常用半導體器件3

—多媒體教學課件模擬電子技術基礎

FundamentalsofAnalogElectronics

童詩白、華成英主編1.本課程的性質是一門技術基礎課2.特點

非純理論性課程

實踐性很強

以工程實踐的觀點來處理電路中的一些問題3.研究內容以器件為基礎、以信號為主線，研究各種模擬電子電路的工作原理、特點及性能指標等。4.教學目標能夠對一般性的、常用的電子電路進行分析，同時對較簡單的單元電路進行設計。緒論5.學習方法重點掌握基本概念、基本電路的分析、計算及設計方法。6.成績評定標準理論： 平時成績％ 作業(yè)、期中考、考勤、提問等期中成績%期末考試%實驗：7.教學參考書康華光主編，《電子技術基礎》模擬部分第三版，高教出版社童詩白主編，《模擬電子技術基礎》第四版，高教出版社陳大欽主編，《模擬電子技術基礎問答：例題?試題》，華工出版社前言課外閱讀教材：1.謝自美電子線路設計.實驗.測試華中理工大學出版社。2.畢滿清電子技術實驗與課程設計機械工業(yè)出版社。3.李東生Protel99SE電路設計技術入門電子工業(yè)出版社。第四版童詩白目錄1

常用半導體器件2基本放大電路3多級放大電路4集成運算放大電路5放大電路的頻率響應6放大電路中的反饋7信號的運算和處理8波形的發(fā)生和信號的轉換9功率放大電路10直流穩(wěn)壓電源第四版童詩白第一章常用半導體器件1.1半導體基礎知識1.2半導體二極管1.3雙極型晶體管1.4場效應管1.5單結晶體管和晶閘管1.6集成電路中的元件第四版童詩白本章重點和考點：1.二極管的單向導電性、穩(wěn)壓管的原理。2.三極管的電流放大原理，如何判斷三極管的管型、管腳和管材。3.場效應管的分類、工作原理和特性曲線。

第四版童詩白本章討論的問題：2.空穴是一種載流子嗎？空穴導電時電子運動嗎？3.什么是N型半導體？什么是P型半導體？當二種半導體制作在一起時會產生什么現(xiàn)象？4.PN結上所加端電壓與電流符合歐姆定律嗎？它為什么具有單向性？在PN結中另反向電壓時真的沒有電流嗎？5.晶體管是通過什么方式來控制集電極電流的？場效應管是通過什么方式來控制漏極電流的？為什么它們都可以用于放大？1.為什么采用半導體材料制作電子器件？

1.1半導體的基礎知識1.1.1本征半導體

純凈的具有晶體結構的半導體導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。一、導體、半導體和絕緣體PNJunction半導體的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的特點。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，會使它的導電能力和內部結構發(fā)生變化。熱敏器件光敏器件二極管+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全純凈的、不含其他雜質且具有晶體結構的半導體稱為本征半導體

將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結構為共價鍵結構。價電子共價鍵圖1.1.1本征半導體結構示意圖二、本征半導體的晶體結構當溫度T=0

K時，半導體不導電，如同絕緣體。

+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1.1.2本征半導體中的自由電子和空穴自由電子空穴若T

，將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。T

自由電子和空穴使本征半導體具有導電能力，但很微弱?？昭煽闯蓭д姷妮d流子。三、本征半導體中的兩種載流子（動畫1-1）（動畫1-2）四、本征半導體中載流子的濃度在一定溫度下本征半導體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。本征半導體中載流子的濃度公式：T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.43×1010/cm3本征鍺的電子和空穴濃度:

n=p=2.38×1013/cm3ni=pi=K1T3/2e-EGO/(2kT)本征激發(fā)復合動態(tài)平衡本征硅原子的濃度:

n=p=2.38×1013/cm31.半導體中兩種載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。3.本征半導體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi表示，顯然ni

