电子技术课件教学提纲.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,*,第一章常用半导体器件,莆田学院三电教研室模拟电路多媒体课件,*,*,*,第一章常用半导体器件,莆田学院三电教研室模拟电路多媒体课件,*,*,*,第一章常用半导体器件,莆田学院三电教研室模拟电路多媒体课件,*,*,*,第一章常用半导体器件,莆田学院三电教研室模拟电路多媒体课件,1.2半导体二极管,1.3特殊二极管,1.4半导体三极管,1.5场效应管,1.1PN结及其单向导电性,1）,受外界光照时电导率发生很大变化光敏性；,2）受外界热刺激时电导率发生很大变化,热敏性；,3）掺进微量杂质，导电能力显著增加,掺杂性,。,1.1PN结及其单向导电性,载流子,可以自由移动的带电粒子。,根据物体导电能力的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有,硅Si,和,锗Ge,等。,半导体的特点,：,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,T=0K时,本征半导体,纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,本征激发,复合,在常温下,成对出现,成对消失,本征半导体的载流子,空穴运动,结 论,1.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,。,3.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，这是半导体的一大,特点,。,2.本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,杂质半导体,:,杂质半导体,N型半导体,P型半导体,（三价）,（五价）,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,（1）N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体。,(,电子型半导体),磷原子,+4,+5,多余价电子,自由电子,正离子,本征激发,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,（2）P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。,(空穴型半导体),+4,+4,硼原子,填补空位,+3,负离子,本征激发,1.N型半导体中自由电子是多子，其中大部分是掺杂提供的，本征半导体中受激产生的自由电子只占少数。,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，自由电子是少子,。,结 论,P 区,N 区,1.PN 结的形成,N区的电子向P区扩散并与空穴复合,P区的空穴向N区扩散并与电子复合,空间电荷区,内电场方向,二、PN结及其单向导电性,内电场方向,E,外电场方向,R,I,2.PN 结的单向导电性,P 区,N 区,外电场驱使P区的空穴进入空间,电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区,抵消一部分正空间电荷,空间电荷区变窄,扩散运动增强，形,成较大的正向电流,（1）外加正向电压,R,2.PN 结的单向导电性,P 区,N 区,空间电荷区变宽,（2）外加反向电压,E,外电场方向,内电场方向,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,I,R,1、空间电荷区中没有载流子又称耗尽层。,2、空间电荷区中内电场阻碍,扩散运动,的进行。（扩散运动为多子形成的运动）,3、,少子,数量有限，因此由它们形成的电流很小。,4、PN结具有单向导电性。,正向偏置,：P区加正、N区加负电压,多子运动增强，PN结导通,反向偏置：,P区加负、N区加正电压,少子运动增强，PN结截止,结 论,1.2 半导体二极管,二极管：,一个PN结就是一个二极管。,单向导电：,二极管正极接电源正极，负极接电源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。,符号,：,伏安特性,U,I,死区电压 硅管,0.5V,锗管0.1V。,导通压降:硅管,0.50.7V,锗管0.10.3V。,反向击穿电压U,(BR),小结：,（1）二极管正向电压很 小时，有死区。,（2）二极管正向导通时 管压降基本固定。导通电阻很小。,（3）二极管反向截止时 ，反向电流很小，并几乎不变，称反向饱和电流。,（4）反向电压加大到一 定程度二极管反向击穿。,O,A,C,B,D,1.2.2,二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,硅二极管2CP10的,伏安,特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性,开启电压：0.5V,导通电压：0.7,一、伏安特性,锗二极管2AP15的,伏安,特性,U,on,U,(BR),开启电压：0.1V,导通电压：0.2V,半导体二极管的参数,(1),最大整流电流,I,OM,(2),反向工作峰值电压U,BWM,(3),反向峰值电流,I,RM,二极管加上反向峰值电压下的反向电流值。