模擬電子技術(shù)電子教案.ppt

1、模擬電子技術(shù),第一章 半導體二極管及其應用電路,本章主要內(nèi)容： 1.1 半導體的基礎(chǔ)知識 1.2 半導體二極管 1.3 特殊二極管 1.4 半導體二極管的應用 1.5 本章小結(jié),1.1 半導體基礎(chǔ)知識,1.1.1 半導體的導電特性 1.1.2 PN結(jié),1.1.1 半導體的導電特性,自然界中的各種物質(zhì)按其導電性 能的不同可劃分為：導體、半導體和 絕緣體。半導體的導電性能介于導體 和絕緣體之間. 常見的半導體材料是硅(Si)和鍺 (Ge),它們都是+4價元素. 硅的熱穩(wěn)定性比鍺好.,1.1.1 半導體的導電特性,一、半導體的特點 1.熱敏性 2.光敏性 3.摻雜性 溫度、光照、是否摻入雜質(zhì)元素這三

2、方面對半導體導電性能強弱影響很大。當半導體溫度升高、光照加強、摻入雜質(zhì)元素，其導電能力將大大增強。,1.1.1 半導體的導電特性,二、本征半導體 半導體按其是否摻入雜質(zhì)來劃分， 又可分為：本征半導體和雜質(zhì)半導體。 完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶 體稱為本征半導體。 在絕對0K（-273oC），本征半導體基本不導電。,1.1.1 半導體的導電特性,（1）本征半導體的原子結(jié)構(gòu)及共價鍵 共價鍵內(nèi)的兩個電子由相鄰的原子各用一個價電子組成，稱為束縛電子。,1.1.1 半導體的導電特性,（2）本征激發(fā)現(xiàn)象 當溫度升高或受光照射時，共價鍵中的價電子獲得足夠能量，從共價鍵中掙脫出來，變成自由電子；同時在原共價

3、鍵的相應位置上留下一個空位，這個空位稱為空穴,電子-空穴對就形成了.,1.1.1 半導體的導電特性,在外電場或其他能源的作用下，鄰近的價電子和空穴產(chǎn)生相對的填補運動。這樣，電子和空穴就產(chǎn)生了相對移動，它們的運動方向相反，而形成的電流方向是一致的。 由此可見，本征半導體中存在兩種載流子：自由電子和空穴，而導體中只有一種載流子：自由電子，這是半導體與導體的一個本質(zhì)區(qū)別。,1.1.1 半導體的導電特性,三、雜質(zhì)半導體 在本征半導體中加入微量雜質(zhì)，可使其導電性能顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導體分為兩類：電子型（N型）半導體和空穴型（P型）半導體。 （1） P型半導體-摻入微量的三價元素（如

4、硼）,1.1.1 半導體的導電特性,因此,+3價元素原子獲得一個電子,成為一個不能移動的負離子，而半導體仍然呈現(xiàn)電中性。 P型半導體的特點： 多數(shù)載流子為空穴； 少數(shù)載流子為自由電子。,1.1.1 半導體的導電特性,（2） N型半導體-摻入微量的五價元素(如磷) N型半導體: 多子-自由電子 少子-空穴,1.1.1 半導體的導電特性,注意： 雜質(zhì)半導體中的多數(shù)載流子的濃度與摻雜濃度有關(guān)；而少數(shù)載流子是因本征激發(fā)產(chǎn)生，因而其濃度與摻雜無關(guān)，只與溫度等激發(fā)因素有關(guān).,1.1.2 PN結(jié),一PN結(jié)的形成 在一塊本征半導體的兩邊,分別形 成P型和N型半導體,在兩種載流子交界 處會出現(xiàn)載流子的相對運動.

