《电子技术基础》正式教案.docx
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《电子技术基础》正式教案
电
子
技
术
基
础
教
案
§1-1半导体的基础知识
目的与要求
1.了解半导体的导电本质，
2.理解N型半导体和P型半导体的概念
3.掌握PN结的单向导电性
重点与难点
重点
1.N型半导体和P型半导体
2.PN结的单向导电性
难点
1.半导体的导电本质
2.PN结的形成
教学方法
讲授法,列举法,启发法
教具
二极管,三角尺
小结
半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。
载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。
在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。
多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动
PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。
布置作业
1.什么叫N型半导体和P型半导体
第一章常用半导体器件
§1-1半导体的基础知识
自然界中的物质，按其导电能力可分为三大类：
导体、半导体和绝缘体。
半导体的特点：
①热敏性
②光敏性
③掺杂性
导体和绝缘体的导电原理：
了解简介。
一、半导体的导电特性
半导体：
导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅（Si）、锗（Ge）。
硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。
1．热激发产生自由电子和空穴
每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。
两个相邻原子共用一对电子。
室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴。
失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。
在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。
2．空穴的运动（与自由电子的运动不同）
有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。
新的空穴又会被邻近的价电子填补。
带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。
3.结论
（1）半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。
（2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。
（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。
（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。
空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。
二、N型半导体和P型半导体
本征半导体
完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。
杂质半导体
在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。
根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：
电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。
1.N型半导体
在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。
在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。
2.P型半导体
在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。
在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。
三、PN结及其单向导电性
1．PN结的形成
半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。
载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。
在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。
多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.6所示。
图1.7PN结的形成
（1）
由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.7所示。
在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称空间电荷区为耗尽层。
空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。
内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。
同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。
少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。
漂移运动和扩散运动的方向相反。
无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。
图1.8PN结的形成
（2）
2.PN结的单向导电性
如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。
（1）PN结外加正向电压
PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，
图1.9PN结外加正向电压
