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1、,电 子 技 术 基 础 模拟电子部分主讲:林启国2007年12月,第一讲半导体器件 模拟电子技术主要是讨论常用的半导体器件和常用的功能电路.常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应管、晶闸管。本讲重点介绍常用半导体器件的结构、伏安特性和主要参数。半导体器件是构成电子电路的最基本单元，掌握半导体器件的特征是分析电子电路的基础。常用的功能电路有共射放大器、负反馈放大器、运算放大器、功率放大器、波形发生器、直流电源。本讲重点介绍常用功能电路的组成、工作原理、分析方法。常用功能电路是组成复杂电子电路的基本单元，掌握常用功能电路的分析方法是分析复杂电子电路的基础。,导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称
2、为半导体。本征半导体：纯净的半导体。掺杂半导体：掺入杂质的半导体。1 本征半导体的三个特性(1)、热敏特性（）、光敏特性 在加热或光照加强时，半导体的电阻值显著下降，导电能力增强并类似于导体。半导体具有热敏特性和光敏特性是由半导体的内部结构所决定的。如图1所示。本征激发：本征半导体在受到光照或加热的条件下，少数电子挣脱了共价键的束缚而成为自由电子，与此同时在共价键上形成了数量相等的空穴，即空穴电子对。可见，在半导体导电中，有电子和空穴两种载流子。,一.半导体,（）、杂敏性：在本征半导体中掺入杂质（其他物质的原 子），其电阻值发生显著变化。、掺杂半导体（）、P 型半导体：如果在半导体里掺入少量外
3、层电子只有三个的硼元素，与外层电子数是四个的半导体硅或锗原子组成共价键时，就自然形成一个空穴，这就使半导体中的空穴载流子增多，叫空穴型半导体，简称P型半导体。（）、N型半导体：如果在半导体中掺入少量外层电子为五个的磷元素，在和半导体硅或锗原子组成共价键时，就多出一个电子。这种电子为多数载流子的半导体叫电子型半导体，简称N型半导体。掺杂半导体对外是显电中性的。,（1）.PN结的成因：在一块纯净的半导体硅晶片上，采用特殊的掺杂工艺，在两侧分别掺入三价元素硼和五价元素磷，则一侧形成P型半导体，另一侧形成N型半导体，如图2所示。因载流子的扩散运动，故在P型半导体和N型半导体结合面的两侧分别留下了不能移
4、动的负正离子，呈现出一个空间电荷区，形成了内电场，该电场阻碍了载流子的继续扩散这个空间电荷区就称为PN结。内电场：硅材料为.伏，锗材料为.伏.,3、PN结,PN结的偏置：PN结外加电压PN结正偏（PN）导通，反偏（PN）截止，具有单向导电性。,(2).PN结的单向导电性,1 结构和分类 二极管内部就是一个PN结，PN结具有单向导电性，所以二极管也具有单向导电性。按PN结的接触面大小，二极管可分为点接触型和面接触型。按制造所用的半导体材料，二极管可分为硅管和锗管。按不同的用途，可分为检波管整流管开关管稳压管变容管光电管等。二极管的型号命名：见教材附录如AP6为N型锗材料普通检波二极管,二半导体二
5、极管,1.伏安特性正向特性：导通死区：硅管导通（管）压降（死区电压0、5伏）约为0.7伏,锗管导通压降约为0.3伏 非线性区：近似线性区：反向特性：截止反向击穿：a齐纳击穿:外电场拉出价电子b雪崩击穿：价电子之间的相互撞击ac击穿是可逆的c热击穿：大量的电子不能回到平衡位置C击穿是不可逆的2.主要参数：（1）最大整流电流IF 超过IF二极管的PN结将过热而烧断（2）最高反向工作电压URM 二极管一旦过压击穿损坏，失去了单向导电性。（3）最大反向电流IR这个电流愈小二极管的单向导电性愈好。温升时，IRM增大。,2二极管的 伏安特性和主要参数,结 论：,1、二极管具有单向导电性。2、二极管是非线性
6、元件。3、二极管是温度敏感元件。4、二极管存在死区、非线性区、近似线性 区、电击穿和热击穿。5、二极管存在结电容，分别称为势垒电容和扩散电容，它们都是非线性的。6、二极管具有光敏性。,利用二极管的特性，可实现整流、限幅、钳位、检波、稳压、加速、保护、续流、阻尼、变容、开关、补偿、光控等。1.整流电路 整流电路是利用二极管的单向导电作用，将交流电变成直流电的电路。,3 二极管的应用,全波整流,限幅电路是限制输出信号幅度的电路。,2.限幅电路,钳位电路是使输出电位钳制在某一数值上保持不变的电路。设二极管为理想元件，当输入UAUB3V时，二极管V1，V2正偏导通，输出被钳制在UA和UB上，即UF3V