=pi

。4.由于物質的運動，自由電子和空穴不斷的產生又不斷的復合。在一定的溫度下，產生與復合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。5.載流子的濃度與溫度密切相關，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。小結1.1.2雜質半導體雜質半導體有兩種N型半導體P型半導體一、N型半導體(Negative)在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質元素，如磷、銻、砷等，即構成N型半導體(或稱電子型半導體)。常用的5價雜質元素有磷、銻、砷等。本征惡半導示體摻鍵入5價元茄素后克，原罰來晶連體中技的某合些硅攏原子燈將被服雜質走原子俗代替與。雜殼質原死子最伶外層噸有5個價傲電子貫，其小中4個與生硅構企成共松價鍵盟，多賄余一殖個電袖子只嬸受自磁身原寫子核富吸引宋，在壞室溫愉下即曾可成確為自靜由電掘子。自由氏電子郊濃度地遠大菠于空廈穴的臂濃度妥，即n>>p。電子饑稱為相多數(shù)輸載流執(zhí)子(簡稱預多子)，空穴冠稱為極少數(shù)瓶載流詞子(簡稱既少子)。5價雜遣質原纏子稱架為施主凳原子妻。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖1.1.3N型半導體二、P型半童導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅哲或鍺功的晶庸體中酬摻入目少量吃的3價雜質惰元素職，如主硼、越鎵、羅銦等襪，即督構成P型半湖導體。+3空穴籮濃度載多于輩電子等濃度屬，即p>>n?？昭ㄝ啚槎帙o數(shù)載摩流子，電喊子為約少數(shù)余載流迎子。3價雜解質原倆子稱漲為受主上原子勵。受主到原子空穴圖1.米1.和4P型半導吉體說明穴：1.摻入倉雜質膛的濃雹度決點定多檔數(shù)載獲流子辰濃度睛；溫湯度決恰定少督數(shù)載顯流子股的濃濤度。3.雜質耍半導宮體總期體上乞保持鴉電中灰性。4.雜質烈半導喜體的廁表示各方法春如下柴圖所北示。2.雜質別半導錄體載流防子的厲數(shù)目要遠墨遠高翼于本世征半遼導體籠，因艷而其尚導電各能力宴大大訊改善燒。(a)N型半息導體(b)P型半推導體圖癢雜倍質半金導體攝的的枝簡化涉表示謙法在一繡塊半拋導體避單晶詳上一瓜側摻咬雜成怠為P型半惕導體摔，另母一側算摻雜嚇成為N型半甲導體陶，兩稍個區(qū)箭域的鼓交界累處就嚴形成慨了一攔個特餐殊的鎮(zhèn)薄層帥，稱為PN結。PNPN結圖PN結的房誠形成一、PN結的狗形成1.撒1.富3PN結PN結中渣載流攤子的餃運動耗盡窗層空間電荷區(qū)PN1.擴散額運動2.擴散私運動民形成習空間合電荷牢區(qū)電子課和空雹穴濃艷度差囑形成多數(shù)衡載流徹子的澡擴散藍運動東?！≒澇N結，沸耗盡奇層。PN（動畫1-忠3）3.空間蹄電荷受區(qū)產盜生內駐電場PN空間電荷區(qū)內電場Uho空間像電荷傳區(qū)正裕負離轎子之叮間電館位差Uho——電位液壁壘；——內電凝場；內患電場送阻止園多子誼的擴矩散——阻擋譜層。4.漂移痛運動內電違場有時利于紹少子宣運動—漂移烤。少子眾的運灶動與查多子陶運動刊方向捏相反阻擋層5.擴散痕與漂悔移的違動態(tài)很平衡擴散哄運動戀使空叔間電扣荷區(qū)歲增大燦，擴績散電祝流逐歉漸減咳??；隨著琴內電莖場的拿增強壘，漂幟移運朋動逐搬漸增皆加；當擴帽散電賤流與呈漂移脹電流儲相等陸時，PN結總溉的電秀流等供于零抹，空兔間電尿荷區(qū)秩的寬和度達團到穩(wěn)自定。即擴散兼運動鞠與漂弓移運律動達截到動煤態(tài)平原衡。PN二、PN結的聯(lián)單向我導電胳性1.PN結外加近正向粒電壓偽時處藍于導垃通狀鑼態(tài)又稱框正向譯偏置梢，簡傳稱正它偏。外電場方向內電場方向耗盡層VRI圖1.青1.跌6PN二、PN結的卻單向及導電疏性1.PN結外加踐正向能電壓括時處圣于導澇通狀毒態(tài)又稱顆正向鹿偏置變，簡尚稱正坊偏。外電場方向內電場方向耗盡層VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大的正向電流。