（2）PN结外加反向电压
PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，
图1.20PN结外加反向电压
小结：
PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。
§1-2二极管
目的与要求
1.了解半导体二极管的结构
2.掌握半导体二极管的符号
3.理解半导体二极管的伏安特性
4.知道二极管的主要参数
重点与难点
重点1.二极管的符号
2.二极管的伏安特性
难点二极管的伏安特性
教学方法
讲授法,列举法,启发法
教具
二极管,三角尺
小结
外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态。
正向电压大于死区电压后，正向电流随着正向电压增大迅速上升。
通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。
当反向电压的值增大到UBR时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，称此现象为反向击穿，UBR为反向击穿电压。
布置作业
§1-2二极管
一、半导体二极管的结构
二极管的定义：
一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。
二极管按半导体材料的不同可以分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。
二极管按其结构不同可分为点接触型、面接触型和平面型二极管三类。
点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。
面接触型二极管PN结面积大，结电容也小，多用在低频整流电路中。
平面型二极管PN结面积有大有小。
图1.11二极管的符号
简单介绍常见的二极管的外型
了解国产二极管的型号的命名方法。
二、半导体二极管的伏安特性
1、正向特性
外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态。
正向电压大于死区电压后，正向电流随着正向电压增大迅速上升。
通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。
图1.13二极管的伏安特性曲线
2、反向特性
二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。
由图1.13可见，二极管外加反向电压时，反向电流很小（I≈-IS），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流
从图1.13可见，当反向电压的值增大到UBR时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，称此现象为反向击穿，UBR为反向击穿电压。
利用二极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许工作在反向击穿区。
补充：
二极管的温度特性
二极管是对温度非常敏感的器件。
实验表明，随温度升高，二极管的正向压降会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/℃）；温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10℃，反向电流大约增加一倍。
三、二极管的主要参数
（1）最大整流电流IF
最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。
（2）反向击穿电压UBR
反向击穿电压是指二极管击穿时的电压值。
（3）反向饱和电流IS
它是指管子没有击穿时的反向电流值。
其值愈小，说明二极管的单向导电性愈好。
另外
（4）反向击穿电压UB：
指管子反向击穿时的电压值。
（5）最高工作频率fm：
主要取决于PN结结电容的大小。
理想二极管：
正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。
四、二极管极性的判定
将红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻值很小（几千欧以下），则黑表笔所接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管的负极；若测得的阻值很大（几百千欧以上），则黑表笔所接电极为二极管负极，红表笔所接电极为二极管的正极。
五、二极管好坏的判定
（1）若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管性能良好。
（2）若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路，已损坏。
（3）若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。
补充：
特殊二极管
1.稳压二极管
2.发光二极管LED
3.光电二极管
4.变容二极管
5.激光二极管
§1-3三极管
目的与要求
1.了解三极管的结构及类型
2.掌握半导体三极管的符号
3.理解半导体三极管的伏安特性及电流放大作用
4.知道三极管的主要参数和检测方法
重点与难点
重点1.三极管的符号
2.三极管的伏安特性曲线
难点三极管的伏安特性曲线
教学方法
讲授法,列举法,启发法
教具
二极管,三极管，三角尺
小结
放大区
输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。
三极管工作在放大状态时，具有以下特点：
（a）三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置；
（b）基极电流IB微小的变化会引起集电极电流IC较大的变化，有电流关系式：
IC=βIB；
（c）对NPN型的三极管，有电位关系：
UC>UB>UE；
（d）对NPN型硅三极管，有发射结电压UBE≈0.7V；对NPN型锗三极管，有UBE≈0.2V。
布置作业
§1-3三极管
一、三极管的结构、符号及类型
1.三极管的结构及符号
半导体三极管又称晶体三极管（下称三极管），一般简称晶体管，或双极型晶体管。
它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。