,二极管连续工作时，允许流过的最大整流电流的平均值。,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压一般是反向击穿电压的一半或三分之二。,1.2,半导体二极管,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,图1.2.1二极管的几种,外形,1 点接触型二极管,(a)点接触型,二极管的结构示意图,1.2.1,半导体二极管的几种常见结构,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,3 平面型二极管,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，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,(c)平面型,4二极管的代表符号,D,1.2.3,二极管的参数,(1)最大整流电流,I,F,(2)反向击穿电压,U,（BR）,和最高反向工作电压,U,RM,(3),反向电流,I,R,(4)最高工作频率,f,M,(5)极间电容,C,j,在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。,试求下列电路中的电流。（二极管为硅管）,分析、应用举例,二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、,元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,其中：U,S,=5V，R=1K,解：电路中二极管处于导通状态,+,-,U,S,R,I,二极管为电流控制型元件，R是限流电阻。,例1,已知,V,A,=3V，,V,B,=0V，VD,A,、VD,B,为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。,解：VD,A,优先导通，则,V,Y,=30.3=2.7V,VD,A,导通后,VD,B,因反偏而截止,VD,A,起,钳位,作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。,VD,A,12V,Y,A,B,VD,B,R,二极管导通后，管子上的管压降基本恒定。,例2,利用二极管的单向导电性可作为电子开关,v,I1,v,I2,二极管工作状态,D,1,D,2,v,0,0V 0V,导通 导通,导通 截止,截止 导通,截止 截止,0V 5V,5V 0V,5V 5V,0V,0V,0V,5V,求v,I1,和v,I2,不同值组合时的v,0,值（二极管为理想模型）。,解：,例3,两个二极管的阴极接在一起,取 B 点作参考点，,断开二极管,，分析二极管阳极和阴极的电位。,D,2,优先导通，D,1,截止。,若忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,=0 V,电路如左图,D,1,承受电压为6 V,流过 D,2,的电流为,求：,U,AB,B,D,1,6V,12V,3k,A,D,2,U,AB,+,6 V,0 V,12 V,例4,V,R,V,m,v,i,t,0,V,i,V,R,时，二极管导通，,v,o,=v,i,。,V,i,3.6V时，二极管导通，,v,o,=,3.6V。,V,i,V,1,时，,D,1,导通、,D,2,截止，,V,o,=V,1,。,V,i,V,2,时，,D,2,导通、,D,1,截止，,V,o,=V,2,。,V,2,V,i,V,1,时，,D,1,、D,2,均截止，,V,o,=V,i,。,例7,二极管的应用:画输出电压波形.,R,R,L,u,i,u,R,u,o,t,t,t,u,i,u,R,u,o,例8,理解PN结的单向导电性；,2.了解二极管的基本构造、工作原理;,掌握二极管的特性曲线，理解主要参数的意义；,3.会分析含有二极管的电路；,结 束,1.3 特殊二极管,稳压二极管,+,-,1、稳压二极管符号,U,I,U,Z,I,Z,2、稳压二极管特性曲线,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流I,Z,在I,zmax,和,I,zmin,之间时,其两端电压近似为常数,正向同二极管,稳定电流,稳定电压,I,Zmax,I,Zmin,3.主要参数,(1)稳定电压,U,Z,稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(3)动态电阻,(2)稳定电流 I,Z,、,(4)最大允许耗散功率,P,ZM,=,U,Z,I,ZMax,r,Z,愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,U,I,U,Z,I,Z,I,Zmax,I,Zmin,最大稳定电流 I,ZMax,、,最小稳定电流I,Zmin,稳压二极管的应用,I,R,I,z,I,L,U,Z,稳压二极管技术数据为：稳压值U,Z,=10V，I,zmax,=12mA，I,zmin,=2mA，负载电阻R,L,=2k,，输入电压u,i,=12V，限流电阻R=200,。若负载电阻变化范围为1.5 k,4 k,，是否还能稳压？