模拟电子技术基础第1章.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,*,*,第一章 半导体二极管、三极管,1.1,半导体二极管,1.2,特种二极管,1.3,双极型半导体三极管,1.1.1,半导体基础知识,1,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有硅（,Si,）、,锗（,Ge,）、,硒（,Se,）,和砷化镓（,GaAs,）,等。,1.1,半导体二极管,5,空穴产生：价电子获得能量挣脱原子核吸引和共价键束缚后留下的空位，空穴带正电。,2,本征半导体：,纯净的不含任何杂质、晶体结构排列整齐的半导体。,3,共价键：相邻原子共有价电子所形成的束缚。,4,半导体中有自由电子和空穴两种载流子参与导电。,图,1,.1.1,共价健结构与空穴产生示意图,6,半导体的特性,7杂质半导体的分类：,(1),N,型半导体(,N-type semiconductor)：,在四价的本征半导体(硅)中掺入微量五价元素,(,磷,),，就形成了,N,型半导体。,(2),P,型半导体,(,P-type semiconductor),：,在四价的本征半导体,(,硅,),中掺入微量三价元素,(,硼,),就形成,P,型半导体。,8,杂质半导体中多数载流子的产生见图,1,.1.2,。,图1,.1.2,掺杂半导体共价健结构示意图,(a)N,型半导体,(b)P,型半导体,9总结：,(1),N,型半导体中自由电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子。,(2),P,型半导体中空穴为多子，自由电子为少子。,(3)杂质半导体中，多子的浓度主要由掺杂浓度决定，而少子只与温度有关。,(4),空位与空穴：,P,型半导体形成共价键过程中所形成的空缺的位子为空位，而邻近共价键中电子填补这一空位而形成的空位称为空穴。,1.1.2,二极管的结构、类型、电路符号,1,通过一定的生产工艺把半导体的,P,区和,N,区部分结合在一起，则它们的交界处就会形成一个具有单向导电性的薄层，称为,PN,结（,PN Juntion,）。,图1,.1.3,二极管内部结构示意图和电路符号,(a),内部结构,(b),电路符号,2,以,PN,结为管芯，在,P,区和,N,区均接上电极引线，并以外壳封装，就制成了半导体二极管，简称二极管（,Diode,）。,3,二极管电路符号：箭头方向表示二极管导通时的电流方向。,4二极管的分类,(1)按所用材料不同划分：硅管和锗管；,(2),按制造工艺不同划分：,点接触型：结电容（,Junction capacitance,）,很小，允许通过的电流也很小（几十毫安以下），适用于高频检波、变频、高频振荡等场合。,2,AP,系列和,2,AK,系列；面接触型：允许通过的电流较大，结电容也大，工作频率较低，用作整流器件。如国产硅二极管,2,CP,和,2,CZ,系列；硅平面型，,2,CK,系列开关管。,图1,.1.4,二极管结构,(a),点接触型,(b),硅面接触型,(c),硅平面型,5国产半导体器件命名方法,。,2,AP9,“,2,”,表示电极数为2,“,A,”,表示,N,型锗材料,“,P,”,表示普通管,“,9,”,表示序号。,查附录表练习：说明半导体器件的型号,2,AP8A,和,2,CZ82F,各部分的含义。,1.1.3,二极管的伏安特性,一、二极管的单向导电性,图,(,a),中的开关闭合，灯亮，大电流；图,(,b),开关闭合，灯不亮，电流几乎为零。,图1,.1.5,半导体二极管单向导电性实验,（,a),二极管正向偏置,（,b),二极管反向偏置,二极管阳极电位高于阴极电位，称为二极管(,PN,结)正向偏置，简称正偏(,Forward bias)；,二极管阳极电位低于阴极电位，称为二极管(,PN,结)反向偏置，简称反偏(,Reverse bias)。