7、；当UA0V，UB3V，则V1导通，输出被钳制在UFUA0V，V2反偏截止。,3.钳位电路,检波电路是把信号从已调波中检出来的电路。,4.检波电路,1.发光二极管发光二极管正偏导通时发光。2.光电二极管光电二极管光照增强时，外加反偏压作用下，反向电流增加。3.光电耦合器如果把发光二极管和光电二极管组合构成二极管型光电 耦合器件 4.稳压二极管具有稳定电压的作用，工作在反向击穿区。稳压管的主要参数：（1）稳定电压UZ（2）稳定电流IZ（3）动态电阻rZ,特殊二极管,三极管在模拟电子电路中其主要作用是构成放大电路。1 三极管的结构和分类 结构：三个区、二个结、三个电极。分类：三极管如按结构可分为N
8、PN型和PNP型；按所用的半导体材料可分为硅管和锗管；按功率可分为大、中、小功率管；按频率特性可分为低频管和高频管等。,三 三极管,三极管放大条件：发射结正偏，集电结反偏。1.发射区发射电子形成IE 2.基区复合电子形成IB 3.集电区收集电子形成ICIEIBIC IC IB IEIBICIB IB(1)IB 三极管的电流放大作用的实质是以很小的IB控制较大的IC。,2电流分配和放大作用,1.伏安特性（1）输入特性在放大区，硅管的发射结压降UBE一般取0.7V，锗管的发射结压降UBE一般取0.3V。,3 伏安特性和主要参数,（2）输出特性放大区条件：发射结正偏，集电结反偏。特点：IC IB，I
9、C仅由IB决定。截止区条件：两个PN结均反偏。特点是IB0、ICICEO0，无放大作用。饱和区条件：两个PN结均正偏。特点：UCE1V，有IB和IC，但IC IB。IC已不受IB控制，无放大作用。,在收音机的放大电路中，如果测得如图6.17中所示各管脚的电压值，问各三极管分别工作在哪个区？解：图7（a）UBUE，UBUC，两个PN结均正偏，三极管工作在饱和区。图（b）UBUE，UBUC，发射结正偏，集电结反偏，三极管工作在放大区。图（c）UBUE，UBUC，两个PN结均反偏，三极管工作在截止区。,【例1】,（1）电流放大系数 和 共发射极直流电流放大系数共发射极交流电流放大系数ICIB（2）穿
10、透电流ICEO（3）集电极最大允许电流ICM（4）集电极最大允许耗散功率PCM PCUCEIC(5)反向击穿电压U(BR)CEO,2.主要参数,三极管称为电流控制元件；场效应管称为电压控制元件。场效应管具有输入电阻高（最高可达1015）、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点。,四、场效应管,1、结型场效应管（1）、结构,图41结型场效应管的结构示意图及其符号(a)N沟道JFET；(b)P沟道JFET,（2）工作原理 UGS使PN结反偏，当其增大时，耗尽区变宽，导电沟道变窄，电阻变大，ID变小。当其继续增大时，导电沟道为0，ID为0，此时称为夹断;当UGS减小时，导电沟道变宽,电阻变小
11、,ID变大.使ID0时的UGS反偏电压，称为该管的夹断电压，用UGS（off）表示。管子的输入电阻就是反偏的PN结的结电阻，它可达107数量级。,（3）结型场效应管的特性曲线,图32JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线,一、转移特性曲线 转移特性曲线的意义是：在UDS一定时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，即,理论分析和实测结果表明，iD与uGS符合平方律关系，即,二、输出特性曲线 输出特性曲线的意义是：以UGS为参变量时iD与uDS的关系。根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：1.恒流区 恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：
12、(1)当UGSoffUGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系，uGS对iD的控制能力很强。,2.可变电阻区 当uDS很小，|uDS-uGS|UGSoff|时，即预夹断前uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度，从而影响iD的大小。所以在此区域，随着uDS的增大，iD增大很快。与双极型晶体管不同，在JFET中，栅源电压uGS对iD上升的斜率影响较大，随着|UGS|增大，曲线斜率变小，说明JFET的输出电阻 变大。,3.截止区 当|UGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关关闭。4.击穿区 随着uDS增
