模拟电子技术童诗白版市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx
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1、第一章常用半导体器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莆田学院三电教研室模拟电路多媒体课件多媒体教学课件多媒体教学课件模拟电子技术基础模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronics童诗白、华成英主编童诗白、华成英主编第1页1.成绩评定标准成绩评定标准 理论:理论:平时成绩平时成绩30作业、期中考、考勤、提问作业、期中考、考勤、提问 等等 期末考试期末考试70%2.教学参考书教学参考书 康华光主编,电子技术基础康华光主编,电子技术基础 模拟部分模拟部分 第三版,高教出版社第三版,高教出版社 童诗白主编,模拟电子技术基础童诗白主编,模拟电
2、子技术基础 第二版,高教出版社第二版,高教出版社 陈大钦主编,模拟电子技术基础问答:例题陈大钦主编,模拟电子技术基础问答:例题 试题,华工出版社试题,华工出版社 前言前言第2页第第四四版版童童诗诗白白目录目录1 惯用半导体器件惯用半导体器件2 基本放大电路基本放大电路3 多级放大电路多级放大电路4 集成运算放大电路集成运算放大电路5 放大电路频率响应放大电路频率响应6 放大电路中反馈放大电路中反馈7 信号运算和处理信号运算和处理8 波形发生和信号转换波形发生和信号转换9 功率放大电路功率放大电路10 直流稳压电源直流稳压电源第3页第第三三版版童童诗诗白白第一章第一章 惯用半导体器件惯用半导体器
3、件 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 双极型晶体管双极型晶体管 1.4 场效应管场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管 1.6集成电路中元件集成电路中元件第4页第第三三版版童童诗诗白白本章重点和考点:本章重点和考点:1.二极管单向导电性、稳压管原理。二极管单向导电性、稳压管原理。2.三极管电流放大原理,三极管电流放大原理,怎样判断三极管管型怎样判断三极管管型、管脚和管材。、管脚和管材。3.场效应管分类、工作原理和特征曲线。场效应管分类、工作原理和特征曲线。第5页第第三三版版童童诗诗白白本章讨论问题:本章讨论问题:2.空穴是一个载流子
4、吗?空穴导电时电子运动吗空穴是一个载流子吗?空穴导电时电子运动吗?3.什么是什么是N型半导体?什么是型半导体?什么是P型半导体?型半导体?当二种半导体制作在一起时会产生什么现象?当二种半导体制作在一起时会产生什么现象?4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗?它为何含有结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗?它为何含有单向性?在单向性?在PN结中另反向电压时真没有电流吗?结中另反向电压时真没有电流吗?5.晶体管是经过什么方式来控制集电极电流?场效应晶体管是经过什么方式来控制集电极电流?场效应管是经过什么方式来控制漏极电流?为何它们都能管是经过什么方式来控制漏极电流?为何它们都能够用于放大?够用于
5、放大?1.为何采取半导体材料制作电子器件?为何采取半导体材料制作电子器件?第6页1.1 半导体基础知识半导体基础知识导体:体:自然界中很自然界中很轻易易导电物物质称称为导体体,金属普,金属普通都是通都是导体。体。绝缘体:体:有物有物质几乎不几乎不导电,称,称为绝缘体体,如橡皮、,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。陶瓷、塑料和石英。半半导体:体:另有一另有一类物物质导电特征特征处于于导体和体和绝缘体之体之间,称,称为半半导体体,如,如锗、硅、砷化、硅、砷化镓和一和一些硫化物、氧化物等。些硫化物、氧化物等。一、一、导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体PNJunction第7页 半导体半导体导电机理不一
6、机理不一样于其它物于其它物质,所以它,所以它含有不一含有不一样于其它物于其它物质特点。比如:特点。比如:当受外界当受外界热和光作用和光作用时,它它导电能力能力显著改著改变。往往纯净半半导体中体中掺入一些入一些杂质,会,会使它使它导电能力和内部能力和内部结构构发生改生改变。光敏器件光敏器件二极管二极管第8页+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完完全全纯纯净净、不不含含其其它它杂杂质质且且含含有有晶晶体体结结构构半半导导体体称称为为本征半导体本征半导体 将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体,它它原原子子结结构构为为共共价键结构。价键结构。价价电电子子共共价价键键图图 1.1.