,二极管正偏导通，反偏截止的这种特性称为单向导电性,(,Onilateral conductivity),；,二、二极管的伏安特性(,Volt-ampere characteristics),二极管的伏安特性曲线如图1,.1.6,所示，分为三部分：,(,a),正向特性：,OA,段为死区，此时正偏电压称为死区电压,U,th，,硅管0.5,V，,锗管0.1,V。AB,段为缓冲区。,BC,段为正向导通区。当,u,U,th,时，二极管才处于完全导通状态，导通电压,U,F,基本不变。硅管为0.70.8,V,一般取0.7,V，,锗管为0.20.3,V，,通常取0.2,V。,当二极管为理想二极管时，,U,F=0。,(b),反向特性：如图,OD,段所示，二极管处于截止状态，在电路中相当于开关处于关断状态。,(,c),反向击穿特性：如图所示，反向电流在,E,处急剧上升，这种现象称之为反向击穿（,Reverse breakdown），,此时所对应的电压为反向击穿电压,U,BR。,对于非特殊要求的二极管，反向击穿时会使二极管,PN,结过热而损坏。,图1,.1.6,半导体二极管伏安特性,1.1.4,温度对二极管特性的影响,1,、,温度升高,1,，硅和锗二极管导通时的正向压降,U,F,将减小,2.5,mv,左右。,2,、,温度每升高,10,，反向电流增加约一倍。,3,、温度升高,U,BR,下降。,1.1.5,二极管主要参数,1,最大整流电流,I,F,I,F,为指二极管长期运行时允许通过的最大正向直流电流。,I,F,与,PN,结的材料、面积及散热条件有关。大功率二极管使用时，一般要加散热片。在实际使用时，流过二极管最大平均电流不能超过,I,F,，,否则二极管会因过热而损坏。,2最高反向工作电压,U,RM,（,反向峰值电压）,U,RM,为二极管在使用时允许外加的最大反向电压。,U,RM,=,U,BR,。,在实际使用时，二极管所承受的最大反向电压值不应超过,U,RM,，,以免二极管发生反向击穿。,3反向电流,I,R,I,R,是指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。,4最高工作频率,二极管的工作频率若超过一定值，就可能失去单向导电性，这一频率称为最高工作频率。,主要由,PN,结的结电容的大小来决定。点接触型二极管结电容较小，可达几百兆赫兹。面接触型二极管结电容较大，只能达到几十兆赫兹。,1.1.6,二极管的应用,一、二极管限幅电路,1.,单向限幅电路,图,1.1.7,单向限幅电路,（,a,）电路图 （,b,）波形图,2,.,双向限幅电路,图,1.1.8,双向限幅电路,（,a,）电路图 （,b,）波形图,二、低电压稳压电路,图,1.1.9,二极管构成的稳压电路,利用半导体二极管在正偏导通时导通电压基本不变的特性,可组成低电压稳压电路，电路如图,1.1.9,所示。图中,R,为限流电阻，,防止二极管过流而损坏。若,VD1,、,VD2,为硅管，,U,O=1.4V,。,附：二极管引脚识别及性能简易测试,二极管性能简易测试示意图,可使用万用表电阻档通过测量二极管的正、反向电阻值，来判别其阳极、阴极。,可使用万用表,R,1k,、,R,100,档对二极管性能进行简易测试。,1.2.1,稳压二极管（,Voltage regulator diode,）,稳压二极管就是通过半导体特殊工艺处理后，使它具有很陡峭的反向击穿特性的二极管。又称齐纳二极管（,Zener diode,），,简称稳压管。稳压二极管的电路符号与其伏安特性如图,1,.2.1,所示。常用稳压二极管有,2,CW,和,2,DW,系列。,1.2,特种二极管,图1,.2.1,稳压二极管电路符号与伏安特性,（,a),电路符号,（,b),伏安特性,稳压二极管实物图,1,稳压管的工作条件：,(1),外加电压反偏且大于反向击穿电压，即工作在反向击穿区。,(2)工作电流,I,必须满足：,I,Z,I,I,Zmax,。,2稳压管主要参数,(1)稳定电压,U,Z,它是指稳压管中电流为规定值,I,Z,时的反向击穿电压。