13、大，靠近漏极的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大，iD迅速增大，|UGS|失去对iD的控制作用。,2、绝缘栅场效应管的结构和符号,绝缘栅场效应管的伏安特性和主要参数,使场效应管刚开始形成导电沟道的临界电压UGS（th），称为开启电压。,转移特性 N沟道增强型MOSFET的转移特性如图6.22(b)所示。其主要特点为：当uGS UGSth时，iD 0，uGS越大，iD也随之增大，二者符合平方律关系:当uGSUGSth时，iD=0。式中：UGSth开启电压(或阈值电压)；n沟道电子运动的迁移率；Cox单位面积栅极电容；W沟道宽度；L沟道长度；W/LMOS管的宽长比。,输出特性 曲线
14、,N沟道增强型MOSFET的输出特性分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：(1)截止区：UGSUGSth，导电沟道未形成，iD=0。(2)恒流区（放大区）：曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。进入恒流区的条件，即预夹断条件为:因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGDUGSth时，靠近漏极的沟道被首先夹断(如图）。此后，UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此基本恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线从此进入恒流区。,N沟道耗尽型 N沟道增强型MOSFET在uGS=0时，管
15、内没有导电沟道。而耗尽型则不同，它在uGS=0时就存在导电沟道。因为这种器件在制造过程中，在栅极下面的SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子(如Na+或K+)，形成许多正电中心。这些正电中心的作用如同加了正栅压一样，在P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场，排斥空穴，吸引电子，从而形成表面导电沟道，称为原始导电沟道。,由于uGS=0时就存在原始沟道，所以只要此时uDS0，就有漏极电流。如果uGS 0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。反之，若uGS 0，则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反，总电场减弱，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当uGS继续变负，等于某一阈值电
16、压时，沟道将全部消失，iD=0，管子进入截止状态。综上所述，N沟道耗尽型MOSFET的转移特性和输出特性如图6、23所示。,当UGS的负值达到某一数值UGS（off）时，导电沟道消失，这一临界电压UGS（off）称为夹断电压。场效应管的主要参数：增强型MOS管的开启电压UGS（th），耗尽型MOS管的夹断电压UGS（off）低频跨导,图6.23N沟道耗尽型MOS管的输出特性,各种场效应管符号的对比,1.场效应管是以UGS控制ID，称电压控制元件；三极管是以IB控制IC，称电流控制元件。2.场效应管的放大系数为gm，三极管的放大系数为。3.场效应管与三极管电极的对应关系为G B、D C、S E。
17、4.绝缘栅场效应管存放时，三个电极应短接在一起，防止外界静电感应电压过高时击穿绝缘层使其损坏。焊接时，烙铁应有良好的接地，最好拔下烙铁电源插头再焊。,4、场效应管与三极管的比较,1.半导体有光敏、热敏和掺杂特性。2.PN结具有单向导电性，PN导通，PN截止。3.二极管的内部就是一个PN结，正向偏置导通，反向偏置截止。4.三极管内部有二个PN结，三极管放大的实质是以很小的基极电流控制较大的集电极电流。发射结正偏，集电结反偏，三极管工作在放大状态，在放大状态时 ICIB IEIBIC（1）IB 5.场效应管是以很小的栅源电压控制较大的漏极电流。场效应管是电压控制元件，三极管是电流控制元件。,本章小结,作业：教材第13面 习题 1 补充：1、PN结是 怎样形成的？2、画出二极管的伏安特性曲线，指出正反向特性。3、二极管有哪些击穿？各是怎样形成的？4、二极管的结电容有哪些？各是怎样形成的？有何特点？5、二极管有哪些应用?各利用其什么特性?,6+2,