三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。
三极管从结构上来讲分为两类：
NPN型三极管和PNP型三极管
NPN型PNP型
三极管的文字符号为V。
三极管的结构特点：
三极管制作时，通常它们的基区做得很薄（几微米到几十微米），且掺杂浓度低；发射区的杂质浓度则比较高；集电区的面积则比发射区做得大，这是三极管实现电流放大的内部条件。
2．三极管的类型
（1）国产三极管的型号，见P10-表1-3
（2）三极管的分类：
三极管可以是由半导体硅材料制成，称为硅三极管；也可以由锗材料制成，称为锗三极管。
三极管从应用的角度讲，种类很多。
根据工作频率分为高频管、低频管和开关管；根据工作功率分为大功率管、中功率管和小功率管。
常见的三极管外形如图P10-1.13所示。
二、三极管的电流放大作用
1、产生放大作用的条件
内部：
a）发射区杂质浓度>>基区>>集电区
b）基区很薄
外部：
发射结正偏，集电结反偏
图1.14三极管的工作电压电路
2、三极管的电流分配及放大关系
IE=IC+IB
IE≈IC
IC=βIB
三、三极管的特性曲线
三极管的特性曲线是指三极管的各电极电压与电流之间的关系曲线，它反映出三极管的特性。
它可以用专用的图示仪进行显示，也可通过实验测量得到。
1、输入特性曲线
它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。
简单分析曲线规律。
硅管的死区电压约0.5V，锗管的死区电压约0.3V，三极管处于放大状态时，硅管的UBE约0.7V，锗管的UBE约0.3V。
2．输出特性曲线
三极管的输出特性曲线是指一定基极电流IB下，三极管的集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线。
曲线的分析理解，难点。
一般把三极管的输出特性分为3个工作区域，下面分别介绍。
①截止区
三极管工作在截止状态时，具有以下几个特点：
（a）发射结和集电结均反向偏置；
（b）若不计穿透电流ICEO，有IB、IC近似为0；
（c）三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三极管相当于一个开关断开。
②放大区
输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。
三极管工作在放大状态时，具有以下特点：
（a）三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置；
（b）基极电流IB微小的变化会引起集电极电流IC较大的变化，有电流关系式：
IC=βIB；
（c）对NPN型的三极管，有电位关系：
UC>UB>UE；
（d）对NPN型硅三极管，有发射结电压UBE≈0.7V；对NPN型锗三极管，有UBE≈0.2V。
③饱和区
三极管工作在饱和状态时具有如下特点：
（a）三极管的发射结和集电结均正向偏置；
（b）三极管的电流放大能力下降，通常有IC<βIB；
（c）UCE的值很小，称此时的电压UCE为三极管的饱和压降，用UCES表示。
一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V；
（d）三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。
三极管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大元件使用时，一般要工作在放大状态。
四、三极管的主要参数
三极管的参数有很多，如电流放大系数、反向电流、耗散功率、集电极最大电流、最大反向电压等，这些参数可以通过查半导体手册来得到。
（1）共发射极电流放大系数β和β
它是指从基极输入信号，从集电极输出信号，此种接法（共发射极）下的电流放大系数。
（2）极间反向电流
①集电极基极间的反向饱和电流ICBO
②集电极发射极间的穿透电流ICEO
（3）极限参数
①集电极最大允许电流ICM
②集电极最大允许功率损耗PCM
③反向击穿电压
五、三极管的检测
1.已知型号和管脚排列的三极管，判断其性能的好坏
（1）测量极间电阻
（2）三极管穿透电流ICEO大小的判断
（3）电流放大系数β的估计
2.判别三极管的管脚
（1）判定基极和管型
（2）判定集电极c和发射极e
图1.CK判别三极管c、e电极的原理图
§1.4场效应管
目的与要求
1.了解场效应管的结构及工作原理
2.掌握场效应管的分类和符号
3.了解场效应管的转移特性曲线及输出特性曲线
4.知道场效应管的主要参数
重点与难点
重点场效应管的分类和符号
难点场效应管的转移特性曲线及输出特性曲线
教学方法
讲授法,列举法,启发法
教具
三极管，三角尺
小结
结型场效应管分为N沟道结型管和P沟道结型管，它们都具有3个电极：
栅极、源极和漏极，分别与三极管的基极、发射极和集电极相对应。
绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型两种，每一种又包括N沟道和P沟道两种类型。
场效应管的主要参数
①夹断电压（UP）
②开启电压（UT）
③饱和漏极电流IDSS
④最大漏源击穿电压（U（BR）DS）
⑤跨导（gm）
布置作业
§1.4场效应管
场效应管则是一种电压控制器件，它是利用电场效应来控制其电流的大小，从而实现放大。
场效应管工作时，内部参与导电的只有多子一种载流子，因此又称为单极性器件。
根据结构不同，场效应管分为两大类，结型场效应管和绝缘栅场效应管。
一、结型场效应管
结型场效应管分为N沟道结型管和P沟道结型管，它们都具有3个电极：
栅极、源极和漏极，分别与三极管的基极、发射极和集电极相对应。
1.结型场效应管的结构与符号
图1.23所示为N沟道结型场效应管的结构与符号，结型场效应管符号中的箭头，表示由P区指向N区。
图1.23N沟道结型管的结构与符号
P沟道结型场效应管的构成与N沟道类似，只是所用杂质半导体的类型要反过来。
图1.39所示为P沟道结型场效应管的结构与符号
图1.23P沟道结型管的结构与符号
2.结型场效应管的工作原理
以N沟道结型场效应管为例，参考P16图1-24.
（1）当栅源电压UGS=0时，两个PN结的耗尽层比较窄，中间的N型导电沟道比较宽，沟道电阻小。
（2）当UGS<0时，两个PN结反向偏置，PN结的耗尽层变宽，中间的N型导电沟道相应变窄，沟道导通电阻增大。
（3）当UP0时，可产生漏极电流ID。
ID的大小将随栅源电压UGS的变化而变化，从而实现电压对漏极电流的控制作用。
