电子科学与技术课件

1、课堂要求：,必须到课。以随机抽点方式考勤，3次以上不到者取消期末考试资格； 作业必须按时、认真、独立完成。（必须抄题，用尺画图，否则返回重写），缺作业3次以上者取消期末考试资格； 课堂听讲； 实验为6次，任缺1次者考查成绩为不及格； 期末总成绩 = 期末卷面成绩85% + 平时成绩(5%)+实验成绩(10%)；其中平时成绩包括考勤、作业、课堂表现，实验成绩包括实验报告及实验操作等。 每周三的一二节下课后交作业，作业交到图书馆709。,Ch1 半导体二极管及其基本电路 Ch2 双极性三极管及其放大电路 Ch4 功率放大电路 Ch5 集成运算放大器 Ch6 反馈放大电路 Ch7 集成运算放大器的线

2、性应用和非线性应用 Ch8 信号产生电路 Ch9 小功率直流稳压电源,模拟电子技术,数字电子技术,Ch10 数字逻辑基础 Ch11 逻辑门电路基础 Ch12 组合逻辑电路 Ch13 触发器基础 Ch14 时序逻辑电路 Ch15 脉冲波形的产生与整形,1.1 半导体的基本知识 1.2 PN结 1.3 半导体二极管 1.4 半导体二极管的模型及应用 1.5 特殊二极管,第一章 半导体二极管及其基本电路,问题1：各符号的含义？各有什么作用？为什么有这样的作用？,问题2：在外加电压、光照、温度改变等条件下，导体、半导体和绝缘体的表现形式有何异同？为什么？,1.1 半导体基本知识,根据物体导电能力(电阻

3、率)的不同，来划分导体、绝 缘体和半导体。,1.1.1 本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,什么是半导体？什么是本征半导体？,典型的半导体有硅Si和锗Ge（元素半导体）以及砷化镓GaAs（化合物半导体）等。,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,无杂质,稳定的结构,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1.1.1

4、 本征半导体,什么是半导体？什么是本征半导体？,1.本征半导体的共价键结构,2.电子空穴对,3. 空穴的移动,本征半导体化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。,1.1.1 本征半导体,4. 半导体的特性,1.本征半导体的共价键结构,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。,它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。,共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,1.1.1 本征半导体,2.电子空穴对,当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的

5、价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当半导体处于热力学温度0K时，半导体中没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体。,1.1.1 本征半导体,游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。,本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,图1.2 本征激发和复合的过程,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。,1.1.1 本征半导体,3. 载流子的移动,只不过空穴

6、的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,图1.3 空穴在晶格中的移动,自由电子的定向运动形成了电子电流，,空穴的定向运动也可形成空穴电流，,它们的方向相反。,1.1.1 本征半导体,4. 半导体的特性,热敏特性当环境温度升高时，载流子数目增加，导电能力增强；金属没有热敏特性。,1.1.1 本征半导体,光敏特性当光照射半导体时，载流子数目增加，导电能力增强；金属没有光敏特性。,热敏特性和光敏特性使半导体可以用来制作热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。,掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,1.1.2 杂质半导体,1.N型半导体,掺入的杂质主要是三价或五价元素。,2

7、.P型半导体,3.杂质对半导体导电性能的影响,4.杂质半导体的示意表示法,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。,1. N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体，也称电子型半导体。,1.1.2 杂质半导体,自由电子,多数载流子（多子），,主要由杂质原子提供。,空穴,少数载流子（少子）,正离子 施主杂质,N型半导体主要靠自由电子导电，掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强。,由热激发形成。,2. P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。,1.1.2 杂质半导体,由热激发形成

8、。,空穴,多数载流子（多子），,主要由杂质原子提供。,少数载流子（少子）,电子,负离子 受主杂质,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。,3. 杂质对半导体导电性能的影响,一些典型的数据如下:,T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: ni = pi =1.41010/cm3,2,本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3,1,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,4,掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: ni=51016+1.4101051016/cm3,比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。,掺入百万分之一的杂质（1/106），即杂质浓 度为1

