第1章基本放大电路知识讲解.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,*,主编 李中发,制作 李中发,2005年1月,电子技术,第1章,半导体器件,学习要点,了解半导体的特性和导电方式，理解,PN,结的单向导电特性,了解半导体二极管、三极管的结构,理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数,理解双极型三极管的放大作用、输入和输出特性曲线及主要参数,了解,MOS,场效应管的伏安特性、主要参数及其与双极型三极管的性能比较,1.1,PN,结,1.2 半导体二极管,1.3 特殊二极管,1.4 双极型三极管,1.5 场效应晶体管,第1章,半导体器件,1.1,PN,结,半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。,1.1.1 半导体的导电特征,半导体,：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(,Si)、,锗(,Ge)。,硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。,（与自由电子的运动不同）,有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。,本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴,热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为,复合,。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。,2,空穴的运动,3.在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强,在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或,N,型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。,（1）N,型半导体,自由电子,多数载流子（简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,（2）P,型半导体,在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或,P,型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。,自由电子,多数载流子（简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,无论是,P,型半导体还是,N,型半导体都是中性的，对外不显电性。,掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。,少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。,半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为,漂移运动,。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为,扩散运动,。,将一块半导体的一侧掺杂成,P,型半导体，另一侧掺杂成,N,型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层,PN,结,。,1,PN,结的形成,1.1.2,PN,结及其单向导电性,多子扩散,形成空间电荷区产生内电场,少子漂移,促使,阻止,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的,PN,结,外加正向电压（也叫正向偏置）,外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，,N,区电子不断扩散到,P,区，,P,区空穴不断扩散到,N,区，形成较大的正向电流，这时称,PN,结处于,导通,状态。,2,PN,结的单向导电性,外加反向电压（也叫反向偏置）,外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流,，,因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称,PN,结处于,截止,状态。,一个,PN,结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。,半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。,点接触型二极管,PN,结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。,面接触型二极管,PN,结面积大，结电容也小，多用在低频整流电路中。,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构,（1）正向特性,外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，,PN,结仍处于截止状态。,正向电压大于死区电压后，正向电流,随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5,V，,锗管约为0.2,V。,外加反向电压时，,PN,结处于截止状态，反向电流,很小。,反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。,（2）反向特性,1.2.2 半导体二极管的伏安特性,（1）最大整流电流,I,OM,：,指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。,（2）反向击穿电压,U,B,：,指管子反向击穿时的电压值。,（3）最大反向工作电压,U,DRM,：,二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为,U,B,的一半）。,（4）最大反向电流,I,RM,：,指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。,（5）最高工作频率,f,m,：,主要取决于,PN,结结电容的大小。,理想二极管,：正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。,1.2.3 半导体二极管的主要参数,稳压管的主要参数：,（1）稳定电压,U,Z,。