1-常用半导体器件-1

主讲：张静秋副教授,答疑联系电话模拟电子技术基础,办公地点：民主楼212室,模拟电子技术基础 （电 类）,主 编 罗桂娥 副主编 张静秋 罗群,指 定 教 材,中 南 大 学 出 版 社,教学要求,1. 遵守课堂纪律，保持良好的氛围,2. 认真完成作业，跟上教学进度,3. 按时交作业，及时订正,达到如下之一者 取消考试资格 随机点名4次不到； 缺交作业三分之一；,4. 有疑问及时解决,第1章 常用半导体器件,1. 二极管,实际伏安特性,简化伏安特性,电路模型,教学要点和学习方法介绍,第1章 常用半导体器件,2. 稳压二极管,教学要点和学习方法介绍,第1章 常用半导体器件,3. BJT三极管,教学要点和学习方法介绍,第1章 常用半导体器件,4. FET三极管,教学要点和学习方法介绍,第2章 基本放大电路,1. 放大电路作用,教学要点和学习方法介绍,第2章 基本放大电路,2. 放大电路的组成原则,教学要点和学习方法介绍,分析方法 性能指标 应用场合,第2章 基本放大电路,4. 多级放大电路耦合方式,教学要点和学习方法介绍,分析方法 性能指标,第3章 基本放大电路,教学要点和学习方法介绍,放大电路的增益带宽积 近似为常数,第4章 功率放大电路,教学要点和学习方法介绍,电路特点 分析方法 功率和效率计算 功放管选择,第5章 模拟集成电路,教学要点和学习方法介绍,第6章 放大电路的负反馈电路,教学要点和学习方法介绍,1.引入反馈的目的： 改善性能指标 2.判断反馈极性 反馈类型,3.根据信号源及负载确定反馈类型,第7章 信号运算与处理电路,教学要点和学习方法介绍,1. 基本运算电路的分析和设计,2. 模拟乘法器及其应用,3. 有源滤波电路,第8章 波形发生与变换电路,教学要点和学习方法介绍,正弦波振荡器,非正弦波振荡器,方波、 三角波、 锯齿波等,交 流 电 源,电子设备,220 V，50Hz,U2，50Hz,单向 脉动电压,稳定直流,单向 脉动电压,第9章 直流稳压电源,教学要点和学习方法介绍,第1章 常用半导体器件,1.1 概述,1.2 半导体二极管,小 结,1.3 双极型晶体三极管,1.4 场效应管,教学内容：,第1章 常用半导体器件,教学重点：,PN结的单向导电性 二极管的伏安特性、电路模型 含二极管电路的分析方法 3. 三极管的放大特性、伏安特性、电路模型 工作状态（放大/饱和/截止）的确定,1.1 半导体基本知识,1.1.1 半导体的导电特性,1.1.2 杂质半导体,1.1.3 PN结,1.半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,温度为300K时几种材料的电阻率（cm）,1.710-8,600,101014,51012,1.610-8,2.3103,0.6,1.1.1 半导体的导电特性,2.本征半导体,纯净的半导体。如硅、锗单晶体。,硅原子,在热力学温度零度 和没有外界激发时, 本征半导体不导电。,共价键 相邻原子共有价电子 所形成的束缚。,价电子,2.本征半导体 （常温下）,在常温下 两种载流子 （自由电子和空穴） 成对出现,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子 空穴 成对出现,本征激发,复合,自由电子 空穴 成对消失,载流子 自由运动的带电粒子,本征激发： 在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱 共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中 留下一个空位(空穴)的过程。,复 合： 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对 消失的过程。,漂 移： 自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。,1.1.1 半导体的导电特性,两种载流子,电子(自由电子),空穴,两种载流子的运动,自由电子(在共价键以外)的运动,空穴(在共价键以内)的运动,结论：,1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；,2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；,3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。,1.1.1 半导体的导电特性,1. N 型半导体,磷原子,自由电子,自由电子为多数载流子,空穴为少数载流子,载流子数 电子数,自由电子数正离子数空穴数,1.1.2 杂质半导体,（N 型半导体和 P 型半导体）,硼原子,空穴,空穴 多子,自由电子 少子,载流子数 空穴数,空穴数负离子数自由电子数,常温下： Si原子浓度为 5*1022/cm3 掺杂离子浓度5*1016/cm3 本征激发浓度5*1010/cm3,2. P 型半导体,1.1.2 杂质半导体,（N 型半导体和 P 型半导体）,3. P 型与N 型半导体的简化示意图,P型,N型,1.1.2 杂质半导体,1. PN 结(PN Junction)的形成,1) 载流子的浓度差引起多子的扩散,2) 复合使交界面形成空间电荷区,(耗尽层),空间电荷区特点:,无载流子，,阻止扩散进行，,利于少子的漂移。