9、022（1/106）=1016数量级：51016/cm3,3,1.1.2 杂质半导体,4. 杂质半导体的示意表示法,杂质半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。,近似认为多子与杂质浓度相等。,1.1.2 杂质半导体,结论:,不论P型或N型半导体，掺杂浓度越大，多子数目就越多，多子浓度就越大，少子数目越少，其浓度也小。,在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂 浓度，其值与温度几乎无关，而少子浓度也将 随温度升高而显著增大，直到少子浓度增大与 多子浓度相当（不绝对相等），杂质半导体又 回复到类似的本征半导体。,掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且 即使是少量掺

10、杂，载流子都会有几个数量级的 增加，表明其导电能力显著增大。,小 结,1.半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。 2.在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。 3.本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。 4.P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。 5.半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。,1.2 PN结,1. PN结的形成,2. PN结的单向导电性,3. PN结的电流方程,4. PN结的特性伏安特性,5. PN结的特性温度特性,6. PN结的特性电容特

11、性,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。,1.2 PN结,1. PN结的形成,因内电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结（耗尽层），电位差为Uho，扩散电流和漂移电流大小相等，方向相反，所以对外电流为零。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。,内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N

12、区运动。,1.2 PN结,1. PN结的形成,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,促使少子漂移,阻止多子扩散,浓度差,多子的扩散运动,1.2 PN结,1. PN结的形成,PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,1.2 PN结,2. PN结的单向导电性,单向导电性,PN结两端的外电压 u 与流过它的电流 i 之间的关系,3. PN结的电流方程,IS反向饱和电流,UT= kT/q 温度电压当量，,k为玻耳曼常

13、数,T为热力学温度,q为电子电荷量,T=300K时，UT26mv,1.2 PN结,A,此时PN结导通， u=0.7V, 为导通电压U。,4. PN结的特性伏安特性,1.2 PN结,B,C,（1） u UT ，即PN结正向偏置，,i 随u的增加而呈指数上升。,当u 0.7V后， i的曲线很陡直，基本不随u变化而变化。,（2）当 u UT时,4. PN结的特性伏安特性,1.2 PN结,B,（3）当u 0，且u 超过某一定值， 如 u UBR时，i 则反向剧增，这种现象就叫击穿。,4. PN结的特性伏安特性,1.2 PN结,C,雪崩击穿与齐纳击穿,（1）U(on)随T 而略，当温度进一 步增大到极端

14、，本征 激发占主要地位，杂 质半导体变得与本征 半导体类似，PN结就 不存在了。,5. PN结的特性温度特性,1.2 PN结,因此，PN结正常工作的最高温度： Si：150 200 Ge：75 100,正向区：温度升高，曲线左移,（2）当温度T时， PN结两边的热平衡少子 浓度相应增加，从而导 致PN结的反向饱和电流 IS增大。,5. PN结的特性温度特性,1.2 PN结,正向区：温度升高，曲线左移,反向区：温度升高，曲线下移,实验结果表明：温度再升高10，IS约增加一倍。,（1） 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效

15、电容称为势垒电容Cb。,6. PN结的特性电容特性,1.2 PN结,可制成变 容二极管,（2）扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,6. PN结的特性电容特性,1.2 PN结,结电容 Cj=Cb+Cd,正偏时以Cd为主,其值为几十几百pF; 反偏时以Cb为主,其值为几几十pF.,结电容对低频信号呈现很大的容抗，其作用 可以忽略不计，只有在信号频率较高时才考虑 结电容的作用。,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,1.3 半导体二极管,1.3.1 二极管的结构,1.