,U,ZW,=10V u,i,=12V,R=200,I,zmax,=12mA,I,zmin,=2mA,R,L,=2k,(1.5 k,4 k,),I,L,=u,o,/R,L,=U,Z,/R,L,=10/2=5（mA）,I,R,=(u,i,-U,Z,)/R=(12-10)/0.2=10(mA）,I,Z,=I,R,-I,L,=10-5=5（mA）,R,L,=1.5 k,I,L,=10/1.5=6.7（mA）,I,Z,=10-6.7=3.3（mA）,R,L,=4 k,I,L,=10/4=2.5（mA）,I,Z,=10-2.5=7.5（mA）,负载变化,但I,Z,仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用,I,R,I,z,I,L,U,Z,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,光电二极管,光电二极管电路,I,U,照度增加,发光二极管,发光二极管,发光二极管电路,频率：,高频管、低频管,功率：,材料：,小、中、大功率管,硅管、锗管,类型：,NPN型、PNP型,半导体三极管是具有电流放大功能的元件,1.3半导体三极管,晶体三极管的结构与符号,发射结,集电结,基极,发射极,集电极,发射区,基区,集电区,三极管放大的外部条件,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,R,C,发射结正偏、集电结反偏,PNP,发射结正偏 U,B,U,E,集电结反偏 U,C,U,E,集电结反偏 U,C,U,B,测量晶体管特性的实验线路,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,I,C,E,B,mA,A,V,U,CE,U,BE,R,B,I,B,E,C,V,+,+,+,+,各电极电流关系及电流放大作用,I,B,(mA),I,C,(mA),I,E,(mA),0,0.02,0.04,0.06,0.08,0.10,0.001,0.70,1.50,2.30,3.10,3.95,I,C,I,C,饱和;U,CES,0.3V称为饱和压降。,2.饱和区,条件:发射结,和集电结均,为正偏.,I,C,(mA ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域中特点:I,B,=0,I,C,=I,CEO,U,BE,I,C,。BE结正偏，BC结正偏，即U,CE,U,BE,（U,CE,0.3V，U,BE,0.7V）,(3)截止区,U,BE,V,b,V,e,放大V,c,V,b,V,e,例3：,测量放大电路中的三极管两个电极的电流，试判断三极管管脚、类型。,例4：,半导体三极管的主要参数,1.电流放大系数，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和,的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且,I,CE0,较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的,值在20-200之间。,在,U,CE,=6 V时，在 Q,1,点,I,B,=40,A,I,C,=1.5mA；,在 Q,2,点,I,B,=60,A,I,C,=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：,=。,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,3,6,I,C,(mA ),1,2,3,4,U,CE,(V),9,12,0,Q,1,Q,2,在 Q,1,点，有,由 Q,1,和Q,2,点，得,例5：,2.集-基极反向截止电流,I,CBO,I,CBO,是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。,温度,I,CBO,I,CBO,A,+,E,C,3.集-射极反向截止电流(穿透电流),I,CEO,A,I,CEO,I,B,=0,+,I,CEO,受温度的影响大。,温度,I,CEO,，,所以,I,C,也相应增加。,三极管的温度特性较差。,I,C,U,CE,=P,CM,I,CM,U,(BR)CEO,安全工作区,I,C,U,CE,O,4.集电极最大允许电流,I,CM,集电极电流,I,C,上升会导致三极管的,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,I,CM,。,5.集-射极反向击穿电压,U,(BR)CEO,当集,射极之间的电压,U,CE,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,。,6.集电极最大允许耗散功耗,P,CM,P,CM,取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。,P,C,P,CM,=,I,C,U,CE,硅管允许结温约为150,C，锗管约为70,90,C。,本课应重点掌握的内容,了解三极管的基本构造、工作原理;,2.掌握三极管的特性曲线，理解主要参数的意义；,3.掌握判断三极管的状态的方法；,结 束,结型场效应管,场效应晶体三极管是由,一种载流子,导电的、用输入,电压控制,输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有自由电子导电的N沟道器件和空穴导电的P沟道器件。