7、1本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图二二、本征半、本征半导体体晶体晶体结构构当当温温度度 T=0 K 时时,半半导导体不导电,如同绝缘体。体不导电,如同绝缘体。第9页+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 1.1.2本征半导体中本征半导体中 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ,将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键束束缚缚成成为为自自由由电电子子,在在原原来来共共价价键键中留下一个空位中留下一个空位空穴。空穴。T 自自由由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体含含有有导导电电能能力力,但很微弱。但很微弱。空空穴穴可可看看成成带带正正电电载载
8、流子。流子。三三、本征半、本征半导体体中两种载流子中两种载流子(动画1-1)(动画1-2)第10页四、本征半本征半导体中体中载流子浓度载流子浓度在一定温度下在一定温度下本征半本征半导体中体中载流子浓度是一定,而且载流子浓度是一定,而且自由电子与空穴浓度相等。自由电子与空穴浓度相等。本征半本征半导体中体中载流子浓度公式:载流子浓度公式:T=300 K室温下室温下,本征硅电子和空穴浓度本征硅电子和空穴浓度:n=p=1.431010/cm3本征锗电子和空穴浓度本征锗电子和空穴浓度:n=p=2.381013/cm3ni=pi=K1T3/2 e-EGO/(2KT)本征激发本征激发(见动画见动画)复合复合
9、动态平衡动态平衡第11页1.半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电带负电自由电子自由电子带正电带正电空穴空穴 2.本本征征半半导导体体中中,自自由由电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对出出现现,称为称为 电子电子-空穴对。空穴对。3.本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴浓度浓度用用 ni 和和 pi 表示,显然表示,显然 ni=pi。4.因因为为物物质质运运动动,自自由由电电子子和和空空穴穴不不停停产产生生又又不不停停复复合合。在在一一定定温温度度下下,产产生生与与复复合合运运动动会会到到达平衡,载流子浓度就一定了。达平衡,载流子浓度就一定了。5.载载流流子子浓浓度度与与温
10、温度度亲亲密密相相关关,它它伴伴随随温温度度升升高,基本按指数规律增加。高,基本按指数规律增加。小结小结第12页1.1.21.1.2杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体一、一、N 型半导体型半导体(Negative)在在硅硅或或锗锗晶晶体体中中掺掺入入少少许许 5 价价杂杂质质元元素素,如如磷磷、锑锑、砷砷等等,即即组组成成 N 型型半半导导体体(或或称称电电子子型型半导体半导体)。惯用惯用 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。第13页 本本征征半半导导体体掺掺入入 5 价价元元素素后后,原原来来晶晶体体中中一一些些硅
11、硅原原子子将将被被杂杂质质原原子子代代替替。杂杂质质原原子子最最外外层层有有 5 个个价价电电子子,其其中中 4 个个与与硅硅组组成成共共价价键键,多多出出一一个个电电子子只只受受本本身原子核吸引,在室温下即可成为自由电子。身原子核吸引,在室温下即可成为自由电子。第14页+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子图图 1.1.3N 型半导体型半导体5 价杂质原子称为价杂质原子称为施主原子。施主原子。第15页 自由电子浓度远大于空穴浓度,即自由电子浓度远大于空穴浓度,即 n p。电子称为多数载流子电子称为多数载流子(简称多子简称多子),空穴称为少数载流子空穴称为少数
12、载流子(简称少子简称少子)。第16页二、二、P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在在硅硅或或锗锗晶晶体体中中掺掺入入少少许许 3 价价杂杂质质元元素素,如如硼硼、镓、铟等,即组成镓、铟等,即组成 P 型半导体型半导体。+3空空穴穴浓浓度度多多于于电电子子浓浓度度,即即 p n。空空穴穴为为多多数数载载流流子子,电电子子为为少数载流子。少数载流子。3 价价杂杂质质原原子子称称为为受受主原子。主原子。受主受主原子原子空穴空穴图图 1.1.4P 型半导体型半导体第17页说明:说明:1.掺掺入入杂杂质质浓浓度度决决定定多多数数载载流流子子浓浓度度;温温度度决决定定少数载流子浓度。少
