模拟电子技术课题一

课 题 课题一：半导体二极管和三极管 班级 09电气 时间   教学目的 1、了解半导体的基本知识，理解PN结的单向导电性。 2、掌握二极管的特性及主要参数。 3、理解三极管的电流放大作用和特性曲线及主要参数。 4、掌握三极管电路的基本分析方法。 5、了解稳压二极管、发光二极管、光电二极管的基本特点。 6、掌握二极管和三极管的检测与应用 7、熟悉EWB的操作环境和仿真实验法。 场地 1-312 教具挂图与 演示实验 实物演示 EWB仿真 重点 二极管和三极管的特性、检测及应用 难点 三极管电路的基本分析方法 讲授思路 与 教学方法 从人们日常接触的物质按照其导电性能划分入手引入半导体这一概念，由浅入深，逐步展开地进行教学。 理论教学以教师的分析法为主，穿插晶体管实物演示；以EWB仿真软件为辅，引入虚拟实验法，先给学生一个感性上的认识。技能训练项目以学生自己动手检测、EWB仿真为主的练习法。 引 入 新 课 在我们日常接触的物质中，一类是电阻率很小，容易导电的金属，如金、银、铜、锡等，这类物质叫做导体；另一类是电阻率很大，几乎不能导电的物质，如橡胶、陶瓷、玻璃等，这类物质叫绝缘体。但是在自然界里面，还有一些物质，它们的导电本领即电阻率，处在导体和绝缘体之间，这种物质我们叫它为半导体。目前用来制造晶体管的材料主要有锗、硅等。本章着重介绍二极管和三极管的特性、检测及应用           安 徽 马 鞍 山 技 师 学 院 教 案 纸 讲 授 内 容 课题一：半导体二极管和三极管 （一）理论部分 1.1 半导体的基本知识 根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率为10-3～10-9 cm。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 1.1.1 本征半导体 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．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。这种结构的立体和平面示意图见图1.1。 2．电子空穴对   讲 授 内 容 当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。 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。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。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图1.2所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 3．空穴的移动 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。只不过空穴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。如图1.3所示。 1.1.2 杂质半导体 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。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 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。   讲 授 内 容 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚 而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如图1.4所示。 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。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图01.05所示。 1.1.3 PN结 1. PN结的形成   讲 授 内 容 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 ↓ 空间电荷区形成内电场 ↓ ↓ 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。PN结形成的过程可参阅图1.6。 2．PN结的单向导电性 PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使： PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏； PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。 （1）PN结加正向电压时的导电情况 PN结加正向电压时的导电情况如图1.7所示。 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。 （2）PN结加反向电压时的导电情况 PN结加反向电压时的导电情况如图1.8所示。       讲 授 内 容 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 结论：PN结具有单向导电性。 1.2 半导体二极管 1.2.1 二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图1.9（a）、（b）、（c）所示。 1.点接触型二极管——PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。 2.面接触型二极管——PN结面积大，用于工频大电流整流 1947年12月23日，美国新泽西州墨累山的贝尔实验里，3位科学家——巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士在紧张而又有条不紊地做着实验。他们在导体电路中正在进行用半导体晶体把声音信号放大的实验。3位科学家惊奇地发现，在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果——晶体管。这３位科学家因     讲 授 内 容 电路。 1.2.2 二极管的伏安特性曲线 半导体二极管的伏安特性曲线如图1.10所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示 式中IS 为反向饱和电流，U D 为二极管两端的电压降，U T =kT/q 称为温度的电压当量， k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T = 300 K ），则有VT = 26 mV。 1. 正向特性 当U＞0，即处于正 向特性区域。正向区又 分为两段： 当0＜U＜Uth时， 正向电流为零，Uth称为 死区电压或开启电压。 当U＞Uth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Uth =0.5 V 此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。     讲 授 内 容 左右，锗二极管的死区电压Uth =0.1 V左右。 2. 反向特性 当U＜0 时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域： 当UBR＜U＜0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。 当U≥UBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。 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；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。从击穿的机理上看，硅二极管若|UBR|≥7 V时，主要是雪崩击穿；若UBR≤4 V则主要是齐纳击穿，当在4 V～7 V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。 1.2.3二极管的主要参数 1．