,(2)稳定电流,I,Z,它是指保持稳定电压,U,Z,时的电流。也就是管子的最小稳定电流,I,Zmin,I,Z,。,当反向击穿电流小于,I,Zmin,时，管子不能稳压或效果不好。,(3)最大耗散功率,P,M,和最大工作电流,I,ZM,P,M,为稳压管所允许的最大功率，,I,ZM,为稳压管允许流过的最大工作电流，超过,P,M,或,I,ZM,时，管子因温度过高而损坏。,P,M,U,Z,I,ZM,(4)动态内阻,r,Z,它是指稳压管两端电压变化量,U,Z,与相应电流变化量,I,Z,之比值。它反映管子的稳压性能，,r,Z,越小，稳压性能越好。,(5)稳定电压的温度系数,C,TV,稳压管中流过的电流为,I,Z,时，环境温度每变化,1,，,稳定电压相对变化量（用百分数表示）称为稳定电压的温度系数。它表示温度变化对稳定电压,U,Z,的影响程度。,通常,U,Z,5V,的稳压管具有负温度系数，,U,Z,8V,的稳压管具有正温度系数，而,U,Z,在,6,V,左右时稳压管（如,2,DW7,型）的温度系数最小。,1.2.2,变容二极管,1,变容二极管原理、电路符号,变容二极管是利用,PN,结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的。其电路符号如图1,.2.2,所示。,图1,.2.2,变容二极管电路符号,2,用途,它主要在高频电路中用作自动调谐、调频、调相等，例如在电视接收机的调谐回路中作可变电容等。,1.2.3,肖特基二极管,肖特基二极管是利用金属和,N,型或,P,型半导体接触形成具有单向导电性的二极管，因此也称金属半导体二极管。,其电路符号如图1,.2.3,所示。,图1,.2.3,变容二极管电路符号,它在数字集成电路中与晶体三极管做在一起，形成肖特基晶体管，以提高开关速度。还可用作高频检波和续流二极管等。,1.2.4,快速恢复二极管,快速恢复二极管电路符号如图,1.2.4,所示，它与普通二极管相似，但制造工艺与普通二极管有所不同，在靠近,PN,结的掺杂浓度很低，以此获得较高开关速度和较低的正向压降。它的反向恢复时间为,200750nS,，高速的可达,10nS,，与肖特基二极管相比，其耐压值要高得多。,它主要用作高速整流元件，在开关电源和逆变电源中作整流二极管，以降低关断损耗，提高效率和减小噪声。,图1,.2.4,变容二极管电路符号,1.2.5 SMT,与微型二极管简介,图,1.2.5,圆柱型微型二极管,图,1.2.7 SOT-23,封装型二极管内部结构,图,1.2.6 SOT-23,封装微型二极管,微型元器件实物图,半导体三极管分为双极型三极管(Bipolar junction transistor，BJT)和单极型三极管。,双极型三极管又称为晶体三极管，简称三极管(或晶体管)，它是多数载流子与少数载流子均参与导电的三极管。,单极型三极管又称为场效应管(Field effect transistor，FET)，它工作时只有多数载流子参与导电。,1.3,半导体三极管,1三极管的分类,(1)按结构,(,导电类型,),划分：,NPN,和,PNP。,(2),按所用半导体材料划分：硅管和锗管。,(3)按用途划分：放大管和开关管。,(4)按工作频率划分：低频管和高频管。,(5)按功率大小划分：小功率管、中功率管、大功率管。,1.3.1,三极管的结构、电路符号及分类,2三极管的结构、电路符号,三极管结构与符号如图,1.3.1,所示。它们有三区：集电区、基区、发射区；三极：各对应引出的电极分别称为集电极,c（Collector）、,基极,b（Base）,和发射极,e（Emitter）；,两结：发射区与基区之间的,PN,结称为发射结,Je，,基区与集电区之间的,PN,结称为集电结,Jc。,图,1.3.1,三极管的内部结构与符号,（,a）NPN,型 （,b）PNP,型,三极管实物图片,注意：,(1)两种管子的电路符号用发射极箭头方向的不同以示区别，箭头方向表示发射结正偏时发射极电流的实际方向。