圖1.虹1.郊6PN在PN結加壟上一俱個很砍小的假正向錦電壓柄，即框可得餃到較尋大的視正向改電流暗，為釋防止跳電流廁過大草，可在接入放電阻R。2.PN結外加與反向秩電壓硬時處疏于截離止狀熱態(tài)(反偏)反向掃接法流時，榜外電辱場與咱內電緞場的急方向懼一致眨，增步強了襯內電主場的妄作用現(xiàn)；外電妨場使肅空間影電荷集區(qū)變啞寬；不利償于擴寒散運鑄動，橋有利枕于漂閣移運控動，房誠漂移刪電流區(qū)大于憐擴散先電流奔，電省路中劍產生驕反向荷電流I；由于鏟少數(shù)婦載流息子濃調度很啊低，雨反向琴電流艇數(shù)值撲非常哀小。耗盡層圖1.惠1.脊7PN結加雨反相破電壓主時截煌止反向讓電流探又稱反向慚飽和野電流。對溫吊度十湯分敏抽感，隨著涼溫度斧升高近，IS將急殘劇增峰大。PN外電場方向內電場方向VRIS當PN結正抽向偏母置時桑，回豆路中刷將產最生一肌個較牛大的怕正向史電流講，PN結處掩于導通譽狀態(tài)；當PN結反某向偏軍置時案，回詳路中群反向僵電流揉非常謝小，喚幾乎槐等于悉零，PN結處架于截止宴狀態(tài)。（動畫1-旺4）（動畫1-片5）綜上孔所述聰：可見踩，PN結具助有單向患導電浪性。IS：反向植飽和亂電流UT：溫度貢的電胞壓當癥量在常協(xié)溫(30早0私K)下，UT26溝m警V三、PN結的舊電流稱方程PN結所娃加端托電壓u與流復過的追電流i的關數(shù)系為公式胡推導灘過程橋略四、PN結的關伏安揉特性i=f(u)之間阿的關則系曲弊線。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向丹特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向每特性圖1.未1.挨10PN結的緣瑞伏安賄特性反向以擊穿五、PN結的糞電容嘉效應當PN上的已電壓衛(wèi)發(fā)生診變化效時，PN結中踩儲存均的電秤荷量竿將隨呆之發(fā)踩生變嘗化，念使PN結具界有電蘋容效壺應。電容耍效應割包括礙兩部窄分勢壘廁電容擴散辯電容1.勢壘梳電容Cb是由PN結的空間陣電荷蝴區(qū)變鍋化形哨成的糾。(a)PN結加正向嶺電壓（b)PN結加反向莖電壓-N空間電荷區(qū)PVRI+UN空間電荷區(qū)PRI+-UV空間味電荷主區(qū)的張正負傷離子縮慧數(shù)目渴發(fā)生稱變化察，如歡同電壩容的泥放電店和充嶺電過投程。勢壘陳電容褲的大株小可渾用下嘆式表便示：由于PN結寬度l隨外肆加電艘壓u而變幻玉化，衫因此勢壘茫電容Cb不是蛛一個倦常數(shù)。其Cb=f(U)曲線撲如圖凍示。：半肥導體晝材料準的介探電比很系數(shù)幣；S：結面哀積；l：耗盡朝層寬衣度。OuCb圖1.1.11（b)2.擴散矩電容CdQ是由去多數(shù)悄載流挖子在葬擴散霧過程擦中積弄累而議引起蔑的。在某歡個正槽向電固壓下該，P區(qū)中的啟電子畝濃度np(或N區(qū)的打空穴劣濃度pn)分布隊曲線期如圖軟中曲竭線1所示研。x=潑0處為P與泄耗盡橫層的罷交界竹處當電勒壓加或大，np(或pn)會升高杏，如翼曲線2所示(反之就濃度賄會降旗低)。OxnPQ12Q當加情反向籃電壓糟時，差擴散喘運動忙被削樓弱，模擴散驕電容鄉(xiāng)豐的作折用可斯忽略自。Q正向別電壓健變化棒時，津變化飄載流歇子積咸累電爭荷量規(guī)發(fā)生租變化倡，相軟當于漏電容責器充慘電和村放電漲的過棕程——擴散哈電容長效應彼。圖1.耽1.芳12PNPN結綜上牌所述忘：PN結總的旨結電孫容Cj包括硬勢壘鴉電容Cb和擴散何電容Cd兩部原分。Cb和Cd值都幼很小霧，通騾常為釘幾個窗皮法~幾十總皮法唱，盲有失些結廁面積歡大的批二極墳管可腹達幾智百皮地法。當反軟向偏賓置時少，勢狠壘電油容起眨主要蒜作用碧，可離以認側為CjCb。一般淋來說還，當尤二極瞇管正蓄向偏結置時蘇，擴瞇散電獵容起打主要捎作用間，即籍可以醋認為CjCd；在信么號頻蹈率較遭高時揉，須膨考慮惑結電刺容的乖作用貨。1.潮2半導冤體二嬸極管在PN結上庫加上析引線檢和封疾裝，爐就成莖為一為個二菊極管媽。二極論管按泛結構饞分有點接不觸型稻、面關接觸糖型和美平面鞭型圖1.內2.兩1二極智管的魚幾種外形1點接哲觸型則二極影管(a)點接觸型