主要参数 （1）最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。 （2）反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM---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。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。 （3）反向电流IR---在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。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。 （4）正向压降UF---在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8 V；锗二极管约0.2～0.3 V。 （5）动态电阻rd——反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即rd =UF /IF       讲 授 内 容 2．温度特性 温度对二极管的性能有较大 的影响，温度升高时，反向电流 将呈指数规律增加, 如硅二极管 温度每增加8℃，反向电流将约 增加一倍；锗二极管温度每增加 12℃ ，反向电流大约增加一倍。 另外，温度升高时，二极管的 正向压降将减小，每增加1 ℃， 正向每增加1 ℃，正向压降uF (ud)大约减小2mV，即具有负的 温度系数。这些可以 从图1.11 所示二极管的伏安特性曲线上看出。 1.2.4 特殊二极管 1. 稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极 管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二   讲 授 内 容 伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图1.12所示。 从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。 （1）稳定电压UZ ——在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。 （2）动态电阻rZ——其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 RZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rz =UZ /IZ （3）最大耗散功率 PZM ——稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时，PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。 （4）最大稳定工作电流IZMAX 和最小稳定工作电流IZMIN ——稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZ＜IZmin，则不能稳压。 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。 2. 发光二极管 发光二极管是一种将电能直接转换成光能的光发射器件，简称LED，它是由镓、砷、磷等元素的化合物制成。这些材料构成的PN加上正向电压时，就会发出光来，光的颜色取决于制造所用的材料。 发光二极管通常用透明的塑料封装，管脚长的为正极，管脚短的为负极。有的发光二极管有三个引出脚，根据管脚电压情况能发出两种颜色的光。发光二极管的符号和外形如图1.13所示。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛用于       讲 授 内 容 信号指示等电路中。 3. 光电二极管 光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃窗口，以便于接受光照。其特点是，当光线照射于它的PN结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高。这些载流子在一定的反向偏置电压作用下可以产生漂移电流，使反向电流增加。因此它的反向电流随光照强度的增加而线性增加，这时光电二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光电二极管的伏安特性与普通二极管一样，其图形符号如图1.14所示。 光电二极管被广泛应用于光电技术中，将光信号转换为电信号。例如在光缆通信中，通过接收端的光电二极管将光信号转换为电信号，在数控机床中作为光电控制器件或用来进行光的测量。大面积的光电二极管可作为一种绿色能源，称为光电池，可进行太阳能发电、高速公路沿途标志牌的电源等。 1.3 半导体三极管 1.3.1 三极管的结构 半导体三极管也称为双极型半导体三极管，它的结构示意图如图       讲 授 内 容 1.15所示。 它有两种类型：NPN型和PNP型。中间部分称为基区，相连电极称为基极，用B或b表示（Base）； 一侧称为发射区，相连电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。 E-B间的PN结称为发射结（Je）， C-B间的PN结称为集电结（Jc）。 双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。 1.3.2三极管的放大作用和载流子的运动 双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。现以 NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系， 见图1.16。 发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为IEN。与PN结中的情况相同。从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为IEP。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。       讲 授 内 容 进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流ICN。在基区被复合的电子形成的电流是 IBN。 另外，因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流ICBO。于是可得如下电流关系式： IE= IEN＋ IEP 且有IEN>>IEP IEN=ICN+ IBN 且有IEN>> IBN ， ICN>>IBN IC=ICN+ ICBO IB=IEP+ IBN－ICBO IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN=(ICN+ICBO)+(IBN+IEP－ICBO)=IC+IB 由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。 1.3.3 三极管的特性曲线 本节对共发射极接法三极管的特性曲线进行讨论。共发射极接法的供电电路和电压电流关系如图1.17所示。 半导体三极管也称双极型晶体管，晶体三极管，简称三极管，是一种电流控制电流的半导体器件。     讲 授 内 容 1. 输入特性曲线 简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和uBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。 为了排除UCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使uCE =const(常数)。uCE的影响，可以用三极管的内部的反馈作用解释，即uCE对iB的影响。 共发射极接法的输入特性曲线见图1.18。其中uCE =0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当uCE≥1V时，uCB = uCE - uBE >0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，