《常用半導體器件》PPT課件.ppt

1,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學院李浩,2,緒論,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)是電子信息科學與技術(shù)專業(yè)、通信工程專業(yè)、電子信息工程專業(yè)以及物理學專業(yè)本、專科的一門重要的專業(yè)核心課，具有很強的綜合性、技術(shù)性和實用性。該課程的研究對象是電子元器件及其組成的電路（包括分立、集成電路）。主要研究常用半導體器件、基本放大電路、多級放大電路、集成運算放大電路、放大電路的頻率響應(yīng)、放大電路中的反饋、信號的運算和處理、波形的發(fā)生和信號的變換、功率放大電路、直流電源和模擬電子電路讀圖等內(nèi)容。模擬電路已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國防和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域并極大地促進了相關(guān)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，特別是模擬電路中的新器件、新技術(shù)、新方法的廣泛應(yīng)用，使得電子測量和探索自然規(guī)律的實驗方法進入了一個新階段，因此模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)具有重要的地位和作用。,3,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)與其他課程的聯(lián)系：,本課程的先修課程是普通物理、電路分析基礎(chǔ)等。原子物理部分中的核外電子運動的規(guī)律、原子的能級、殼層結(jié)構(gòu)、能帶理論由普通物理講授，本課程在此基礎(chǔ)上進一步研究半導體器件的原理和性能。電壓源、電流源、受控源等概念，基爾霍夫定律、疊加定理，戴維南定理和諾頓定理，以及RC電路時間常數(shù)等概念由電路分析基礎(chǔ)（電工學）講授，本課程應(yīng)用上述內(nèi)容分析討論具體的電子電路等內(nèi)容。同步課程：數(shù)字電子技術(shù)（數(shù)字電路與邏輯設(shè)計）后續(xù)課程：微機原理、高頻電路等。,4,課程教學目標：,1、掌握模擬電路中的基本概念，電子元器件的功能和使用。2、掌握組成模擬電路的各種單元電路（放大、振蕩等）的工作原理、性能和特點。3、掌握模擬電路的基本原理、基本分析方法和計算方法，例如放大電路、反饋電路等基本分析方法，使學生具有一定的電路分析、計算的能力。4、在實驗技能方面，能比較熟練地掌握模擬電子電路常用測試儀器的使用方法與基本測試技術(shù)，對電子線路的基本單元電路具有初步設(shè)計、安裝和調(diào)試的能力。5、適當引入近些年來電子技術(shù)的新器件、新技術(shù)、新方法，以利于學生了解電子技術(shù)的新發(fā)展，擴展知識面，開闊視野。,5,教學內(nèi)容與要求（64學時+實驗30學時）學分：4+2,第一章常用半導體器件（6學時+習題課2學時）第二章基本放大電路（10學時+習題課2學時）第三章多級放大電路（4學時）第四章集成運算放大電路（2學時）第五章放大電路的頻率響應(yīng)（4學時）第六章放大電路中的反饋（8學時）第七章信號的運算和處理（8學時）第八章波形的發(fā)生和信號的轉(zhuǎn)換（8學時）第九章功率放大電路（4學時）第十章直流電源（4學時）第十一章模擬電子電路讀圖（2學時）（了解）,6,參考書目,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）清華大學電子學教研組編，童詩白、華成英主編，高等教育出版社，2001模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)典型例題及習題解答王正奎編著聊大模擬電子技術(shù)簡明教程華成英主編，清華大學出版社2006模擬電子技術(shù)簡明教程（第二版）清華大學電子學教研組編，楊素行主編，高等教育出版社，1998模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，華中理工大學電子學教研室編，陳大欽主編，高等教育出版社，2000電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）第四版，華中理工大學電子學教研室編，康華光主編：高等教育出版社，1999模擬電子技術(shù)常見題型解析及模擬題張疇先主編，西北工業(yè)大學出版社,7,第一章常用半導體器件,1.1半導體的基礎(chǔ)知識1.2半導體二極管1.3雙極型晶體管1.4場效應(yīng)管1.5單結(jié)晶體管和晶閘管（了解）1.6集成電路中的元件（了解）重點掌握：基本概念，晶體二極管的伏安特性及主要參數(shù)、晶體三極管和場效應(yīng)管輸入、輸出特性及主要參數(shù)。不要將注意力過多放在管子內(nèi)部，而以理解外特性為主。,8,1.1半導體的基本知識,導體、半導體和絕緣體,導體：容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。,絕緣體：幾乎不導電的物質(zhì)稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。,半導體：導電特性介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體,如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。