模擬電子技術基礎第4版(童詩白華成英)ppt課件

1、華成英 第一章 半導體二極管和三極管華成英 第一章 半導體二極管和三極管1.1 1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識1.2 1.2 半導體二極管半導體二極管1.3 1.3 晶體三極管晶體三極管華成英 1 半導體基礎知識一、本征半導體一、本征半導體二、雜質(zhì)半導體二、雜質(zhì)半導體三、三、PNPN結的形成及其單向?qū)щ娦越Y的形成及其單向?qū)щ娦运?、四、PNPN結的電容效應結的電容效應華成英 一、本征半導體 導電性介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體。導電性介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體。本征半導體是純凈的晶體結構的半導體。本征半導體是純凈的晶體結構的半導體。1 1、什么是半導體？什么是本征半導體？、

2、什么是半導體？什么是本征半導體？ 導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。電。 半導體硅（半導體硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。子的最外層電子受原子核的束縛力

3、介于導體與絕緣體之間。無雜質(zhì)無雜質(zhì)穩(wěn)定的結構穩(wěn)定的結構華成英 2、本征半導體的結構由于熱運動，具有足夠能量由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴留有一個空位置，稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。共價鍵共價鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度

4、加大。的濃度加大。動態(tài)平衡動態(tài)平衡華成英 兩種載流子兩種載流子 外加電場時，帶負電的自由電外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導電，子和帶正電的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導電性很差。目很少，故導電性很差。為什么要將半導體變成導電性很差的本征半導體？3、本征半導體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。運載電荷的粒子稱為載流子。 溫度升高，熱運動加劇，載溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導電性增強。流子濃度增大，導電性增強。 熱力學溫度熱力學溫度0K時不導電。時不導電。華成英 二、雜質(zhì)半導體 1. N N型半導體5磷（磷（P

5、） 雜質(zhì)半導體主要靠多數(shù)載流雜質(zhì)半導體主要靠多數(shù)載流子導電。摻入雜質(zhì)越多，多子子導電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電性可控。導電性可控。多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？了？少了？為什么？華成英 2. 2. P型半導體3硼（硼（B）多數(shù)載流子多數(shù)載流子 P型半導體主要靠空穴導電，型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導電性越強，導電性越強， 在雜質(zhì)半導體中，溫度變化時，在雜質(zhì)半導體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變

6、化的數(shù)目相同嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？子濃度的變化相同嗎？華成英 三、PN結的形成及其單向?qū)щ娦?物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。體、液體、固體均有之。擴散運動擴散運動P區(qū)空穴區(qū)空穴濃度遠高濃度遠高于于N區(qū)。區(qū)。N區(qū)自由電區(qū)自由電子濃度遠高子濃度遠高于于P區(qū)。區(qū)。 擴散運動使靠近接觸面擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。華成英 PN 結的形成 因電場作用所產(chǎn)因電場作用所產(chǎn)生的運動稱

7、為漂移生的運動稱為漂移運動。運動。 參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了平衡，就形成了PN結。結。漂移運動漂移運動 由于擴散運動使由于擴散運動使P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)、自由電子從區(qū)、自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運動。區(qū)運動。華成英 PN結加正向電壓導通：結加正向電壓導通： 耗盡層變窄，擴散運動加耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形劇，由于外電源的作用，形成擴散

8、電流，成擴散電流，PNPN結處于導通結處于導通狀態(tài)。狀態(tài)。PN結加反向電壓截止：結加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴散運動，耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似流。由于電流很小，故可近似認為其截止。認為其截止。PN 結的單向?qū)щ娦员匾獑?？必要嗎？華成英 清華大學 華成英 四、PN 結的電容效應1. 勢壘電容 PN結外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變結外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容同，其等效電容

9、稱為勢壘電容Cb。2. 擴散電容 PN結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。dbjCCC結電容：結電容： 結電容不是常量！若結電容不是常量！若PN結外加電壓頻率高到一定程度，結外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！則失去單向?qū)щ娦?！華成英 問題 為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，成本征半導體，導電性能極差，

10、又將其摻雜，改善導電性能？改善導電性能？ 為什么半導體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還為什么半導體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？ 為什么半導體器件有最高工作頻率？為什么半導體器件有最高工作頻率？華成英 2 半導體二極管一、二極管的組成一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管五、穩(wěn)壓二極管華成英 一、二極管的組成將將PN結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。小功率小功率

11、二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管華成英 一、二極管的組成點接觸型：結面積小，點接觸型：結面積小，結電容小，故結允許結電容小，故結允許的電流小，最高工作的電流小，最高工作頻率高。頻率高。面接觸型：結面積大，面接觸型：結面積大，結電容大，故結允許結電容大，故結允許的電流大，最高工作的電流大，最高工作頻率低。頻率低。平面型：結面積可小、平面型：結面積可小、可大，小的工作頻率可大，小的工作頻率高，大的結允許的電高，大的結允許的電流大。流大。華成英 二、二極管的伏安特性及電流方程材料材料開啟電壓開啟電壓導通電壓導通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0

