模拟电子线路.ppt
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1、模拟电子线路,南通职业大学 电子工程系:杨碧石,Analog Circuits,半导体器件是组成各种电子电路包括模拟电路和数字电路,分立元件电路和集成电路的基础。 本章讨论半导体的特性,PN结的单向导电性,二极管、三极管、场效应管的结构,工作原理,特性曲线和主要参数,第1章半导体器件,物质可分为: 导体:=10-4.cm 如:铜,银,铝 绝缘体:=109.cm 如:橡胶,塑料 半导体其导电能力介于上面两者之间,一般为四价元素的物质,即原子最外层的轨道上均有四个价电子,所以称它们为4 价元素。 半导体有:元素半导体:硅(Si)、锗(Ge)等; 化合物半导体:砷化镓(GaAs)等,第一节半导体的特
2、性,原子结构的简化模型,图1.1.1 硅或锗的 简化原子结构模型,本征半导体 通常把非常纯净的、几乎不含杂质的且结构完整的半导体晶体称为本征半导体。 在T=0K(相当于273oC)时半导体不导电,如同绝缘体一样。 如温度升高,如在室温条件下,将有少数价电子获得足够的能量,以克服共价键的束缚而成为自由电子,其载流子的数量很少(自由电子的数量)导电能力很弱。,1.1.1 本征半导体,束缚电子 本征激发 空穴、电子对 两种载流子: 电子与空穴载流子 产生与复合 动态平衡 载流子浓度与T有关,图1.1.3 本征激发现象,在本征半导体中掺入少量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著的改变。 根据掺入杂质
3、的化合价的不同,杂质半导体分为: N型半导体和P型半导体两大类。 一N型半导体: 在4价硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素,如磷,锑,砷等。,1.1.2 杂质半导体,施主杂质、多数载流子(多子)、少数载流子(少子)、 电子型半导体,(a) (b) 图1.1.4 N型半导体 (a)结构示意图 (b)离子和载流子(不计本征激发),受主杂质、多子、少子、空穴型半导体,(a) (b) 图1.1.5 P型半导体 (a)结构示意图 (b)离子和载流子(不计本征激发),二P型半导体:在4 价硅或锗的晶体中掺入少量 的3 价杂质元素,如硼,锡,铟等。,N半导体、P半导体电中性 半导体的特性: 1、热敏性 2
4、、掺杂性 3、光敏性,1.2.1PN结及其单向导电性 单纯的P型或N型半导体,仅仅是导电能力增强了,因此它还不是电子线路中所需要的半导体器件。若在一块本征半导体上,两边掺入不同的杂质,使一边成为P型半导体,另一边成为N型半导体,则在两种半导体的交界面附近形成一层很薄的特殊导电层PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。,第二节半导体二极管,1.PN结的形成 扩散运动、空间电荷区、耗尽层、漂移运动、动态平衡、内建电位差、势垒区或阻挡层,(a) (b) 图1.2.1 PN结的形成 (a)载流子的扩散运动 (b)平衡状态下的PN结,2.PN结的单向导电性原理 偏置、正向偏置(正偏)、反向偏置(反偏)
5、 正向导通、反向截止,(a) (b) 图1.2.2 外加电压时的PN结 (a)正偏 (b)反偏,PN结正偏时产生较大的正向电流PN结处于导通状态。 PN结反偏时产生较小的反向电流,PN结处于截止状态。 故PN结具有单向导电性。,1.2.2 半导体二极管及其基本特性,(a) (b) 图1.2.3 二极管的结构和符号 (a)结构示意图 (b)符号,一、 二极管的结构与符号,图1.2.4 二极管的伏安特性曲线,二、二极管(PN结)伏安特性 1、正向特性、 “死区”、导通电压或开启电压; 室温下,硅管的Uon0.5V, 锗管的Uon0.1V。 管压降:硅管UD=0.60.8V, 锗管UD=0.10.3