5、 擴散運動-多數(shù)載流子因濃度上的 差異而形成的運動.,1.1.2 PN結(jié),擴散的結(jié)果使P區(qū)和N區(qū)原來的電中性被破壞，在交界面靠近P區(qū)一側(cè)留下了不能移動的負離子，靠近N區(qū)一側(cè)留下了等量的正離子。P區(qū)和N區(qū)交界面兩側(cè)形成的正、負離子薄層，稱為空間電荷區(qū),其中無載流子。由于空間電荷區(qū)的出現(xiàn)，建立了PN結(jié)的內(nèi)電場。 漂移運動-內(nèi)電場的作用使載流子發(fā)生的運動.,1.1.2 PN結(jié),當擴散和漂移兩種相反作用的運動達到動態(tài)平衡時，形成的穩(wěn)定空間電荷區(qū)就叫做PN結(jié)。,1.1.2 PN結(jié),二PN結(jié)的單向?qū)щ娦?（1）外加正向電壓正偏 當PN結(jié)加上正向電壓，即P區(qū)接電源正極(高電位)，N區(qū)接電源負極(低電位)。此

6、時，稱PN結(jié)加正向偏置電壓，簡稱“正偏”.,變薄,1.1.2 PN結(jié),正偏時由于PN結(jié)變薄,空間電荷區(qū)消失(外加電場足夠大),能導電的區(qū)域增大,因此,PN結(jié)呈現(xiàn)出的正向電阻小,流過的正向電流大. 因此, PN結(jié)正偏導通.,1.1.2 PN結(jié),（2）外加反向電壓反偏 當PN結(jié)加上反向電壓，即P區(qū)接電源負極(低電位)，N區(qū)接電源正極(高電位)。此時，稱PN結(jié)加反向偏置電壓，簡稱“反偏”.,1.1.2 PN結(jié),反偏時由于PN結(jié)變厚, 不能導電的區(qū)域增大,因此,PN結(jié)呈現(xiàn)出的反向電阻很大,流過的反向電流很小,基本為0. 因此, PN結(jié)反偏截止. PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 正偏導通,反偏截止,1.1.2 P

7、N結(jié),三.PN結(jié)的反向擊穿特性 反向擊穿:當PN結(jié)的反偏電壓增加到某一數(shù)值時，反向電流急劇增大的現(xiàn)象。 PN結(jié)的擊穿現(xiàn)象有下列兩類： (1) 熱擊穿:不可逆,應避免 (2) 電擊穿:可逆,又分為雪崩擊穿和齊納 擊穿.,1.1.2 PN結(jié),(1)雪崩擊穿 當反向電壓足夠高時（一般U6V）PN結(jié)中內(nèi)電場較強，使參加漂移的載流子加速，與中性原子相碰，使之價電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對，又被加速，而形成連鎖反應，使載流子劇增，反向電流驟增。這種形式的擊穿稱為雪崩擊穿.,1.1.2 PN結(jié),(2)齊納擊穿 對摻雜濃度高的半導體，PN結(jié)的 耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓 （U4V），耗盡層可獲得很大的

8、場強， 足以將價電子從共價鍵中拉出來，而獲 得更多的電子空穴對，使反向電流驟增。,1.1半導體基礎(chǔ)知識小結(jié),本征半導體中，電子與空穴總是成對出現(xiàn)。 雜質(zhì)半導體有：P型和N型。P型半導體中，多子是空穴，少子是電子；N型半導體中，多子是電子，少子是空穴。 在P型和N型半導體交界處形成的空間電荷區(qū)就是PN結(jié),其主要特性是單向?qū)щ娦哉珜?反偏截止.,1.2 半導體二極管,1.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)及其在電路中的代表符號 1.2.2 二極管的伏安特性曲線 1.2.3 二極管的主要參數(shù) 1.2.4 二極管的命名 1.2.5 二極管的判別,1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號,二極管本質(zhì)上就是一個PN結(jié). 它在電