,内建电场,3) 扩散和漂移达到动态平衡,扩散电流 等于漂移电流，,总电流 I = 0,1.1.3 PN 结,内电场,外电场,扩散运动加强形成正向电流 IF,= I多子 I少子 I多子,2. PN结的单向导电性,1) 外加正向电压,(正向偏置) forward bias,外电场使多子 向PN结移动, 中和部分离子 空间电荷区变窄,1.1.3 PN 结,2) 外加反向电压,(反向偏置) reverse bias,PN 结的单向导电性： 正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,漂移运动加强 形成反向电流 IR,0 I少子=,外电场使少子 背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽,2. PN结的单向导电性,1.1.3 PN 结,3. PN 结的伏安特性,反向 饱和电流,温度的 电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数,当 T = 300(27C)：,UT = 26 mV,加正向电压时：,加反向电压时：,iIS,反向饱和,反向击穿,正向特性,1.1.3 PN 结,1.2 半导体二极管,1.2.1 二极管的结构和类型,1.2.2 二极管的伏安特性,1.2.3 二极管的主要参数,1.2.4 二极管常用电路模型,1.2.5 稳压二极管,1.2.6 二极管的应用举例,构成：,符号：,(anode) A,C(cathode),分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,1.2.1 二极管的结构和类型,1.2.1 二极管的结构和类型,1.2.1 二极管的结构和类型,二极管伏安特性方程 （同PN结）,反向 饱和电流,温度的 电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数,当 T = 300(27C)：,UT = 26 mV,1.2.2 二极管的伏安特性,2. 二极管的伏安特性,正向特性,Uth,死区 电压,iD = 0,Uth = 0.5 V,0.1 V,(硅管),(锗管),U Uth,iD 急剧上升,0 U Uth,UD(on) = (0.6 0.8) V,硅管 0.7 V,(0.2 0.4) V,锗管 0.3 V,反向特性,U (BR),反向击穿,U(BR) U 0,iD = IS, 0.1 A(硅),几十 A (锗),U U(BR) ,反向电流急剧增大,(反向击穿),反向击穿类型：,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿： (Zener),掺杂较高，耗尽层薄，反向电场足够强，将电子强行拉出共价键。 (击穿电压 6 V，负温度系数),雪崩击穿：,反向电场使电子加速动能增大，撞击使自由电子数突增。, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,(击穿电压 6 V，正温度系数),击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。,2. 二极管的伏安特性,硅管的伏安特性,锗管的伏安特性,1.2.2 二极管的伏安特性,温度对二极管特性的影响,UD(on)具有负温度特性： 温度每上升 1C， 约下降(2 2.5) mV,IS 具有正温度特性： 温度每上升 10C， IS约增加一倍,1.2.2 二极管的伏安特性,1） IF 最大整流电流(最大正向平均电流),2) URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2,3) IR 反向电流(越小单向导电性越好),4) fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差),1.2.3 二极管的主要参数,影响工作频率的原因 ,PN 结的电容效应,结论： 1) 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。 高频时，因容抗减小，使结电容分流， 导致单向导电性变差。 2) 结面积小时结电容小，工作频率高。,1.2.3 二极管的主要参数,1. 理想二极管模型,特性,符号及等效模型,正偏则导通，uD = 0； iD由外电路决定,1.2.4 二极管的常用电路模型,反偏则截止： iD = 0 ， U(BR)由外电路决定,2. 二极管的恒压降模型,UD(on),uD = UD(on),0.7 V ( Si ),0.3 V ( Ge ),特性,符号 等效模型,阳极电位比阴极高UD(on) 时,二极管导通; 管压降钳制在：,当二极管截止时: iD = 0 ， U (BR)由外电路决定,1.2.4 二极管的常用电路模型,3. 二极管低频小信号模型,特性,二极管动态电阻：,Q点切线斜率 1/ rD,直流电阻：,在Q点附近小范围内， 将二极管近似看成线性器件,1.2.4 二极管的常用电路模型,rd 值与Q点的位置有关；,3. 二极管低频小信号模型,uS = 20 sin t (mV),1.2.4 二极管的常用电路模型,线性电路符合叠加原理,3. 