1.常用半导体器件.ppt

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1、多媒体教学课件,模拟电子技术基础 Fundamentals of Analog Electronics 童诗白、华成英 主编,1. 本课程的性质,是一门技术基础课,2. 特点,非纯理论性课程,实践性很强,以工程实践的观点来处理电路中的一些问题,3. 研究内容,以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。,4. 教学目标,能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。,绪 论,5. 学习方法,重点掌握基本概念、基本电路的分析、计算及设计方法。,6. 成绩评定标准,理论： 平时成绩30 作业、期中考、考勤、提问 等 期末考试 70 %,7

2、. 教学参考书,康华光主编，电子技术基础 模拟部分 第三版，高教出版社,童诗白主编，模拟电子技术基础 第二版，高教出版社,陈大钦主编，模拟电子技术基础问答：例题 试题，华工出版社,前 言,课外阅读教材：,1.谢自美 电子线路设计.实验.测试 华中理工大学出版社。 2.毕满清 电子技术实验与课程设计 机械工业出版社。 3.李东生 Protel99SE电路设计技术入门 电子工业出版社。,第四版童诗白,目录,第三版童诗白,第一章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极型晶体管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6集成电路中的元件,第三版童诗白,本章

3、重点和考点：,1.二极管的单向导电性、稳压管的原理。,2.三极管的电流放大原理， 如何判断三极管的管型 、管脚和管材。,3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。,第三版童诗白,本章讨论的问题：,2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？,3.什么是N型半导体？什么是P型半导体？ 当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？,4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在PN结中另反向电压时真的没有电流吗？,5.晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效 应管是通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它 们都可以用于放大？,1.为什么采用半导体材料制作电子器件？,1.1 半导体

4、的基础知识,1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,一、导体、半导体和绝缘体,PNJunction,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时， 它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体,将

5、硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图 1.1.1 本征半导体结构示意图,二、本征半导体的晶体结构,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,图 1.1.2 本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子,空穴,若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T ,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,三、本征半导体中的两种载流子,（动画1-1）,（动画1-2）,四、本征半导体中载流子的浓度,在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。

6、,本征半导体中载流子的浓度公式：,T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.431010/cm3,本征锗的电子和空穴浓度: n = p =2.381013/cm3,ni= pi= K1T3/2 e -EGO/(2KT),本征激发,复合,动态平衡,1. 半导体中两种载流子,2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对。,3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。,4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又 不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动 会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5. 载

7、流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升 高，基本按指数规律增加。,小结,1.1.2 杂质半导体,杂质半导体有两种,N 型半导体,P 型半导体,一、 N 型半导体(Negative),在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如 磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型 半导体)。,常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。,本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。,自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。 电子称为多数载流子(简称多子)，

8、 空穴称为少数载流子(简称少子)。,5 价杂质原子称为施主原子。,二、 P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。,空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,3 价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,图 1.1.4 P 型半导体,说明：,1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3. 杂质半导体总体上保持电中性。,4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。,2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(a)N 型半导体,(b) P 型半导体,图 杂质半导

9、体的的简化表示法,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,图 PN 结的形成,一、PN 结的形成,1.1.3 PN结,PN 结中载流子的运动,耗尽层,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结，耗尽层。,（动画1-3）,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4. 漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动

10、使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加； 当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,二、 PN 结的单向导电性,1. PN结 外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置，简称正偏。,图 1.1.6,二、 PN 结的单向导电性,1. PN结 外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置，简称正偏。,图 1.1.6,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增

11、强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,图 1.1.7 PN 结加反相电压时截止,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感， 随着温度升高， IS 将急剧增大。,当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态； 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。,（动画1-4）,（动画1-5）,综上所述：,可见， PN 结具有单向导电性。,IS ：反向饱和电流 UT ：温度的电压当量 在常温(30

12、0 K)下， UT 26 mV,三、 PN 结的电流方程,PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为,公式推导过程略,四、PN结的伏安特性,i = f (u )之间的关系曲线。,正向特性,反向特性,图 1.1.10 PN结的伏安特性,反向击穿,五、PN结的电容效应,当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量 将随之发生变化，使PN结具有电容效应。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散电容,1. 势垒电容Cb,是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。,(a) PN 结加正向电压,（b) PN 结加反向电压,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。,势垒电容的大小可用下式表示：

13、,由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 u 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。, ：半导体材料的介电比系数； S ：结面积； l ：耗尽层宽度。,2. 扩散电容 Cd,是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。,在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。,x = 0 处为 P 与 耗尽层的交界处,当电压加大，np (或 pn)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。,当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。,正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电

14、的过程 扩散电容效应。,图 1.1.12,综上所述：,PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。,Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。,当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。,一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为 Cj Cd；,在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。,1.2 半导体二极管,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,图1.2.1二极管的几种外形,1 点接触型二极管,1.2.1半导体二极管的几种常见结构,PN结面

15、积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,3 平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,2 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,4 二极管的代表符号,D,1.2.2二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,反向特性,反向击穿特性,开启电压：0.5V 导通电压：0.7,一、伏安特性,开启电压：0.1V 导通电压：0.2V,二、温度对二极管伏安特性的影响,在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。,二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。,1.2.3 二极管的参数,(1)

16、最大整流电流IF,(2) 反向击穿电压U（BR）和最高反向工作电压URM,(3) 反向电流IR,(4) 最高工作频率fM,(5) 极间电容Cj,在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。,1.2.4 二极管等效电路,一、由伏安特性折线化得到的等效电路,二、二极管的微变等效电路,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,图1.2.7二极管的微变等效电路,应用举例,二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型

17、值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,应用举例,例1：P66习题1.3,解：采用理想电路模型 ui和uo的波形如图所示,例2：P66习题1.5,解：采用恒压降电路模型,二个二极管共阳极接法 输入电压小者先导通,ui和uo的波形如图所示,1.2.5 稳压二极管,一、稳压管的伏安特性,(a)符号,(b)2CW17 伏安特性,DZ,(1) 稳定电压UZ,(2) 动态电阻rZ,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。,rZ =VZ /IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,(5)温度系数VZ,二、稳压管的主要参数,稳压电路

18、,正常稳压时 UO =UZ,# 不加R可以吗？,# 上述电路UI为正弦波，且幅值大于UZ ， UO的波形是怎样的？,（1）.设电源电压波动(负载不变),UI UOUZ IZ,UOUR IR ,（2）.设负载变化(电源不变) 略,如电路参数变化？,例1：稳压二极管的应用,稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200 ，求iZ。 若负载电阻变化范围为1.5 k - 4 k ，是否还能稳压？,UZ=10V ui=12V R=200 Izmax=12mA Izmin=2mA RL=2k (1.5 k 4

19、 k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA） i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA） RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA） RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）,负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用,例2：稳压二极管的应用（P67习题1.11）,解： ui和uo的波形如图所示,（UZ3V）,一、发光二极管 LED (Light Emitting Diode),1. 符号和特性,工作条件：正向偏置,一般工作电流几 mA， 导通电压 (1 2) V,符号,特性,1.2.6其它类型的二极管,发光类型：,可见光：红、黄、绿,显示类型： 普通 LED ，,不可见光：红外光,点阵 LED,七段 LED ,二、光电二极管,符号和特性,符号,特性,工作原理：,三、变容二极管 四、隧道二极管 五、肖特基二极管,无光照时，与普通二极管一样。 有光照时，分布在第三、四象限。,低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流大 .,优点是开关特性好，速度快、工作频率高,