,(2)三极管具有信号放大作用。,(3)保证放大的制造工艺：基区很薄且掺杂浓度低，发射区掺杂浓度高，集电结的面积比发射结的面积大等。,(4)在使用时三极管的发射极和集电极不能互换。,3,三极管命名方法参阅附录,。,查表练习：,3,AX85C,、,3DX200B,、,3AK10,、,3AG53E,、,3AD50A,、,3DD101C,。,1.3.2,三极管的电流放大作用及其放大的基本条件,一、三极管各电极上的电流分配,NPN,型三极管的电流分配实验电路如图,1.3.2,所示，图中，,I,B,为基极电流，,I,C,为集电极电流，,I,E,为发射极电流，它们的方向如图中箭头所示。,U,BE,为发射结的正偏压，,U,CE,为集电极与发射极之间的电压。,图,1.3.2,三极管电流分配实验电路,调节实验电路的电位器,R,P,可以改变,U,BE,并产生相应的基极电流,I,B,，,而,I,B,的变化又将引起,I,C,和,I,E,的变化。每产生一个,I,B,值，就有一组,I,C,和,I,E,值与之对应，该实验所得数据见表,1.3.1,。,由上表得出规律：,I,E,=,I,B,+,I,C,，,即发射极电流等于基极电流与集电极电流之和。,表,1.3.1,三极管三个电极上的电流分配,二、三极管的电流放大作用,由表,1.3.1,可知，当,I,B,从0.02,mA,变化到0.03,mA,时，,I,C,随之从1.14,mA,变化到了1.74,mA，,则两变化量之比（1.74-1.14）/（0.03-0.02）=60，说明此时三极管,I,C,的变化量为,I,B,的变化量的60倍。,（1）三极管的电流放大作用就是基极电流,I,B,的微小变化控制了集电极电流,I,C,较大的变化。,（2）三极管放大电流时，被放大的,I,C,是由电源,V,CC,提供的，并不是三极管自身生成的，放大的实质是小信号对大信号的控制作用。,（,3,）三极管是一种电流控制器件。,三、三极管放大的基本条件,（1）放大的偏置条件：,Je,正偏，,Jc,反偏。,（,2,）,NPN,管具有放大作用时的电位关系：,U,C,U,B,U,E,；,PNP,管：,U,C,U,B,U,E,。,1.3.3,三极管的输入、输出特性曲线,三极管的各个电极上电压和电流之间的关系曲线称为三极管的伏安特性曲线或特性曲线。常用的是输入特性曲线和输出特性曲线。三极管在电路中的连接方式（组态）不同，其特性曲线也不同。用,NPN,型管组成的共射特性曲线测试电路如图,1.3.3,所示。,图,1.3.3,三极管共射特性曲线测试电路,一、输入特性曲线（,Input characteristic curves）,共射输入特性曲线方程式：,i,B,=,f,(,u,BE,),u,CE,=,常数。,图,1.3.4,为,NPN,型硅管,3,DG4,的共射输入特性曲线。,(1),u,CE,0：c,极与,b,极相连，相当于两个二极管并联，输入特性曲线与二极管伏安特性曲线的正向特性相似。(2),u,CE,1V：,曲线右移。(3),u,CE,1V：,曲线与,u,CE,=1V,时的曲线近乎重合。实际中，通常就用,u,CE,1V,这条曲线来代表。(4),三极管放大状态的依据：硅管,u,BE,=,0.7V,，,锗管,u,BE,=,0.2V,。,图,1.3.4,共射输入特性曲线,二、输出特性曲线,（,Output characteristic curves,）,1,方程,输出特性曲线方程式：,i,C,=f(u,BE,),i,B,=,常数。,2输出特性曲线测试,测试时，先调节,R,P1,使,i,B,为某一值固定不变，再调节,R,P2,，,得到与之对应的,u,CE,和,i,C,值，根据所对应的值可在直角坐标系中画出一条曲线。重复上述步骤，可得不同,I,B,值的曲线族，如图,1.3.5,所示。,图,1.3.5,共射输出特性曲线,由图可知：,(1)曲线起始部分较陡，且不同,i,B,曲线的上升部分几乎重合。,(2)对一条曲线而言，,u,CE,增大，,i,C,增大，但当,u,CE,大于0.3,V,左右以后，曲线较平坦，只略有上翘。