二極管的結構示意圖1.絨2.撕1半導搜體二棚極管丘的幾豆種常鑰見結襖構PN結面狼積小述，結皇電容抓小，五用于漲檢波殘和變牽頻等云高頻新電路吃。3平面古型二償極管往往腦用于游集成忌電路伏制造猾工藝棉中。PN結面灘積可隙大可攻小，蜓用于此高頻脹整流陶和開關關電恭路中巧。2面接敲觸型胡二極蜜管PN結面族積大際，用獸于工依頻大苦電流他整流究電路錄。(b)面接觸型(c)平面型4二極蘿管的暑代表烘符號D1.勇2.鳥2二極滑管的棟伏安鏈特性二極亞管的稻伏安冷特性敗曲線勻可用蹤蝶下式厚表示硅二極管2CP10的伏安特性正向棄特性反向殖特性反向漁擊穿禁特性開啟痛電壓宗：0.惡5V導通電晚壓：0.河7一、棄伏安痛特性鍺二極管2AP15的伏安特性UonU(BR)開啟部電壓啟：0.番1V導通電亞壓：0.捕2V二、上溫度咬對二丘極管犧伏安搏特性限的影賴響在環(huán)境策溫度榜升高層時，府二極館管的皂正向倘特性虎將左浮移，哀反向廳特性正將下鎮(zhèn)移。二極辜管的猴特性嬌對溫豎度很催敏感丹，具有老負溫參度系村數(shù)。–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.020溫度增加1.末2.絹3二極白管的健參數(shù)(1設)最大溪整流航電流IF(2填)反向酒擊穿醋電壓U（BR）和最芝高反揮向工顫作電瘡壓URM(3老)反向僵電流IR(4雪)最高脖工作社頻率fM(5閱)極間鈴電容Cj在實際案應用淘中，罰應根醫(yī)據(jù)管案子所隆用的齡場合鼻，按稅其所撕承受鑰的最寧高反竟向電冒壓、泡最大扇正向虹平均訓電流院、工乳作頻旗率、牽環(huán)境攻溫度膠等條鈴件，籮選擇想滿足剝要求幫的二刺極管討。1.連2.奶4二極費管等效暴電路一、借由伏如安特殘性折餃線化長得到臉的等聞效電繁路1.理想模型2.恒壓降模型3.折線模型二、欄二極歌管的浴微變貝等效桿電路二極宮管工疫作在利正向潑特性倘的某禽一小鎮(zhèn)范圍醉內時衰，其誓正向匙特性飲可以圍等效艷成一程個微莫變電短阻。即根據(jù)得Q點處云的微藥變電念導則常溫紀下（T=3冰00燒K）圖1.2.7二極管的微變等效電路應用蝕舉例二極莖管的腐靜態(tài)局工作雷情況貨分析理想揭模型（R=10k）VDD=10V時恒壓屋模型（硅二極管典型值）折線攻模型（硅二極管典型值）設應用癥舉例例1：P6減9習題1.陣2解：趙采用域理想來電路放模型ui和uo的波包形如單圖所吹示例2：電路勵如圖a所示寬，二捉極管挑導通期電壓板為0.點7V向,輸入湊電壓u11、u12如圖b所示解：石采用哥恒壓抄降電氏路模魔型二個嘩二極言管共儉陽極督接法輸入點電壓陡小者從先導糞通ui和uo的波爺形如絮圖所行示1.充2.食5穩(wěn)壓乏二極閥管一、肅穩(wěn)壓喜管的摘伏安同特性(a)符號(b)2CW17伏安特性利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)，反向電壓應大于穩(wěn)壓電壓。DZ(1爽)穩(wěn)定屬電壓UZ(2膝)動態(tài)軟電阻rZ在規(guī)培定的社穩(wěn)壓置管反野向工衣作電暖流IZ下，譜所對疊應的伶反向探工作竄電壓享。rZ=VZ/IZ(3牧)額定除功耗PZM(=發(fā)UZ×IZM