,半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：,當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。,往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導電能力明顯改變。例如：室溫下，在純硅中參入百萬分之一的硼，可以使硅的導電能力提高50萬倍。,9,1.1.1本征半導體,一、本征半導體的結(jié)構(gòu)特點,通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。,現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅(14)和鍺(32)，它們的最外層電子（價電子）都是四個。,本征半導體：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體稱為本征半導體,10,在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。,硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：,11,硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu),共價鍵共用電子對,+4表示除去價電子后的正離子,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。,12,二、本征半導體的導電機理,在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。,在常溫下，由于熱激發(fā),使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。,1.載流子、自由電子和空穴,自由電子,空穴,束縛電子,本征半導體中自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，而且數(shù)量相等，稱為電子空穴對。,13,2.本征半導體的導電機理,在電場力的作用下，自由電子作定向移動，空穴也會吸引附近的價電子來依次填補,結(jié)果相當于空穴也作定向移動，而空穴的移動相當于正電荷的移動，因此也可以認為空穴是載流子。,自由電子在運動過程中如果與空穴相遇就會填補空穴而消失,稱為復合；在一定的溫度下，熱激發(fā)產(chǎn)生的自由電子與空穴對，與復合的自由電子與空穴對數(shù)目相等，故達到動態(tài)平衡.,本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度，在一定溫度下,載流子的濃度是一定的，溫度越高，載流子的濃度越高，本征半導體的導電能力越強。,本征半導體中電流由兩部分組成：自由電子移動產(chǎn)生的電流，空穴移動產(chǎn)生的電流自由電子和空穴都參與導電,14,1.1.2雜質(zhì)半導體,在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加了。,P型半導體：在本征半導體中摻入三價元素(如硼)構(gòu)成的雜質(zhì)半導體。,N型半導體：在本征半導體中摻入五價元素(如磷)構(gòu)成的雜質(zhì)半導體。,15,一、N型半導體,多余電子因不受共價鍵的束縛成為自由電子，同時磷原子就成為不能移動的帶正電的離子，稱為施主原子。,另外N型半導體中還有少量的空穴，其濃度遠小于自由電子的濃度，所以把自由電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流子，簡稱多子和少子。,在本征半導體中摻入五價元素,多余電子,磷原子,16,二、P型半導體,P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。,當附近硅原子的外層電子由于熱運動填補空穴時，硼原子成為不可移動的負離子。硼原子稱為受主原子。,在本征半導體中摻入三價元素,空穴,硼原子,17,三、雜質(zhì)半導體的示意表示法,雜質(zhì)型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子濃度與所摻雜質(zhì)濃度相等。,18,一.PN結(jié)的形成,在同一片半導體基片上采用不同的摻雜工藝分別制造P型半導體和N型半導體，由于濃度的不同，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?1.1.3PN結(jié),19,由于濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。,在電場力的作用下，載流子的運動稱為漂移運動。,隨著擴散運動的進行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場增強，阻止擴散運動的進行，但有利于少子的漂移，當擴散的多子和漂移的少子數(shù)目相等時，達到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)。,空間電荷區(qū)，也稱耗盡層?？臻g電荷區(qū)中沒有載流子。P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,20,1、PN結(jié)正向偏置P正N負,導通,內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，能夠形成較大的擴散電流。,二.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?21,2、PN結(jié)反向偏置P負N正，截止,內(nèi)電場被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。