13、数载流子浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体表示方法以下列图所表示。杂质半导体表示方法以下列图所表示。2.杂杂质质半半导导体体载载流流子子数数目目要要远远远远高高于于本本征征半半导导体体,因而其导电能力大大改进。因而其导电能力大大改进。(a)N 型半导体型半导体(b)P 型半导体型半导体图图 杂质半导体简化表示法杂质半导体简化表示法第18页 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为 P 型型半半导导体体,另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为 N 型型半半导导体体,两两个个区区域域交交界界处处就就形形成成了了一一个特殊薄层,个特殊薄层,称为
14、称为 PN 结结。PNPN结结图图 PN 结形成结形成一、一、PN 结形成结形成1.1.3PN结结第19页 PN 结中载流子运动结中载流子运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.扩散运动扩散运动2.扩扩散散运运动动形成空间电荷区形成空间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载流子扩散运动。载流子扩散运动。PN 结结,耗耗尽层。尽层。PN(动画1-3)第20页3.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒电位壁垒;内电场内电场;内电场阻止多子扩散;内电场阻止多子扩
15、散 阻挡层阻挡层。4.漂移运动漂移运动内内电电场场有有利利于于少少子子运运动动漂漂移。移。少少子子运运动动与与多多子子运运动动方方向向相相反反 阻挡层阻挡层第21页5.扩散与漂移动态平衡扩散与漂移动态平衡扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐步减小;扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐步减小;伴随内电场增强,漂移运动逐步增加;伴随内电场增强,漂移运动逐步增加;当当扩扩散散电电流流与与漂漂移移电电流流相相等等时时,PN 结结总总电电流流等等于于零,空间电荷区宽度到达稳定。零,空间电荷区宽度到达稳定。即即扩散运动与漂移运动到达动态平衡。扩散运动与漂移运动到达动态平衡。PN第22页二、二、PN 结单向
16、导电性结单向导电性1.PNPN结结结结 外加正向电压时处于导通状态外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置,简称正偏。又称正向偏置,简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRI空间电荷区变窄,有利空间电荷区变窄,有利于扩散运动,电路中有于扩散运动,电路中有较大正向电流。较大正向电流。图图 1.1.6PN第24页在在 PN 结加上一个很小正向电压,即可得到较大正向结加上一个很小正向电压,即可得到较大正向电流,为预防电流过大,可接入电阻电流,为预防电流过大,可接入电阻 R。2.PN PN 结结结结外加反向电压时处于截止状态外加反向电压时处于截止状态(反偏反偏)反反向向接接法法
17、时时,外外电电场场与与内内电电场场方方向向一一致致,增增强强了了内内电电场作用;场作用;外电场使空间电荷区变宽;外电场使空间电荷区变宽;不不利利于于扩扩散散运运动动,有有利利于于漂漂移移运运动动,漂漂移移电电流流大大于于扩扩散电流,电路中产生反向电流散电流,电路中产生反向电流 I;因为少数载流子浓度很低,反向电流数值非常小。因为少数载流子浓度很低,反向电流数值非常小。第25页耗尽层耗尽层图图 1.1.7PN 结加反相电压时截止结加反相电压时截止 反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感,伴随温度升高,伴随温度升高,IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向
18、外电场方向内电场方向内电场方向VRIS第26页 当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时,回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大正正向向电流,电流,PN 结处于结处于 导通状态导通状态;当当 PN 结结反反向向偏偏置置时时,回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小,几乎等于零,几乎等于零,PN 结处于结处于截止状态截止状态。(动画1-4)(动画1-5)总而言之:总而言之:可见,可见,PN 结含有结含有单向导电性单向导电性。第27页IS:反向饱和电流:反向饱和电流UT:温度电压当量:温度电压当量在常温在常温(300 K)下,下,UT 26 mV三、三、PN 结电流方程结电流方程PN结所加端电压结所
