電子電路半導體

1、2022-3-61電路與模擬電子技術電路與模擬電子技術原理原理第六章半導體元器件2022-3-62第6章 半導體元器件p6.1 從電子管到晶體管p6.2 半導體p6.3 半導體二極管 p6.4 晶體管p6.5 場效應晶體管2022-3-636.1 從電子管到晶體管p真空電子二極管n單向導電性：p陰極加熱后發(fā)射電子，陽極吸收電子p真空電子三極管n放大效應p柵極電壓控制從陰極到達陽極電子的數(shù)量p電壓控制電流2022-3-64真空管（電子管）2022-3-65第6章 半導體元器件p6.1 從電子管到晶體管p6.2 半導體p6.3 半導體二極管 p6.4 晶體管p6.5 場效應晶體管2022-3-66

2、6.2 半導體 p導電能力介于導體和絕緣體之間的物質，稱為半導體。n熱敏性測溫n光敏性測光n光伏電池n發(fā)光光源2022-3-676.2.1 本征半導體p純凈晶體結構的半導體稱為本征半導體。n四價元素p硅p鍺2022-3-68本征半導體（續(xù)）p四價元素構成本征半導體2022-3-69本征半導體（續(xù)）p帶負電的自由電子，和帶正電的空穴，統(tǒng)稱為載流子。 n在受熱（熱激發(fā)）或者光照（光激發(fā)）時，共價鍵中的價電子可能獲得一定的能量，少數(shù)價電子擺脫共價鍵的束縛而成為自由電子，n同時在共價鍵中留下空位，稱為空穴2022-3-610本征半導體（續(xù)）p“本征” 的含義，是指載流子的濃度取決于半導體自身的固有（本

3、征）特征。n在一定溫度下，載流子的濃度保持一定 n產生過程與復合過程相對平衡。 p本征半導體中的載流子濃度除了與半導體材料自身特性有關以外，還與溫度、光照等因素有關。 2022-3-6116.2.2 雜質半導體p本征半導體的導電能力很弱，熱穩(wěn)定性也很差，p改進方式摻入雜質p根據(jù)摻入雜質性質的不同， nN（Negative）型半導體nP（Positive）型半導體 2022-3-6121N型半導體 p本征半導體中摻入微量五價元素，如磷、銻、砷等 n自由電子為多數(shù)載流子（多子），n空穴為少數(shù)載流子（少子）。 2022-3-6132P型半導體 p本征半導體中摻入三價元素，如硼、鋁、鎵等 n空穴為多子

4、n自由電子為少子 2022-3-6146.2.3 PN結 pPN結是構成各種半導體器件的核心 p在一塊硅片上，一邊N型半導體，另一邊P型半導體，交界面處形成PN結。 2022-3-6152PN結的單向導電性p正偏導通，反偏截止2022-3-6163PN結的反向擊穿特性 p當反向電壓超過一定數(shù)值時，PN結電阻突然減小、反向電流突然增大，這種現(xiàn)象稱為PN結的反向擊穿。pPN結的反向擊穿有兩種類型：n齊納擊穿 n雪崩擊穿 p電擊穿是可逆的，熱擊穿不可逆 2022-3-6174PN結方程 p流過PN結的電流i與外加電壓u之間的關系為 nIS為PN結的反向飽和電流；nUTkT/q，為溫度的電壓當量或熱電

5、壓，在T300K（室溫）時，UT26mV。 T/SS(e1)(e1)u Uqu kTiII 2022-3-618PN結的伏安特性曲線 p溫度升高時，n正向特性曲線向左移動，n反向特性曲線向下移動。 2022-3-6195PN結的電容效應 p當PN結上的外加電壓變化時，會引起PN結（即耗盡層）所存儲的電荷量的變化，PN結所具有的這種“電壓變化引起電荷量變化”的特征，就是PN結的的電容效應。p根據(jù)結電容的成因，可分為n勢壘電容n擴散電容。 2022-3-620第6章 半導體元器件p6.1 從電子管到晶體管p6.2 半導體p6.3 半導體二極管 p6.4 晶體管p6.5 場效應晶體管2022-3-6

6、216.3 半導體二極管 p二極管（Diode）的核心特性單向導電性n在一個電流方向上的電阻很小（理想情況是零），n在另一個電流方向上的電阻卻很大（理想情況是無窮大） 2022-3-6226.3.1 基本結構 2022-3-6236.2.2 二極管的特性 p1二極管的伏安特性曲線 2022-3-624二極管的伏安特性曲線（續(xù)）（1）正向特性n死區(qū)電壓（也稱開啟電壓）Uth n導通電壓Uon （2）反向特性 n反向飽和反向擊穿 （3）溫度特性 n溫度升高，正向特性曲線向左移，反向特性曲線向下移 2022-3-6252二極管的特性參數(shù) （1）最大整流電流IF （2）最大反向工作電壓URM （3）反