,反向飽和電流,22,三、PN結(jié)的電流方程,由理論分析知，PN結(jié)外加電壓u與流過的電流i的關(guān)系為：,其中,IS為反向飽和電流，q為電子電量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。將kT/q用UT代替，得：,常溫下（T=300K），UT26mV,23,四、PN結(jié)的伏安特性,正向特性（u0）,反向特性（u0）,反向擊穿部分,PN結(jié)處于反向偏置時，反向電壓超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱反向擊穿。,五、PN結(jié)的電容效應(yīng)（了解）,在一定條件下，PN結(jié)具有電容效應(yīng)：勢壘電容，擴散電容,24,1.2半導體二極管,PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管。,點接觸型：高頻、小功率整流,面接觸型：整流,符號,平面型：大功率整流、開關(guān),1.2.1二極管的幾種常見結(jié)構(gòu),25,1.2.2二極管的伏安特性,開啟電壓Uon:硅管0.5V，鍺管0.1V,導通電壓:硅管0.60.8V,鍺管0.10.3V,反向擊穿電壓UBR,死區(qū)電壓,26,溫度對二極管伏安特性的影響,在室溫附近，溫度每升高1，正向壓降減小22.5mV，溫度每升高10，反向電流大約增大一倍?？梢?，二極管的特性對溫度很敏感。,溫度升高，正向曲線左移，反向曲線下移。,27,1.2.3二極管的主要參數(shù)P9,1.最大整流電流IF,二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。,2.最高反向工作電壓UR,二極管工作時允許外加的最大反向電壓。通常UR是擊穿電壓UBR的一半。,3.反向電流IR,4.最高工作頻率fM,指二極管加反向電壓且未擊穿時的反向電流。,二極管工作的上限頻率。,二極管的應(yīng)用：主要利用它的單向?qū)щ娦?，?yīng)用于整流、限幅、保護等等。,28,1.理想模型,3.折線模型,2.恒壓降模型,1.2.4二極管的等效電路（等效模型）,一.由伏安特性折線化得到的等效電路,29,若,，則,若,則,精確計算,例：P17UD=0.7V,S斷開時：D導通,S閉合時：D截止,30,理想二極管：開啟電壓=0V，導通壓降=0V。二極管：開啟電壓=0.5V，導通壓降0.7V(硅二極管),1：二極管半波整流,二極管應(yīng)用電路舉例：,31,2、二極管與門電路,電壓功能表,0.7V0.7V0.7V3.7V,硅管UD=0.7V,32,3、二極管或門電路,電壓功能表,0V2.3V2.3V2.3V,硅管UD=0.7V,33,二.二極管的微變等效電路,當二極管外加正向電壓時，將有一直流電流，用二極管特性曲線上的點Q表示。,rd稱為微變電阻,二極管的動態(tài)電阻可用右圖表示：,若在Q點基礎(chǔ)上外加微小的變化量,則可用以Q點為切點的直線來近似.即將二極管等效為一個動態(tài)電阻rd。,34,電路波形分析,直流電壓源和交流電壓源同時作用的二極管電路,同學們可參看典型例題習題解答上冊第一章例題。,V+ui-uD,35,1.2.5穩(wěn)壓二極管,IZ,曲線越陡,電壓越穩(wěn)定.,UZ,穩(wěn)壓二極管工作在二極管特性曲線的反向擊穿部分,外接負載電阻,穩(wěn)定電壓,穩(wěn)定電流,36,（2）穩(wěn)定電流IZ、,（3）額定功耗,穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù):P18-19,（1）穩(wěn)定電壓UZ,（4）動態(tài)電阻,37,穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例：P20,如圖所示電路，穩(wěn)壓管的,輸入電壓UI=10V，負載電阻RL=600，求限流電阻R的取值范圍。,解：,38,限流電阻R的取值范圍為114227,39,一、發(fā)光二極管,發(fā)光二極管有足夠大的正向電流流過時，能發(fā)出一定波長范圍的光。,1.2.6其它類型的二極管P20-22,40,二、光電二極管,光電二極管是一種把光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，它的反向電流隨光照強度的增加而上升。,41,結(jié)構(gòu)特點：,1發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高,2集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大,3基區(qū)很薄，一般在幾個微米至幾十個微米，且摻雜濃度最低,1.3雙極型晶體管(半導體三極管),1.3.1基本結(jié)構(gòu)和類型,晶體管的幾種常見外形,由兩個PN結(jié)背靠背組成,發(fā)射極,集電極,基極,發(fā)射區(qū),基區(qū),集電區(qū),42,基極,發(fā)射極,集電極,NPN型,PNP型,發(fā)射區(qū),基區(qū),集電區(qū),發(fā)射結(jié),集電結(jié),43,1.3.2晶體管的電流放大作用,VBB,Rb,基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略,進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IB多數(shù)擴散到集電結(jié),發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。,一、晶體管內(nèi)部載流子的運動,從基區(qū)擴散來的電子作為少子，漂移進入集電區(qū)被收集，形成IC。