9、路中的代表符號和PN結(jié)是 相同的: P極 N極 P極又稱為陽極、正極 N極又稱為陰極、負極,1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號,根據(jù)制造結(jié)構(gòu)不同,常見的二極管有點接觸型, 面接觸型和平面型.,(a)點接觸型,(b)面接觸型,(c)平面型,1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號,另外,按材料不同可分為：鍺二極管、硅二極管。其中，硅二極管的熱穩(wěn)定性比鍺二極管的熱穩(wěn)定性要好的多。 按用途不同可分為：普通二極管、整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、光電二極管等。,1.2.2二極管的V-I特性,伏安特性是指二極管兩端的電壓u與流過二極管電流i的關(guān)系。 一正向特性 指二極管正偏時的V-I特性,如圖中紅色曲線所

10、示。,1.2.2二極管的V-I特性,正向特點: 正向電壓較小時,不足以使二極管導通, i=0,此時的V-I曲線對應區(qū)域稱為死區(qū) 正向電壓逐漸增大,二極管開始導通,此時的電壓成為門坎電壓Uth 硅管Uth=0.5V 鍺管Uth=0.1V 當正向電壓繼續(xù)增大,二極管完全導通.導通后兩端電壓基本為定值,稱為二極管的正向?qū)▔航礦D 硅管VD=0.7V 鍺管VD=0.3V,1.2.2二極管的V-I特性,二反向特性 指二極管反偏時的V-I特性,如圖中綠色曲線所示。 二極管外加反向電壓時，反向電流很?。↖-IS），而且在相當寬的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流幾乎不變，因此，稱此電流值為二極管的反向飽和電流。,1

11、.2.2二極管的V-I特性,三二極管的等效電路模型 （1）理想電路模型 反偏時，反向電流近似為零，相當于開關(guān)斷開（開路). - u + 正偏時，其管壓降為0.7V，忽略后相當于開關(guān)閉合（短路）. + u -,1.2.2二極管的V-I特性,（2）恒壓降模型 反偏時，反向電流近似為零，相當于開關(guān)斷開（開路). - u + 正偏時，管壓降為VD不做忽略,正向電阻小近似為0,相當于一個大小為VD,方向從P到N的電壓源. + u - + VD -,1.2.3二極管的主要參數(shù),器件的參數(shù)是對其特性的定量描述, 是正確使用和合理選擇器件的依據(jù). 一、二極管的直流參數(shù) （1）最大整流電流IFM （2）最高反向

12、工作電壓URM （3）反向電流IR （4）直流電阻RD,1.2.3二極管的主要參數(shù),二、二極管的交流參數(shù) （1）交流電阻rd 交流電阻rd是工作點Q附近電壓與電流的變化量之比，即 ：,1.2.3二極管的主要參數(shù),（2）結(jié)電容Cj PN結(jié)的結(jié)電容Cj由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。 勢壘電容CB 勢壘電容的影響主要表現(xiàn)在反向偏置狀態(tài)時。 擴散電容CD 該等效電容是由載流子的擴散運動隨外電壓的變化引起的.,1.2.3二極管的主要參數(shù),（3）最高工作頻率fM 二極管的最高工作頻率fM主要由結(jié)電容的大小來決定。 若工作頻率超過了最高工作頻率fM，則二極管的單向?qū)щ娦宰儔摹?1.2.4二極管的

13、命名,我國國產(chǎn)半導體器件的命名方法采用國家GB249-74標準。,1.2.4二極管的命名,1.2.5二極管的檢測與判別,一、判別方法： 識別法：通過二極管管殼上的符號、標志來識別.例如有標記的一端一般為N極. 檢測法：用萬用表的歐姆檔，量程為R100或R1k檔測量其正反向電阻 （一般不用R1檔，因為電流太大；而R10k檔的電壓太高，管子有被擊穿的危險）.,1.2.5二極管的檢測與判別,1.2.5二極管的檢測與判別,二、檢測法判別步驟 （1）二極管好壞的判別 若測得的反向電阻很大（幾百千歐以上），正向電阻很?。◣浊W以下），表明二極管性能良好。 若測得的反向電阻和正向電阻都很小，表明二極管短路，