16、3.2 二极管的伏安特性,1.3.3 二极管的主要参数,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,点接触型： 结面积小，结电容小 故不能通过较大电流 最高工作频率较高 适用于高频电路和小功率整流,面接触型： 结面积大，结电容大 故允许通过较大电流 最高工作频率较低 仅作为整流管,平面型： 结面积可小、可大 小的工作频率高 大的允许通过较大电流，用作大功率整流,1.3.1 二极管的结构,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,用万用表测二极管极性的方法：,将万用表拨到R100（或R1K）的欧姆档，把二极管的两只管脚分别接到万用表的两根测试笔上，如附图-2所示。如果测出的电阻较小

17、（约几百欧），则与万用表黑表笔相接的一端是阳极，另一端就是阴极。相反，如果测出的电阻较大（约百千欧），那么与万用表黑表笔相连接的一端是阴极，另一端就是阳极。,说明二极管已被击穿。,判别二极管质量的好坏：,一个二极管的正、反向电阻差别越大，,其性能就越好。,如果双向电值都较小，,说明二极管质量差，不能使用。,如果双向阻值都为无穷大，,则说明该二极管已经断路。,如双向阻值均为零，,若显示溢出符号“1”，表明管子处于反向截止状态，黑表笔接的是阳极，红表笔接的是阴极。,利用数字万用表的二极管档也可判别正、负极：,此时红表笔（插在“V”插孔）带正电，黑表笔（插在“COM”插孔）带负电。,用两支表笔分别接

18、触二极管两个电极，若显示值在1V以下，说明管子处于正向导通状态，红表笔接的是阳极，黑表笔接的是阴极。,1.3.2 二极管的伏安特性,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,当0uUon时，正向电流为零，Uon称为死区电压或开启电压。,当uUon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,硅二极管的死区电压Uon=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压Uon=0.1 V左右。,硅二极管的正向导通电压U=0.60.8 V左右， 锗二极管的正向导通电压U=0.10.3 V左右。,1.3.2 二极管的伏安特性,1.单向导电性,（1）正向特性,当uUBR时，反向电流急剧

19、增加，UBR称为反向击穿电压 。,1.2.2 二极管的伏安特性,1.单向导电性,（2）反向特性,当UBRu0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所 不同。 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡， 反向饱和电流也很小，小于0.1A；锗二极管的 反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和 电流较大，约几十A 。,从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|7V时, 主要是雪崩击穿；若|VBR|4V时, 则主要是齐纳击 穿。当在4V7V之间两种击穿都有，有可能获得 零温度系数点。,温度每升高1，正向电压减少22.5m

20、V；,1.3.2 二极管的伏安特性,2.温度对二极管伏安特性的影响,正向区：温度升高，曲线左移,反向区：温度升高，曲线下移,温度每升高10，反向电流约增大一倍。,二极管工作时允许外加的最大反向电压。实际工作时，URM一般取UBR的一半。,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UBR。,二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向整流电流的平均值。,(1) 最大整流电流IF,(2) 反向击穿电压UBR,1.3.3 二极管的主要参数,(3)最大反向工作电压URM,一般是最大反向工作电压下的反向电流值。IR越小，二极管的单向导电性越好。,(5) 最高工作频率fM,二极管工作的上限

21、截止频率。,(4) 反向电流IR,1.3.3 二极管的主要参数,硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路。,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,1.4 半导体二极管的模型及应用,理想 模型,恒压降模型,理想开关 导通时 UD0截止时IS0,导通时UDUon 截止时IS0,折线模型,1.4 半导体二极管的模型及应用,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,试判断二极管是导通还是截止，,(1) 理想模型,等效电路：,理想二极管,设二极管是理想的。,解：,D导通，,相当于导线，,UAO= - 6V,例1电路如图所示，,并求出AO两端电

22、压UAO,0V,-12V,-6V,1.4 半导体二极管的模型及应用,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,解：,多个二极管，,电压大的优先导通。,D1导通，,短路,D2截止，,断路,UAO= 0V,试判断二极管是导通还是截止，,设二极管是理想的。,例2电路如图所示，,并求出AO两端电压UAO,-15V,0V,0V,-12V,1.4 半导体二极管的模型及应用,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,-6V,0V,练习试判断图中二极管是导通还是截止，设二极管是理想的。,0V,-12V,D1、D2均截止,+ 1V -,2.5V,3.5V,1V,D截止,0V,1.4 半导体二极管的模型及应用,1.由伏安特性