,反向击穿后稳定工作的电压。,（2）稳定电流,I,Z,。,工作电压等于稳定电压时的电流。,（3）动态电阻,r,Z,。,稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即：,r,Z,=U,Z,/I,Z,（4）额定功率,P,Z,和最大稳定电流,I,ZM,。,额定功率,P,Z,是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流,I,ZM,是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是：,P,Z,=U,Z,I,ZM,稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。,1.3 特殊二极管,1.3.1 稳压管,1.3.2 发光二极管,当发光二极管的,PN,结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。,不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。,发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.53,V）、,反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。,1.3.3 光电二极管,光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的,PN,结时，能激发更多的电子，使之产生更多的电子空穴对，从而提高了少数载流子的浓度。在,PN,结两端加反向电压时反向电流会增加，所产生反向电流的大小与光的照度成正比，所以光电二极管正常工作时所加的电压为反向电压。为使光线能照射到,PN,结上，在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。,1.4 双极型三极管,1.4.1,三极管的结构及类型,半导体三极管是由两个背靠背的,PN,结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为,双极型晶体管,，简称晶体管或三极管。,两个,PN,结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是,N-P-N，,也可以是,P-N-P。,因此，三极管有两种类型：,NPN,型,和,PNP,型,。,NPN,型,PNP,型,箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向,1.4.2,电流分配和电流放大作用,（1）产生放大作用的条件,内部：,a）,发射区杂质浓度基区集电区,b）,基区很薄,外部：发射结正偏，集电结反偏,（2）三极管内部载流子的传输过程,a）,发射区向基区注入电子，形成发射极电流,i,E,b）,电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流,i,B,c）,集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流,i,C,（3）电流分配关系：,i,E,=i,C,+i,B,实验表明,I,C,比,I,B,大数十至数百倍，因而有。,I,B,虽然很小，但对,I,C,有控制作用，,I,C,随,I,B,的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。,1.4.3,三极管的特性曲线,1,输入特性曲线,与二极管类似,2,输出特性曲线,（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置,（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置,（3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置,此时,1.4.4,三极管的主要参数,1、电流放大系数,：,i,C,=,i,B,2、极间反向电流,i,CBO,、,i,CEO,：,i,CEO,=（1+）,i,CBO,3、极限参数,（1）集电极最大允许电流,I,CM,：,下降到额定值,的2/3时所允许的最大集电极电流。,（2）反向击穿电压,U,（BR）CEO,：,基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。,（3）集电极最大允许功耗,P,CM,。,1.5 场效应晶体管,1.5.1,绝缘栅型场效应管的结构,耗尽型,：,U,GS,=0,时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。,增强型,：,U,GS,0,才能在漏、源极之间形成导电沟道。,无论是,N,沟道,MOS,管还是,P,沟道,MOS,管，都只有一种载流子导电，均为单极型电压控制器件。,MOS,管的栅极电流几乎为零，输入电阻,R,GS,很高,1、N,沟道耗尽型场效应管的特性曲线,耗尽型场效应管存在原始导电沟道，,U,GS,=0,时漏、源极之间就可以导电。这时在外加电压,U,DS,作用下的漏极电流称为漏极饱和电流,I,DSS,。,U,GS,0,时沟道内感应出的负电荷增多，沟道加宽，沟道电阻减小，,I,D,增大。,U,GS,0,时会产生垂直于衬底表面的电场。,P,型衬底与绝缘层的界面将感应出负电荷层，,U,GS,增加，负电荷数量增多，积累的负电荷足够多时，两个,N+,区沟通，形成导电沟道，漏、源极之间有,I,D,出现。在一定的漏、源电压,U,DS,下，使管子由不导通转为导通的临界栅、源电压称为开启电压,U,GS(th),。,U,GS,U,GS(th),时，随,U,GS,的增加,I,D,增大。,2、N,沟道增强型场效应管的特性曲线,按场效应管的工作情况可将漏极特性曲线分为两个区域。在虚线左边的区域内，漏、源电压,U,DS,相对较小，漏极电流,I,D,随,U,DS,的增加而增加，输出电阻,r,o,较小，且可以通过改变栅、源电压,U,GS,的大小来改变输出电阻,r,o,的阻值，这一区域称为可变电阻区。在虚线右边的区域内，当栅、源电压,U,GS,为常数时，漏极电流,I,D,几乎不随漏、源电压,U,DS,的变化而变化，特性曲线趋于与横轴平行，输出电阻,r,o,很大，在栅、源电压,U,GS,增大时，漏极电流,I,D,随,U,GS,线性增大，这一区域称为放大区。,综上所述，场效应管的漏极电流,I,D,受栅、源电压,U,GS,的控制，即,I,D,随,U,GS,的变化而变化，所以场效应管是一种电压控制器件。场效应管栅、源电压,U,GS,对漏极,I,D,控制作用的大小用跨导,g,m,表示：,1.5.3,绝缘栅型场效应管的主要参数,