UDS的存在，使得漏极附近的电位高，而源极附近的电位低，即沿N型导电沟道从漏极到源极形成一定的电位梯度，这样靠近漏极附近的PN结所加的反向偏置电压大，耗尽层宽；靠近源极附近的PN结反偏电压小，耗尽层窄，导电沟道成为一个楔形。
注意，为实现场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用，结型场效应管在工作时，栅极和源极之间的PN结必须反向偏置。
3.结型场效应管的特性曲线
（1）转移特性曲线
在场效应管的UDS一定时，ID与UGS之间的关系曲线称为场效应管的转移特性曲线，如图1.25所示。
它反映了场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用。
图1.25N沟道结型场效应管的转移特性曲线
图1.25N沟道结型场效应管的输出特性曲线
当UGS=0时，导电沟道电阻最小，ID最大，称此电流为场效应管的饱和漏极电流IDSS。
当UGS=UP时，导电沟道被完全夹断，沟道电阻最大，此时ID=0，称UP为夹断电压。
（2）输出特性曲线
输出特性曲线是指栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间的关系曲线。
场效应管的输出特性曲线可分为四个区域：
可变电阻区
恒流区
截止区（夹断区）
击穿区
二、绝缘栅场效应管
绝缘栅场效应管是由金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）材料构成的，因此又叫MOS管。
绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型两种，每一种又包括N沟道和P沟道两种类型
补充：
耗尽型：
UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道。
增强型：
UGS=0时漏、源极之间才能形成导电沟道。
无论是N沟道MOS管还是P沟道MOS管，都只有一种载流子导电，均为单极型电压控制器件。
MOS管的栅极电流几乎为零，输入电阻RGS很高。
1、结构与符号
以N沟道增强型MOS管为例，它是以P型半导体作为衬底，用半导体工艺技术制作两个高浓度的N型区，两个N型区分别引出一个金属电极，作为MOS管的源极S和漏极D；在P形衬底的表面生长一层很薄的SiO2绝缘层，绝缘层上引出一个金属电极称为MOS管的栅极G。
B为从衬底引出的金属电极，一般工作时衬底与源极相连。
图1.26N沟道增强型MOS管的结构与符号
符号中的箭头表示从P区（衬底）指向N区（N沟道），虚线表示增强型。
2、N沟道增强型MOS管的工作原理
如P18图1.27所示，在栅极G和源极S之间加电压UGS，漏极D和源极S之间加电压UDS，衬底B与源极S相连。
形成导电沟道所需要的最小栅源电压UGS，称为开启电压UT。
3、特性曲线
（1）转移特性曲线
（2）输出特性（漏极特性）曲线
图1.28N沟道增强型MOS管的转移特性曲线
图1.28N沟道增强型MOS管的输出特性曲线
三、场效应管的主要参数
①夹断电压（UP）
②开启电压（UT）
③饱和漏极电流IDSS
④最大漏源击穿电压（U（BR）DS）
⑤跨导（gm）
四、场效应管应注意的事项
（1）选用场效应管时，不能超过其极限参数。
（2）结型场效应管的源极和漏极可以互换。
（3）MOS管有3个引脚时，表明衬底已经与源极连在一起，漏极和源极不能互换；有4个引脚时，源极和漏极可以互换。
（4）MOS管的输入电阻高，容易造成因感应电荷泄放不掉而使栅极击穿永久失效。
因此，在存放MOS管时，要将3个电极引线短接；焊接时，电烙铁的外壳要良好接地，并按漏极、源极、栅极的顺序进行焊接，而拆卸时则按相反顺序进行；测试时，测量仪器和电路本身都要良好接地，要先接好电路再去除电极之间的短接。
测试结束后，要先短接电极再撤除仪器。
（5）电源没有关时，绝对不能把场效应管直接插入到电路板中或从电路板中拔出来。
（6）相同沟道的结型场效应管和耗尽型MOS场效应管，在相同电路中可以通用。
第5节其他半导体器件简单介绍，了解。
§2.1基本共射极放大电路
目的与要求
1.掌握共射极放大电路组成
2.了解共射极放大电路的工作原理及性能特点
3.知道共射极放大电路中各元件的作用
重点与难点
重点共射极放大电路组成
难点共射极放大电路的工作原理
教学方法
讲授法,列举法,启发法
教具
三极管，三角尺
小结
电路中各元件的作用如下。
（1）三极管
（2）隔直耦合电容C1和C2
（3）基极回路电源UBB和基极偏置电阻Rb
（4）集电极电源UCC
（5）集电极负载电阻Rc
布置作业
第二章常用放大器
2.1基本共射极放大电路
一、三极管在放大电路中的三种连接方式
上图所示为三极管在放大电路中的三种连接方式：
图（a）从基极输入信号，从集电极输出信号，发射极作为输入信号和输出信号的公共端，此即共发射极（简称共射极）放大电路；图（b）从基极输入信号，从发射极输出信号，集电极作为输入信号和输出信号的公共端，此即共集电极放大电路；图（c）从发射极输入信号，从集电极输出信号，基极作为输入信号和输出信号的公共端，此即共基极放大电路。
二、基本放大电路的组成和工作原理
1.共射极放大电路组成
在三种组态放大电路中，共发射极电路用得比较普遍。
这里就以NPN共射极放大电路为例，讨论放大电路的组成、工作原理以及分析方法。
电路中各元件的作用如下。
（1）晶体管V。
放大元件，用基极电流iB控制集电极电流iC。
（2）电源UCC和UBB。
使晶体管的发射结正偏，集电结反偏，晶体管处在放大状态，同时也是放大电路的能量来源，提供电流iB和iC。
UCC一般在几伏到十几伏之间。
（3）偏置电阻RB。
用来调节基极偏置电流IB，使晶体管有一个合适的工作点，一般为几十千欧到几百千欧。
（4）集电极负载电阻RC。
将集电极电流iC的变化转换为电压的变化，以获得电压放大，一般为几千欧。
（5）电容Cl、C2。
用来传递交流信号，起到耦合的作用。
同时，又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离，起隔直作用。
为了减小传递信号的电压损失，Cl、C2应选得足够大，一般为几微法至几十微法，通常采用电解电容器。
2、共射极放大电路的工作原理
§2.2共射极放大电路的分析
目的与要求
1.掌握共射极放大电路分析方法种类
2.初步掌握共射极放大电路分析的具体方法计算法
3.会一些简单共射极放大电路分析计
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