19、加端电压u与流过电流与流过电流i关系为关系为公式推导过程略公式推导过程略第28页四、四、PN结伏安特征结伏安特征i=f(u)之间关系曲线。之间关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/mAu/V正向特征正向特征死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特征反向特征图图 1.1.10PN结伏安特征结伏安特征反向击穿反向击穿第29页五、五、PN结电容效应结电容效应当当PN上电压发生改变时,上电压发生改变时,PN 结中储存电荷量结中储存电荷量将随之发生改变,使将随之发生改变,使PN结含有电容效应。结含有电容效应。电容效应包含两部分电容效应包含两部分势垒电容势垒电容
20、扩散电容扩散电容1.势垒电容势垒电容Cb是由是由 PN 结空间电荷区改变形成。结空间电荷区改变形成。(a)PN 结加正向电压结加正向电压(b)PN 结加反向电压结加反向电压 N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+UV第30页空空间间电电荷荷区区正正负负离离子子数数目目发发生生改改变变,如如同同电电容容放放电电和充电过程。和充电过程。势垒电容大小可用下式表示:势垒电容大小可用下式表示:因因为为 PN 结结 宽宽度度 l 随随外外加加电电压压 u 而而改改变变,所所以以势势垒垒电电容容 Cb不不是是一一个个常常数数。其其 Cb=f(U)曲线如图示。曲线如图示。:半导体材料
21、介电比系数;:半导体材料介电比系数;S:结面积;:结面积;l:耗尽层宽度。:耗尽层宽度。OuCb图图 1.1.11(b)第31页2.扩散电容扩散电容 Cd Q是由多数载流子在扩散过程中积累而引发。是由多数载流子在扩散过程中积累而引发。在在某某个个正正向向电电压压下下,P 区区中中电电子子浓浓度度 np(或或 N 区区空空穴穴浓浓度度 pn)分布曲线如图中曲线分布曲线如图中曲线 1 所表示。所表示。x=0 处处为为 P 与与 耗耗尽层交界处尽层交界处当当电电压压加加大大,np(或或 pn)会会升升高高,如曲线如曲线 2 所表示所表示(反之浓度会降低反之浓度会降低)。OxnPQ12 Q当当加加反反
22、向向电电压压时时,扩扩散散运运动动被被减减弱弱,扩散电容作用可忽略。扩散电容作用可忽略。Q正正向向电电压压改改变变时时,改改变变载载流流子子积积累累电电荷荷量量发发生生改改变变,相相当当于于电电容容器器充充电电和和放电过程放电过程 扩散电容效应。扩散电容效应。图图 1.1.12PNPN 结结第32页总而言之:总而言之:PN 结总结电容结总结电容 Cj 包含势垒电容包含势垒电容 Cb 和扩散电容和扩散电容 Cd 两部分两部分。Cb 和和 Cd 值值都都很很小小,通通常常为为几几个个皮皮法法 几几十十皮皮法法,有些结面积大二极管可达几百皮法。有些结面积大二极管可达几百皮法。当反向偏置时,势垒电容起
23、主要作用,能够认为当反向偏置时,势垒电容起主要作用,能够认为 Cj Cb。普通来说,当二极管正向偏置时,扩散电容起主要作普通来说,当二极管正向偏置时,扩散电容起主要作用,即能够认为用,即能够认为 Cj Cd;在信号频率较高时,须考虑结电容作用。在信号频率较高时,须考虑结电容作用。第33页 1.2 半导体二极管半导体二极管在在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。结上加上引线和封装,就成为一个二极管。二极管按结构分有二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型图图1.2.11.2.1二极管几个二极管几个外形外形第34页1 点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触
24、型点接触型 二极管结构示意图二极管结构示意图1.2.1半导体二极管几个常见结构半导体二极管几个常见结构 PN结面积小,结结面积小,结电容小,用于检波和变电容小,用于检波和变频等高频电路。频等高频电路。第35页3 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造工往往用于集成电路制造工艺中。艺中。PN 结面积可大可小,结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。2 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大,用结面积大,用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型4二极管代表符号二极管代表符号D第36页 1.2.2二极管
25、伏安特征二极管伏安特征二极管伏安特征曲线可用下式表示二极管伏安特征曲线可用下式表示硅二极管硅二极管2CP102CP10伏安伏安特征特征正向特征正向特征反向特征反向特征反向击穿特征反向击穿特征开启电压:开启电压:0.5V导通电压:导通电压:0.7一、伏安特征一、伏安特征锗二极管锗二极管2AP152AP15伏安伏安特征特征UonU(BR)开启电压:开启电压:0.1V导通电压:导通电压:0.2V第37页二、温度对二极管伏安特征影响二、温度对二极管伏安特征影响(了解了解)在环境温度升高时,二极管正向特征将左移,反向在环境温度升高时,二极管正向特征将左移,反向特征将下移。特征将下移。二极管特征对温度很敏
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