半導(dǎo)體器件及集成運(yùn)放項(xiàng)目電子技術(shù)基礎(chǔ)課件

2.1半導(dǎo)體器件及集成運(yùn)放

項(xiàng)目2：電子技術(shù)基礎(chǔ)任務(wù)1.半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)任務(wù)2.二極管及其應(yīng)用任務(wù)3.三極管及其應(yīng)用任務(wù)4.集成運(yùn)算放大電路學(xué)習(xí)任務(wù)劉萬(wàn)輝副教授任務(wù)1.半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體：介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。如硅、鍺、硒等一、半導(dǎo)體熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。1.本征半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體

完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。

本征硅的晶體結(jié)構(gòu)圖

本征硅的結(jié)構(gòu)平面圖價(jià)電子共價(jià)健

本征硅原子最外層有四個(gè)電子，其受原子核的束縛力最小，稱為價(jià)電子。共有價(jià)電子所形成的束縛作用，稱為共價(jià)鍵。1.本征半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子移動(dòng)過(guò)來(lái)填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，如此繼續(xù)下去?？昭ㄗ杂呻娮庸矁r(jià)鍵中的少量?jī)r(jià)電子在溫度升高或受光照后，會(huì)獲得足夠的動(dòng)能，將掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。這一現(xiàn)象，稱為本征激發(fā)。本征半導(dǎo)體中有兩種載流子（自由電子和空穴）同時(shí)參與導(dǎo)電，這是本征半導(dǎo)體區(qū)別于金屬導(dǎo)體的一個(gè)重要特性，此特性稱為它的導(dǎo)電機(jī)理。。說(shuō)明：本征半導(dǎo)體中載流子的數(shù)量很少，其導(dǎo)電性能很差。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。硼原子空穴（1）P型半導(dǎo)體：摻入三價(jià)元素在本征半導(dǎo)體中摻入微量的有用雜質(zhì)形成的半導(dǎo)體。

+32.雜質(zhì)半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。磷原子多余電子（2）N型半導(dǎo)體：摻入五價(jià)元素+5在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮訜o(wú)論是P型還是N型半導(dǎo)體，其中多數(shù)載流子都是摻入雜質(zhì)造成的，盡管雜質(zhì)含量微乎其微，卻能使其導(dǎo)電性能大大改善。而它們的少數(shù)載流子，都是由于熱激發(fā)產(chǎn)生的。雖然少子濃度很低，但對(duì)溫度非常敏感，其濃度隨溫度的升高而增大，因此溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要因素。

二、PN結(jié)1.PN結(jié)的形成二、PN結(jié)1.PN結(jié)的形成P區(qū)和N區(qū)載流子運(yùn)動(dòng)PN結(jié):一塊一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)參雜成N型半導(dǎo)體，中間二者相連的接觸面稱為PN結(jié)（英語(yǔ)：p-njunction）。PN結(jié)是電子技術(shù)中許多元件，例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。+–二、PN結(jié)2.PN結(jié)的單向?qū)щ姡?）PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）

P接正、N接負(fù)PN結(jié)變窄外電場(chǎng)IF

PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)電場(chǎng)PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。二、PN結(jié)2.PN結(jié)的單向?qū)щ姡?）PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+

P接負(fù)、N接正二、PN結(jié)2.PN結(jié)的單向?qū)щ姡?）PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）PN結(jié)變寬外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負(fù)、N接正

–+

PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－PN結(jié)正向?qū)?、反向截止的特性稱為其單向?qū)щ娦詣⑷f(wàn)輝副教授任務(wù)2.二極管及其應(yīng)用

1.二極管結(jié)構(gòu)與符號(hào)一、二極管的結(jié)構(gòu)特性將PN結(jié)用外殼封裝起來(lái)，并加上電極引線就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管，簡(jiǎn)稱二極管。由P區(qū)引出的電極稱為陽(yáng)極（正極），由N區(qū)引出的電極稱為陰極（負(fù)極）。二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的符號(hào)按材料分，主要有硅二極管和鍺二極管按用途分，分為普通和特殊二極管