14、已損壞。 若測得的反向電阻和正向電阻都很大，表明二極管斷路，已損壞。,1.2.5二極管的檢測與判別,（2）二極管正、負極性的判斷 將萬用表紅、黑表筆分別接二極管的兩個電極，若測得的電阻值很小（幾千歐以下），則黑表筆所接電極為二極管正極，紅表筆所接電極為二極管的負極；若測得的阻值很大（幾百千歐以上），則黑表筆所接電極為二極管負極，紅表筆所接電極為二極管的正極。,1.3 特殊二極管,1.3.1 硅穩(wěn)壓二極管 1.3.2 光電二極管和光電池 1.3.3 發(fā)光二極管,1.3.1 硅穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓二極管是一種特殊工藝制造的結(jié)面型硅二極管,通常工作在反向擊穿狀態(tài). 一、V-I特性和符號,1.3.1 硅穩(wěn)

15、壓二極管,二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù) （1）穩(wěn)定電壓UZ （2）最小穩(wěn)定電流IZmin （3）最大穩(wěn)定電流IZmax （4）額定功耗PZ （5）動態(tài)電阻rZ （6）溫度系數(shù)z,1.3.1 硅穩(wěn)壓二極管,三、穩(wěn)壓管的應用 常用的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路:,如:uiuoIZI（= IZ+IL）uR uo（=uiuR）基本不變 同理，當ui一定， RL 發(fā)生變化時，穩(wěn)壓管兩 端的電壓仍然基本保持 不變,從而起到穩(wěn)壓作 用.,1.3.2光電二極管和光電池,一、光電二極管 光電二極管又稱光敏二極管，可將光信號轉(zhuǎn)換成電信號.它工作在反偏狀態(tài), 反向電流與照度成正比.,1.3.2光電二極管和光電池,光電二極管的簡單使用,1

16、.3.2光電二極管和光電池,二、光電池 硅光電池是一種將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導體器件，又叫太陽能電池。,光電池控制電路,當光電池PC1、PC2受到光照射而產(chǎn)生電勢時，單向晶閘管SK導通，若開關(guān)K1合，則此時便有9V直流電壓加于負載上。,1.3.3 發(fā)光二極管,一、發(fā)光二極管 發(fā)光二極管LED是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊二極管,常用作顯示器件。,發(fā)光二極管的代表符號,1.3.3 發(fā)光二極管,發(fā)光二極管應用電路（一 ）,1.3.3 發(fā)光二極管,發(fā)光二極管應用電路（二 ）,1.4 半導體二極管的應用,1.4.1 整流電路 1.4.2 檢波電路 1.4.3 限幅電路 1.4.4 鉗位電路,1.4.1

17、 整流電路,將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動直流電的過程 稱為整流。,二極管半波整流電路,1.4.2 檢波電路,在接收機中，將低頻信號從高頻調(diào)制信 號中檢取出來的過程，稱為檢波.基本工作原 理就是利用二極管的單向?qū)щ娦院碗娙輧?端的電壓不能突變的特性。,1.4.3 限幅電路,將輸出電壓的電平限制在預置的電平范 圍內(nèi)，用于限制輸入信號的峰值，有選擇地 傳輸一部分電壓的電路，稱為限幅電路.,二極管限幅電路,1.4.4 鉗位電路,將輸入信號的頂部或底部鉗位于某一直流 電平上的電路，稱為鉗位電路.,二極管鉗位電路,1.5 本章小結(jié),一、半導體基礎(chǔ)知識 1.常用的半導體材料有硅、鍺等。本征半導體的特點是電導率低，具有熱敏性、光敏性、摻雜性等。而且摻雜性對導電性能影響很大。 2.半導體的載流子有兩種：自由電子和空穴，自由電子帶負電，空穴帶正電。,1.5 本章小結(jié),3.雜質(zhì)半導體的特點是電導率高。 雜質(zhì)半導體有兩種類型：N型半導體的多子是自由電子，少子是空穴；P型半導體的多子是空穴，少子是自由電子。 4.多子的濃度與摻雜濃度有關(guān)，少子的濃度與溫度等激發(fā)因素有關(guān)。 5.PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕菢?gòu)成各種半導體器件的基礎(chǔ)。,1.5 本章