这说明三极管具有恒流特性。,(3),输出特性曲线不是直线，是非线性的，说明三极管是一种非线性器件。,3三极管输出特性曲线的四个区,(1),放大区（,Active region,）,(2)饱和区（,Saturation region,）,(3),截止区,(,Cutoff region),(4),击穿区,(,Breakdown region),4,PNP,管特性曲线,由于电源电压极性和电流方向不同，,PNP,管与,NPN,管的特性曲线是相反、“倒置”的。,1.3.4,三极管的主要参数及温度对特性的影响,三极管的参数用来表征管子性能优劣和适用范围，它是合理选用三极管的依据。,一、,电流放大系数（,Current amplification factor,）,电流放大系数是表征三极管放大能力的参数。电路工作状态有两种：电路无交流信号输入而工作在直流状态时，称为静态；电路有交流信号输入而工作在交流状态时，称为动态。,1,.,共射电流放大系数,前者反映静态时集电极电流与基极电流之比值；而后者反映动态时的电流放大作用。,2,.,与温度的关系,温度升高，,值增大。每升高,1,，,值增加,0.5%,1%,，反映在输出特性曲线上就是各条曲线的间距增大。,3.,共基极电路电流放大系数,在共基极电路（即信号从发射极输入，集电极输出，基极为输入输出的公共端）中，三极管的集电极电流,I,C,与发射极电流,I,E,之比称为共基极电路直流电流放大系数。,，即,常数,二、,极间反向电流,极间反向电流是由少数载流子形成的，其大小表征了管子的温度特性。,（1）,I,CBO,指发射极开路时，集电极和基极之间的反向饱和电流。,I,CBO,很小，温度升高，,I,CBO,增加。一般硅管热稳定性比锗管好。图,1.3.6,（,a,）为该参数的测试电路。,（,2,）,I,CEO,是指基极开路时，集电极和发射极之间的反向饱和电流，又称为穿透电流。,I,CEO,=(1+,),I,CBO,，,图,1.3.6,极间反向电流的测量,（,a),测量,I,CBO,的电路,（,b),测量,I,CEO,的电路,三、,极限参数,（1）集电极最大允许电流,I,CM,(Maximum allowable collector current)：,是指当,下降到正常,值的,2/3,时所对应的,I,C,值。当,I,C,超过这个值时，放大性能下降或损坏管子。,（3）集电极最大允许耗散功率,P,CM,(Maximum allowable power dissipation)：,P,CM,的大小主要决定于允许的集电结结温。一般硅管约为,150,，锗管约为,70,。显然，,P,CM,的大小与管子的散热条件及环境温度有关。且,P,CM,=,i,C,u,CE,，,由此可画出三极管的安全工作区。,（2）,反向击穿电压（,Reverse breakdown voltage）,U,(BR)CBO：,发射极开路时，集电极基极之间允许施加的最高反向电压，超过此值，集电结发生反向击穿。,U,(BR)EBO：,集电极开路时，发射极基极之间允许施加的最高反向电压。,U,(BR)CEO,：,基极开路时，集电极与发射极之间所能承受的最高反向电压。为可靠工作，使用时,V,CC,取,U,(BR)CEO,的,1/2,或,2/3,。在输出特性曲线中，,i,B,0,的曲线开始急剧上翘所对应的电压即为,U,(BR)CEO,，,其值比,U,(BR)CBO,小。,T,，,U,(BR),。,图,1.3.7,三极管的安全工作区,1.3.5,微型三极管简介,图,1.3.8,微型三极管外形尺寸,（,a,）,SOT-23,封装外形尺寸,(b)SOT-143,封装外形尺寸,附：三极管的引脚判别及性能检测,（一）晶体三极管的引脚判别,用万用表测三极管示意图,1,、基极的判别,2,、集电极、发射极的判别,（二）用万用表粗测晶体三极管性能,1,、晶体三极管极间电阻的测量,2,、晶体三极管穿透电流的估测,3,、电流放大系数,值的估测,