7、向電流IR （4）最高工作頻率fM 2022-3-6266.2.3 二極管的應用 p利用二極管的特性：n單向導電性n反向擊穿特性p理想二極管：n正向導通時，二極管視為短路，正向電阻為零，正向壓降忽略不計；n反向截止時，二極管視為開路，反向電阻為無窮大，反向電流忽略不計。 2022-3-6271二極管整流（檢波）電路 p利用：單向導電性2022-3-6282二極管限幅電路 p利用：單向導電性2022-3-629二極管限幅電路（續(xù)）p二極管限幅電路實際上就是確保輸出電壓不能高于電壓源US。n由于限幅電路能夠將輸入信號中超出指定幅度的部分削平，所以也稱為削波電路。 p換個角度看，也可以說二極管限幅電

8、路實際上是在電壓源US和輸入電壓ui之間選擇一個較低的電壓作為輸出。 2022-3-6303二極管電平選擇電路（邏輯門電路） p利用：單向導電性2022-3-631二極管與門電路p在數(shù)字電路中，通常n把高于2.4V的電平當作高電平，記為邏輯1，n把低于0.8V的電平當作低電平，記為邏輯0，n此時6-13（a）所示的電路的輸出信號就等于兩個輸入信號的邏輯“與”，所以該電路又稱為二極管與門電路。 2022-3-6324穩(wěn)壓二極管 p利用：反向擊穿特性2022-3-633穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) （1）穩(wěn)定電壓UZ （2）最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin n要保證穩(wěn)壓管的反向電壓穩(wěn)

9、定于Uz，必須確保IzminIzIzmax （3）額定功耗PZM n允許的最大功耗PZM=UZ IZmax 2022-3-634穩(wěn)壓管應用舉例【例6-1】已知UZ6V，IZmin5mA，PZM150mW，限流電阻R1K，負載電阻RL500。分別計算Ui為15V、30V、45V時輸出電壓UO的值。 2022-3-635穩(wěn)壓管應用舉例（續(xù)）p【分析】要讓穩(wěn)壓管起到穩(wěn)壓作用，必須滿足兩個條件：n穩(wěn)壓管必須工作在反向擊穿狀態(tài)；n流過穩(wěn)壓管的反向電流必須在IZmin和IZmax之間?！窘狻浚?）根據(jù)PZM計算IZmax )mA(256150maxZZMZUPI2022-3-636穩(wěn)壓管應用舉例（續(xù)）（2

10、）當Ui=15V時，假設DZ開路（穩(wěn)壓管反向截止），計算此時的穩(wěn)壓管兩端電壓 因為DZ開路時時，所計算得到的穩(wěn)壓管兩端電壓小于UZ，所以穩(wěn)壓管截止，UO5V。 )V(550050010001515LLiVUORRRUUi2022-3-637穩(wěn)壓管應用舉例（續(xù)）（3）類似地，當Ui=30V時，假設DZ開路，計算此時的穩(wěn)壓管兩端電壓穩(wěn)壓管已經處于反向擊穿狀態(tài)，滿足穩(wěn)壓條件。再假設穩(wěn)壓管工作于穩(wěn)壓狀態(tài)，并計算此時的穩(wěn)壓管反向電流ZLLiVUOURRRUUi)V(10500500100030302022-3-638穩(wěn)壓管應用舉例（續(xù)）n計算假定條件下的穩(wěn)壓管反向電流，并判斷其是否處于穩(wěn)壓電流范圍之內

11、)mA(24)A(024. 030RUUIZiVURi)mA(12)A(012. 05006LZLRUI)mA(12122430LRVUZIIIimax30minZVUZZIIIi2022-3-639穩(wěn)壓管應用舉例（續(xù)）n穩(wěn)壓管反向電流處在IZmin和IZmax之間，滿足穩(wěn)壓條件，所以穩(wěn)壓管可以正常工作，能起到穩(wěn)壓作用。所以 UOUZ6V 2022-3-640穩(wěn)壓管應用舉例（續(xù)）（4）類似地，當Ui=45V時，假設DZ開路，計算此時的穩(wěn)壓管兩端電壓 n穩(wěn)壓管已經處于反向擊穿狀態(tài)，滿足穩(wěn)壓條件。n再假設穩(wěn)壓管工作，計算此時的穩(wěn)壓管反向電流 ZLLiVUOURRRUUi)V(15500500100045452022-3-641穩(wěn)壓管應用舉例（續(xù)）IZIR- IL39-12=27(mA) IZmax n穩(wěn)壓管反向電流超過IZmax，將因功耗過大而損壞，電路不能正常工作。 )mA(39)A(039. 0100064545RUUIZiVURi)mA(12)A(012. 0500645LZVULRUIi2022-3-6425發(fā)光二極管 p發(fā)光