6、V,2反向击穿特性 反向特性、反向饱和电流、反向击穿电压。 电击穿:雪崩击穿、齐纳击穿。 热击穿 需要特别指出的是,普通二极管的反向击穿电压较高,一般在几十伏到几百伏以上(高反压管可达几千伏)。普通二极管在实际应用中不允许工作在反向击穿区。,二极管的伏安特性方程: 可近似用PN结的伏安特性方程来表示。理论研究表明,PN结两端电压U与流过PN结的电流I之间的关系为 (1.2.1) Isat-反向饱和电流 UT =kT/q-温度电压当量,其中k为玻耳兹曼常数,T为绝对温度,q为电子电量。在室温(27或300K)时UT26mV。,三、二极管的主要参数 1、最大整流电流IF:指二极管长期工作时,允许通
7、 过管子的最大正向平均电流。 2、最高反向工作电压UR: 3、 反向电流IR:指在室温下,在二极管两端加上规定的反向电压时,流过管子的反向电流。 IR愈小单向导电性愈好。IR与温度有关(少子运动) 4、 最高工作频率:fM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大,则fM愈低。,四稳压二极管 利用二极管的反向击穿特性,可将二极管做成一种特殊二极管稳压二极管。稳压二极管简称稳压管 稳压二极管的电路符号如图1.2.5所示 稳压二极管参数:稳定电压、稳定电流、动态电阻、额定功耗、稳定电压的温度系数。,五、 二极管的分类及其选择 1二极管的分类 按材料的可分为锗管和硅管; 按功能可分为开关管、整流管、
8、稳压管、变容管、发光管和光电(敏)管等, 普通二极管、特殊二极管; 按工作电流可分为小电流管和大电流管; 按耐压高低可分为低压管和高压管; 按工作频率高低可分为低频管和高频管等。,2二极管的选择 (1) 要求导通电压低时选锗管;要求反向电流小时选硅管;要求击穿电压高时选硅管;要求工作频率高时选点接触型高频管;要求工作环境温度高时选硅管。 (2) 在修理电子设备时,如果发现二极管损坏,则用同型号的管子来替换。如果找不到同型号的管子则可改用其他型号二极管来代替,替代管子的极限参数IF 、UR和 fM应不低于原管,且替代管子的材料类型(硅管或锗管)一般应和原管相同。,1电容效应 二极管除了单向导电性
9、外,还具有电容效应(PN结电容效应),即当其两端电压变化时,其存储的电荷也发生变化,因此就出现充、放电现象。 按产生的原因不同分为势垒电容和扩散电容两种。 (1)势垒电容Cb (2)扩散电容Cd 结电容Cj为两者之和,即Cj= Cb + Cd 正偏时,Cb Cd ,Cj主要由势垒电容决定。,1.2.3 二极管的电容效应,2变容二极管 利用二极管的电容效应,可将二极管做成一种特殊二极管变容二极管,其电路符号如图1.2.9所示。 主要用作可变电容(受电压控制) 必须工作在反偏状态 常用于高频电路中的电调谐电路。,图1.2.6 变容二极管的电路符号,1光敏特性与光敏二极管 半导体具有光敏特性,光照越
10、强,受激产生的电子空穴对的数量越多。 普通二极管的外壳都是不透光的 利用二极管的光敏特性,可制成一种特殊二极管光敏二极管。 光敏二极管又称光电二极管,属于光电子器件。 为了便于接受光照,光电二极管的管壳上有一个玻璃窗口,让光线透过窗口照射到PN结的光敏区。 光电二极管的符号如图1.2.7(a)所示。,1.2.4 二极管的光电效应,(a) (b) 图1.2.7 光电二极管的符号与光电特性的测量电路 (a)符号 (b)光电特性的测量电路,2发光二极管 发光二极管的符号与基本应用电路如图1.2.8所示。显然,发光二极管应工作在正偏状态,且当正向电流达到一定值时才能发出光。,(a) (b) 图1.2.
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