,集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO,IEN,IBN,IB=IBN+IEP-ICBO,IE=IEN+IEP,44,VBB,Rb,IB,進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IB多數(shù)擴散到集電結(jié),發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。,一、晶體管內(nèi)部載流子的運動,從基區(qū)擴散來的電子作為少子，漂移進入集電區(qū)被收集，形成IC。,IE,IE=IC+IB,45,二、晶體管的電流分配關(guān)系,IC=ICN+ICBO,IB=IBN+IEPICBO=IB-ICBO,IE=IEN+IEP,IE=IC+IB,三、晶體管的共射電流放大系數(shù),ICN與IB之比稱為直流電流放大系數(shù),46,要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,在前面電路的基礎(chǔ)上，若有交流電壓UI輸入，則在IB的基礎(chǔ)上疊加動態(tài)電流iB，在IC的基礎(chǔ)上疊加動態(tài)電流iC，iC與iB之比稱為交流電流放大系數(shù)：,在一定范圍內(nèi),47,總結(jié)：,IE=IC+IB,48,1.3.3晶體管的共射特性曲線,49,一、輸入特性曲線,導通壓降：硅管UBE0.60.8V,鍺管UBE0.10.3V,開啟電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。,50,二、輸出特性曲線,IB=0,20A,40A,60A,80A,100A,放大區(qū)IC=IB,截止區(qū),IB0,IC0,飽和區(qū)ICIB,臨界飽和UCE=UBEUBC=0,51,輸出特性三個區(qū)域的特點:,(1)截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏UBEICmax工作在飽和區(qū)。,或者：假設(shè)工作在放大區(qū),假設(shè)錯誤，工作在飽和區(qū)。,54,1.3.4晶體管的主要參數(shù),共射直流電流放大倍數(shù)：,工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號。基極電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：,1.電流放大倍數(shù)和,例：UCE=6V時：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。,在以后的計算中，一般作近似處理：=,55,2.集-基極反向飽和電流ICBO,ICBO是發(fā)射極開路時，集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向飽和電流。受溫度變化的影響較大。,56,3.基極開路時,集-射極間的穿透電流ICEO,b,e,c,N,N,P,ICEO=IBP+ICBO=(1+)ICBO,ICBO進入N區(qū)，形成IBP,根據(jù)放大關(guān)系，由于IBP的存在,必有電流IBP。,集電結(jié)反偏有ICBO,ICEO受溫度影響很大,當溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。,57,4.集電極最大電流ICM,集電極電流IC大到一定程度時，會導致三極管的值下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。,5.反向擊穿電壓,UCBO：發(fā)射極開路時集電極-基極間的反向擊穿電壓UCEO：基極開路時集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓UEBO：集電極開路時發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓,58,6.集電極最大允許功耗PCM,集電極電流IC流過三極管所產(chǎn)生的功耗為,PC=ICUCE,PC太大必定導致結(jié)溫上升,所以PC有限制。,PCPCM,PCM=ICUCE=常數(shù),安全工作區(qū),59,1.3.5溫度對晶體管特性及參數(shù)的影響,1、對ICBO的影響：溫度升高，ICBO增大,2、對輸入特性的影響,3、對輸出特性的影響,60,由PNP型三極管組成的基本放大電路：,電源電壓為負。同樣具有三個區(qū)：放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)，集電結(jié)均正偏截止區(qū)：|UBE|VON,特性曲線,61,1.3.6光電三極管,光電三極管根據(jù)光照的強度來控制集電極電流的大小,光電三極管的等效電路、符號和外形,62,光電三極管的輸出特性曲線,63,1.4場效應(yīng)管,場效應(yīng)管是利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導體器件，它僅靠多數(shù)載流子導電,又稱單極型晶體管。場效應(yīng)管不但具有雙極型晶體管體積小、重量輕、壽命長等優(yōu)點，而且具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、能耗低等優(yōu)點。,結(jié)型場效應(yīng)管:JFET,絕緣柵型場效應(yīng)管:MOS,場效應(yīng)管有兩種:,64,1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管,結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu),柵極,源極,漏極,結(jié)構(gòu)示意圖和符號：,N型導電溝道,兩邊是P