23、折线化得到的等效电路,练习试判断图中二极管是导通还是截止，设二极管是理想的。,+ 2V -,2.5V,0.5V,1V,D导通,0V,1.4 半导体二极管的模型及应用,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,UO= - 3V,3V,5V,-3V,D2导通,D1截止，,例3 电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压uo的波形，设D为理想二极管。,解：,ui3V,D截止,uo=ui,ui3V,D导通,uo=3V,单向限幅,1.4 半导体二极管的模型及应用,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,例4 电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压uo的波形，设D为理想二极管。,解：,ui

24、3V,D1导通,D2截止,uo=3V,ui-2V,D1截止,D2导通,uo= -2V,ui3V,-2V,D1截止,D2截止,uo=ui,双向限幅,1.4 半导体二极管的模型及应用,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,(2) 恒压降模型,等效电路：,例5二极管开关电路如图 所示，VI1和VI2分别为0V和 5V，求输出电压VO的值。 设D为硅二极管，导通压降 为0.7V。,解：,D1导通，,D2截止，,VO=0.7,+VI1,=0.7V,0V,5V,1.4 半导体二极管的模型及应用,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,二极管因加正向电压而处于导通状态，,(2) 恒压降模型,1.4 半导体二极管的

25、模型及应用,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,例6 电路如图所示，设D为硅二极管，导通压降UD约为0.7V。试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。,解：,当开关断开时，,UO=V1-UD6-0.7=5.3V,UO=V2=12V,二极管因加反向电压而处于截止状态，,当开关闭合时，,例7 电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压uo的波形，设D为硅二极管，导通压降为0.7V。,解：,ui3.7V,D截止,uo=ui,ui3.7V,D导通,uo=3.7V,1.4 半导体二极管的模型及应用,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,其电流i与u成线性关系，,(3) 折线模型,设二极管正向电

26、压u大于Uon后，,等效电路：,直线斜率为1/rD；,反向截止时反向电流为零。,1.4 半导体二极管的模型及应用,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,例8二极管开关电路如图所示，VI1和VI2分别为0V和 5V，求输出电压VO的值。设D为硅二极管，开启电压Von=0.5V，电阻rD=300。,解：,D1导通，,D2截止，,VO=,6,-0.5,4700,+300,300,= 0.83V,+ 0.5,1.4 半导体二极管的模型及应用,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,例9 电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压uo的波形，设D为硅二极管，开启电压Von=0.5V，电阻rD=200

27、。,解：,ui3.5V,D截止,uo=ui,ui3.5V,D导通,uo=,0.5,+3,ui,-0.5,-3,800,+200,200,=0.2ui +2.8,1.4 半导体二极管的模型及应用,1.由伏安特性折线化得到的等效电路,例9 电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压uo的波形，设D为硅二极管，开启电压Von=0.5V，电阻rD=200。,ui=3.5V,uo=3.5V,ui=4V,uo=3.6V,ui=5V,uo=3.8V,ui=6V,uo=4V,1.4 半导体二极管的模型及应用,2.微变等效电路分析方法,ui为正弦周期信号(小信号)，二极管的工作情况?,直流通路,交流通

28、路,1.4 半导体二极管的模型及应用,2.微变等效电路分析方法,Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,工程上要求|U 5.2mV,1.4 半导体二极管的模型及应用,2.微变等效电路分析方法,1.4 半导体二极管的模型及应用,问题：V=0时，UR的波形？,1. V2V、5V、10V时二极管中的直流电流各为多少？ 2. 若输入电压的有效值为5mV，则上述各种情况下二极管中的交流电流各为多少？,Q,ID,V5V时，,V=10V时，,uD=V-iR,2.微变等效电路分析方法,1.4 半导体二极管的模型及应用,V2V时，,V2V，ID2.6mA,V5V，ID 21.5mA,V10V，ID 50mA,在伏安特性上，Q点越高，二极