓度，并且基区很薄，集电结的面积比发射结面积大。这是晶体管具有放大能力的内部条件。2.电流分配与放大作用晶体管具有放大能力的外部条件是发射结正向偏置，集电结反向偏置。在这种偏置条件下，发射区的多数载流子扩散到基区后，只有极少部分在基区被复合，绝大多数会被集电区收集后形成集电极电流。通过改变发射结两端的电压，可以达到控制集电极电流的目的。晶体管的电流分配关系如下：其中电流放大系数和之间的关系是=/(1＋)，=/（1－）；ICBO是集电结反向饱和电流，ICEO是基极开路时集电极和发射极之间的穿透电流，并且ICEO=(1＋)ICBO。在放大电路中，通过改变UBE，改变IB或IE，由ΔIB或ΔIE产生ΔIC，再通过集电极电阻RC，把电流的控制作用转化为电压的控制作用，产生ΔUO=ΔICRC。实质上，这种控制作用就是放大作用。3.晶体管的工作状态当给晶体管的两个PN结分别施加不同的直流偏置时，晶体管会有放大、饱和和截止三种不同的工作状态。这几种工作状态的偏置条件及其特点如表2.1所列。表2.1晶体管的三种工作状态工作状态直流偏置条件各电极之间的电位关系特点NPNPNP放大发射结正偏，集电结反偏UCUBUEUCUBUEIC=βIB饱和发射结正偏，集电结正偏UBUE，UBUCUBUE，UBUCUCE=UCES截止发射结反偏，集电结反偏UBUE，UBUCUBUE，UBUCIC=04.伏安特性及主要参数（1）共射极输入特性（以NPN管为例）输入特性表达式为：。当UCE=0时，输入特性相当于两个并联二极管的正向特性。当UCE0时，输入特性右移，UCE≥1V后输入特性基本重合。因为发射结正偏，晶体管的输入特性类似于二极管的正向伏安特性。（2）共射极输出特性（以NPN管为例）共射极输出特性表达式为：。晶体管输出特性曲线的三个区域对应于晶体管的三个工作状态（饱和、放大和截止）。a）饱和区：此时UCE很小，集电区收集载流子的能力很弱。IC主要取决于UCE，而与IB关系不大。b）放大区：位于特性曲线近似水平的部分。此时，IC主要取决于IB，而与UCE几乎无关。c）截止区：位于IB=－ICBO的输出特性曲线与横轴之间的区域。此时，IC几乎为零。（3）主要参数a）直流参数：共基极直流电流放大系数，共射极直流电流放大系数；集电极—基极间反向饱和电流ICBO，集电极—发射极间穿透电流ICEO。b）交流参数：共基极交流电流放大系数，共射极交流电流放大系数，其中，；共基极截止频率，共射极截止频率，特征频率，其中。c）极限参数：集电极最大允许功率耗散PCM，集电极最大允许电流ICM；反向击穿电压：U（BR）CEO，U（BR）EBO，U（BR）CBO。（4）温度对参数的影响温度每增加1℃，UBE将减小(2~2.5)mV；温度每增加10℃左右，ICBO增加一倍；温度每增加1℃，β增大（0.5～1）%。2.2放大电路的组成及工作原理1.放大电路的组成原则放大电路的作用是把微弱的电信号不失真地放大到负载所需要的数值。即要求放大电路既要有一定的放大能力，又要不产生失真。因此，首先要给电路中的晶体管（非线性器件）施加合适的直流偏置，使其工作在放大状态（线性状态），其次要保证信号源、放大器和负载之间的信号传递通道畅通。(1)直流偏置原则：晶体管的发射结正偏，集电结反偏。(2)对耦合电路的要求：第一，信号源和负载接入放大电路时，不能影响晶体管的直流偏置；第二，在交流信号的频率范围内，耦合电路应能使信号无阻地传输。固定偏置的共射极放大电路如图2.1所示。图中电容器C1、C2起耦合作用，只要电容器的容量足够大，在信号频率范围内的容抗足够小，就可以保证信号无阻地传输；同时电容器又有“隔直”作用，信号源和负载不会影响放大器的直流偏置。这种耦合方式称为阻容耦合。图2.1共射放大电路2.放大电路的两种工作状