2.二極管的極性判斷一、二極管的結(jié)構(gòu)特性二極管的外形1.外殼上印有二極管的符號(hào)2.二極管的陰極一側(cè)印有一色圈（通常塑料封裝印有銀白色，玻璃封裝的為黑色）3.萬(wàn)用表歐姆檔判別發(fā)電機(jī)上的整流二極管3.二極管的伏安特性一、二極管的結(jié)構(gòu)特性門(mén)限電壓Uth：硅Uth=0.5V鍺Uth=0.1V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通電壓外加正向電壓大于門(mén)限電壓二極管才能導(dǎo)通。外加反向電壓小于反向擊穿電壓時(shí)，視為開(kāi)路；外加反向電壓大于反向擊穿電壓時(shí)，二極管被擊穿損壞正向特性反向特性UI死區(qū)PN+–PN–+導(dǎo)通電壓UF：硅UF=0.6-0.8V，一般取0.7V鍺UF=0.2-0.3V，一般取0.3V伏安特性：流過(guò)二極管的電流與加在二極管兩端的電壓之間的關(guān)系通常將導(dǎo)通電壓作為門(mén)限電壓基本特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?.鉗位二、二極管的應(yīng)用A若A點(diǎn)電位VA=0，因二極管VD正向?qū)ǎ鋲航岛苄。蔉點(diǎn)的電位也被鉗制在零伏左右，即VF≈0V。2.元件保護(hù)二、二極管的應(yīng)用用二極管來(lái)保護(hù)其他元件、器件免受過(guò)高電壓的損害。當(dāng)勵(lì)磁線圈斷電時(shí)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)VD4釋放，避免了反電動(dòng)勢(shì)疊加在電源電壓上對(duì)VT2、VT3的電壓沖擊3.整流電路二、二極管的應(yīng)用利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒔涣麟娮兂蓡蜗蛎}動(dòng)直流電。（1）單相半波整流電路–++–aTVDuou2bRLio（2）單相半波整流工作波形u2

tOuoOU0=0.45U2三、特殊二極管1.穩(wěn)壓管（1）符號(hào)

（2）伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓使用時(shí)要加限流電阻穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用該特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。UIOUZIZIZM

UZ

IZ三、特殊二極管1.穩(wěn)壓管（3）應(yīng)用汽車儀表電路的穩(wěn)壓電路

三、特殊二極管2.發(fā)光二極管（LED：Light-EmittingDiode）（1）特性與普通二極管一樣，是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。但正向電壓較一般二極管高為1.5-3V，電流較小為幾至十幾mA。有正向電流流過(guò)時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光二極管可以發(fā)出從紅外到可見(jiàn)波段的所有光。三、特殊二極管2.發(fā)光二極管（LED：Light-EmittingDiode）（2）符號(hào)具有體積小、反應(yīng)快、光度強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在汽車電路中得到廣泛應(yīng)用。（3）應(yīng)用儀表盤(pán)上的報(bào)警燈、指示燈高位剎車燈三、特殊二極管3.光敏（電）二極管（1）特性與普通二極管一樣，都具有一個(gè)PN結(jié)。但PN結(jié)面積大一些，電極面積小，結(jié)深很淺，一般小于1um，管殼上有一個(gè)能讓光照射入其光敏區(qū)的窗口。光敏二極管是在反向電壓作用下工作的，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。三、特殊二極管3.光敏（電）二極管（2）符號(hào)1）太陽(yáng)能電池——許多光電二極管組成光電板，作為電源使用（3）應(yīng)用紅外雨量傳感器2）車上——制作各種傳感器光電式傳感器日照強(qiáng)度傳感器劉萬(wàn)輝副教授任務(wù)3.三極管及其應(yīng)用一、三極管的結(jié)構(gòu)特性1.三極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)根據(jù)不同的摻雜方式在同一個(gè)硅片上制造出三個(gè)摻雜區(qū)域，并形成兩個(gè)PN結(jié)，就構(gòu)成三極管或晶體管?；鶇^(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極集電區(qū)：面積最大一、三極管的結(jié)構(gòu)特性三極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號(hào)：BECIBIEICBECIBIEICNPN型PNP型符號(hào)上的區(qū)別：發(fā)射極上的箭頭方向相反。箭頭的指向代表發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)電流的流向。劉萬(wàn)輝副教授任務(wù)4.集成運(yùn)算放大電路一、集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)符號(hào)集成電路:把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個(gè)不可分的整體。集成電路特點(diǎn)：體積小、外部接線少、功耗低、可靠性高、靈活性高、價(jià)格低。集成運(yùn)算放大電路是一個(gè)具有很高放大倍數(shù)的、直接耦合的多級(jí)放大電路，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放。1.概念一、集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)符號(hào)同相輸入端u－