,按照场效应三极管的结构划分，有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。,1.结构,1.5 场效应管,2.工作原理,N 沟道,PN结,N沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负电压，栅极与沟道之间的PN结为反偏。,在漏极、源极之间加一定正电压，使N沟道中的多数载流子(电子)由源极向漏极漂移，形成i,D,。i,D,的大小受U,GS,的控制。,P沟道场效应管工作时，极性相反，沟道中的多子为空穴。,2.工作原理,MOS管,（1）结构,P,N,N,G,S,D,P型基底,两个N区,SiO,2,绝缘层,金属层,N沟道,未预留,N沟道增强型,预 留,N沟道耗尽型,金属-氧化物-半导体场效应管,绝缘栅型场效应管Metal Oxide Semiconductor,（2）符号,N沟道,增强型,N沟道,耗尽型,（3）工作原理,P,N,N,G,S,D,N沟道,增强型,N沟道,耗尽型,N沟道MOS管的特性曲线,I,D,mA,V,U,DS,U,GS,实验线路(共源极接法),G,S,D,R,D,P,N,N,G,S,D,N沟道耗尽型,（U,GS,=0时，有I,D,）,G,S,D,0,U,GS（off）,I,D,U,GS,夹断电压,U,GS,有正有负,N沟道增强型,（U,GS,=0时，I,D,=0,）,G,S,D,I,D,U,GS,U,GS（th）,开启电压,U,GS,全正,I,DSS,U,GS,=3V,U,DS,（V）,I,D,（mA）,0,1,3,2,4,U,GS,=4V,U,GS,=5V,U,GS,=2V,U,GS,=1V,开启电压U,GS（th）,=1V,固定一个U,DS,，画出I,D,和U,GS,的关系曲线，称为转移特性曲线,增强型NMOS场效应管输出特性曲线,耗尽型NMOS场效应管,输出特性曲线,U,GS,=0V,U,DS,（V）,I,D,（mA）,0,1,3,2,4,U,GS,=+1V,U,GS,=+2V,U,GS,=-1V,U,GS,=-2V,夹断电压U,P,=-2V,固定一个U,DS,，画出I,D,和U,GS,的关系曲线，称为转移特性曲线,U,GS,=0V,U,DS,（V）,I,D,（mA）,0,1,3,2,4,U,GS,=+1V,U,GS,=+2V,U,GS,=-1V,U,GS,=-2V,g,m,=,I,D,/,U,GS,=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V,U,GS,I,D,夹断区,可变电阻区,恒流区,结 束,理解PN结的单向导电性，三极管的电流放大作用；,了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；,会分析含有二极管的电路；,了解场效应管的工作原理。,注意:对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标 和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,增强型MOS管特性,绝缘栅场效应管,N,沟,道,增,强,型,P,沟,道,增,强,型,耗尽型MOSFET的特性曲线,绝缘栅场效应管,N,沟,道,耗,尽,型,P,沟,道,耗,尽,型,场效应三极管的参数,1.开启电压U,GS(th),开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,2.夹断电压U,GS(off),夹断电压是耗尽型FET的参数，当U,GS,=U,GS(off),时,漏极电流为零。,3.饱和漏极电流,I,DSS,耗尽型场效应三极管,当U,GS,=0时所对应的漏极电流。,4.输入电阻R,GS,结型场效应三极管，反偏时,R,GS,约大于10,7,；绝缘栅型场效应三极管,R,GS,约是10,9,10,15,。,5.跨导,g,m,跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，,g,m,可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。,6.最大漏极功耗,P,DM,最大漏极功耗可由,P,DM,=,U,DS,I,D,决定，与双极型三极管的,P,CM,相当。,场效应晶体管类型,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,N沟道,P沟道,耗尽型,增强型,耗尽型,增强型,N沟道,P沟道,双极型三极管与场效应三极管的比较,双极型三极管 场效应三极管,结构,NPN型 结型 N沟道 P沟道,与,PNP型 绝缘栅 增强型 N沟道 P沟道,分类,C与E一般不可 绝缘栅 耗尽型 N沟道 P沟道,倒置使用 D与S有的型号可倒置使用,载流子,多子扩散少子漂移 多子漂移,输入量,电流输入 电压输入,控制,电流控制电流源 电压控制电流源,温度特性,受温度影响较大 较小,输入电阻,几十到几千欧姆 几兆欧姆以上,静电影响,不受静电影响 易受静电影响,集成工艺,不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,