12、.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A)(ufi 開啟開啟電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流擊穿擊穿電壓電壓mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常溫下溫度的溫度的電壓當量電壓當量二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。華成英 華成英 利用Multisim測試二極管伏安特性華成英 從二極管的伏安特性可以反映出：從二極管的伏安特性可以反映出： 1. 單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦訲eSTUuIiUu，則若正向電壓) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受溫度影響伏安特性受溫度影響T（）在電流不變情況下管壓降在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流

13、反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移正向特性為正向特性為指數(shù)曲線指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線反向特性為橫軸的平行線增大增大1倍倍/10STIiUu，則若反向電壓華成英 三、二極管的等效電路理想理想二極管二極管近似分析近似分析中最常用中最常用理想開關理想開關導通時導通時 UD0截止時截止時IS0導通時導通時UDUon截止時截止時IS0導通時導通時i與與u成線性關系成線性關系應根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！應根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！1. 將伏安特性折線化？100V？5V？1V？華成英 2. 微變等效電路DTDDdIUiur根據(jù)電流方程

14、，Q越高，越高，rd越小。越小。 當二極管在靜態(tài)基礎上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極當二極管在靜態(tài)基礎上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用時直流電源作用小信號作用小信號作用靜態(tài)電流靜態(tài)電流華成英 四、二極管的主要參數(shù) 最大整流電流最大整流電流IF：最大平均值：最大平均值 最大反向工作電壓最大反向工作電壓UR：最大瞬時值：最大瞬時值 反向電流反向電流 IR：即：即IS 最高工作頻率最高工作頻率fM：因：因PN結有電容效應結有電容效應第四版第四版P20華成英 討論：解決兩個問題

15、解決兩個問題 如何判斷二極管的工作狀態(tài)？如何判斷二極管的工作狀態(tài)？ 什么情況下應選用二極管的什么等效電路？什么情況下應選用二極管的什么等效電路？uD=ViRQIDUDRuViDDV與與uD可比，則需圖解：可比，則需圖解：實測特性實測特性 對對V和和Ui二極管二極管的模的模型有什么不同？型有什么不同？華成英 五、穩(wěn)壓二極管1. 伏安特性進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流 由一個由一個PN結組結組成，反向擊穿后成，反向擊穿后在一定的電流范在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電不變，為穩(wěn)定電壓。壓。2. 主要參數(shù)穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)

16、定電流、穩(wěn)定電流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ動態(tài)電阻動態(tài)電阻rzUZ /IZ 若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！流的限流電阻！限流電阻限流電阻斜率？斜率？華成英 1.3 1.3 晶體三極管一、晶體管的結構和符號一、晶體管的結構和符號二、晶體管的放大原理二、晶體管的放大原理三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性四、溫度對晶體管特性的影響四、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數(shù)

17、五、主要參數(shù)華成英 一、晶體管的結構和符號多子濃度高多子濃度高多子濃度很多子濃度很低，且很薄低，且很薄面積大面積大晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結。結。小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管為什么有孔？為什么有孔？華成英 二、晶體管的放大原理（集電結反偏），即（發(fā)射結正偏）放大的條件BECECBonBE0uuuUu 擴散運動形成發(fā)射極電流擴散運動形成發(fā)射極電流IE，復合運動形成基極電，復合運動形成基極電流流IB，漂移運動形成集電極電流，漂移運動形成集電極電流IC。少數(shù)載流少數(shù)載流子的運動子的運動因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)

18、擴散到基區(qū)電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復合數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復合因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)基區(qū)空穴基區(qū)空穴的擴散的擴散華成英 電流分配：電流分配： I IE EI IB BI IC C I IE E擴散運動形成的電流擴散運動形成的電流 I IB B復合運動形成的電流復合運動形成的電流 I IC C漂移運動形成的電流漂移運動形成的電流CBOCEOBCBC)(1 IIiiII穿透電流穿透電流集電結反向電流集電結反向電流

19、直流電流直流電流放大系數(shù)放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)為什么基極開路集電極回為什么基極開路集電極回路會有穿透電流？路會有穿透電流？華成英 三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性CE)(BEBUufi 為什么為什么UCE增大曲線右移？增大曲線右移？ 對于小功率晶體管，對于小功率晶體管，UCE大于大于1V的一條輸入特性曲線的一條輸入特性曲線可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有輸入特性曲線。的所有輸入特性曲線。為什么像為什么像PN結的伏安特性？結的伏安特性？為什么為什么UCE增大到一定值曲線增大到一定值曲線右移就不明顯了？右移就不明顯了？1. 輸入特性華成英 2. 輸出特性B)(CECIufi 是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下是常數(shù)嗎？什么是理想晶體管？什么情況下 ?對應于一個對應于一個IB就有一條就有一條iC隨隨uCE變化的曲線。變化的曲線。 為什么為什么uCE較小時較小時iC隨隨uCE變變化很大？為什么進入放大狀態(tài)化很大？為什么進入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？曲線幾乎是橫軸的平行線？飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū)BiCi常量CEBCUii華成英 晶體管的三個工作區(qū)域 晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流 iC幾乎僅僅幾乎僅僅決定于輸入回路的電流決定于輸入回路的電流