二极管低频小信号模型,1.2.4 二极管的常用电路模型,注意低频小信号模型使用条件 ： 该模型仅限于用来计算叠加在工作点上微小电压或 电流变化时的响应。 当工作频率很高时，还要考虑PN结的结电容。,1. 伏安特性,符号,工作条件：反向击穿,等效模型,反偏时 起稳压作用,正偏时与 普通Si管相同,特殊工艺的Si管,1.2.5 稳压二极管,2. 主要参数,1）稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。,2）稳定电流 IZ 越大稳压效果越好， 小于 Imin 时不稳压。,3）最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZM,= UZ IZM,4）动态电阻 rZ,rZ = UZ / IZ,越小稳压效果越好。,几 几十 ,1.2.5 稳压二极管,5) 稳定电压温度系数 CT,一般：,UZ 4 V，CT 0 (为齐纳击穿)具有负温度系数；,UZ 7 V，CT 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数；,4 V UZ 7 V，CT 很小,2. 主要参数,1.2.5 稳压二极管,3. 基本稳压电路,KCL方程：IR = IZ + IL,KVL方程：UO= UI IR R,R的作用： （1）限流；（2）稳压；,稳压原理： （1）当RL 不变UI变时，,UIUoIzURUo,1.2.5 稳压二极管,稳压原理： （2）当UI 不变RL变时，,3. 基本稳压电路,结论： 在基本稳压电路中，不论是电网电压波动引起的UI变化，还是由于负载RL发生变化，输出电压都将保持稳定。,RL Uo（ Uz）IzIR,IoIR,Iz IoIR 基本不变,Uo 基本不变,1.2.5 稳压二极管,UR 基本不变,补充： 发光二极管与光敏二极管,1. 发光二极管 LED (Light Emitting Diode),1) 符号和特性,工作条件：正向偏置,一般工作电流几十 mA， 导通电压 (1 2) V,符号,特性,2)主要参数,电学参数：I FM ，U(BR) ，IR,光学参数：峰值波长 P，亮度 L，光通量 ,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 ,1. 发光二极管 LED (Light Emitting Diode),1. 发光二极管 LED (Light Emitting Diode),2. 光敏二极管,1)符号和特性,工作条件： 反向偏置,2)主要参数,电学参数：,暗电流，光电流，最高工作范围,光学参数：,光谱范围，灵敏度，峰值波长,实物照片,补充：选择二极管限流电阻,步骤：,1. 设定工作电压(如 0.7 V；2 V (LED)；UZ ),2. 确定工作电流(如 1 mA；10 mA；5 mA),3. 根据欧姆定律求电阻 R = (UI UD)/ ID,(R 要选择标称值),1.2.6 二极管应用举例,例 1： 下图电路中，硅二极管，R = 2 k， 分别用二极管理想模型和恒压降模型求出 VDD = 2 V 和 VDD = 10 V 时 IO 和 UO 的值。,实际电路,解,1. VDD = 2 V,IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA),UO = VDD = 2 V,2. VDD = 10 V,IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA),UO = VDD = 10V,理想模型,1.2.6 二极管应用举例,解,1. VDD = 2 V,UO = VDD UD(on) = 2 0.7 = 1.3 (V),IO = UO / R = 1.3 / 2 = 0.65 (mA),2. VDD = 10 V,UO = 10 0.7 = 9.3 (V),IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA),UD(on),恒压降模型,实际电路,例 1： 硅二极管，R = 2 k，用二极管恒压降模型 求出VDD = 2 V 和 VDD = 10 V 时 IO 和 UO 的值。,1.2.6 二极管应用举例,含二极管电路的基本分析方法： 根据外电路情况：VDD 大， 采用理想模型 VDD 小， 采用恒压降模型 断开二极管所在支路，分别判断阳极和阴极电位， 采用理想模型时： 阳极电位高于阴极则导通； 导通后，二极管两端压降为0，电流由外电路决定； 采用恒压降模型时： 阳极电位比阴极高0.7V则导通； 导通后，二极管两端压降为0.7V，电流由外电路决定; 截止时，流过二极管的电流为0，管压降由外电路决定;,1.2.6 二极管应用举例,例2： 试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压UO 的值。,解：假设二极管断开,VP = 15 V，,VP VN,二极管导通 等效为 0.7 V 的恒压源,P,N,UO = VDD1 UD(on)= 14.3 V,IO = UO / RL= 4.8 mA,I2 = (UO VDD2) / R = 2.3 mA,I1 = IO + I2 = 7.1 mA,1.2.6 二极管应用举例,例3： 二极管构成“门”电路，设 D1、D2 均为理想二极管， 当输入电压 UA、U