[工学]第1章 常用半导体器件.ppt

1 模拟电子技术基础 聊城大学物理科学与信息工程学院杨少卿 2 模拟电子技术基础 是电子信息科学与技术专业 通信工程专业 电子信息工程专业以及物理学专业本 专科的一门重要的专业核心课 具有很强的综合性 技术性和实用性 该课程的研究对象是电子元器件及其组成的电路 包括分立 集成电路 主要研究常用半导体器件 基本放大电路 多级放大电路 集成运算放大电路 放大电路的频率响应 放大电路中的反馈 信号的运算和处理 波形的发生和信号的变换 功率放大电路 直流电源和模拟电子电路读图等内容 模拟电路已经广泛地应用于国防和国民经济的各个领域并极大地促进了相关领域的迅速发展 特别是模拟电路中的新器件 新技术 新方法的广泛应用 使得电子测量和探索自然规律的实验方法进入了一个新阶段 因此 模拟电子技术基础 具有重要的地位和作用 3 模拟电子技术基础 与其他课程的联系 本课程的先修课程是普通物理 电路分析基础等 原子物理部分中的核外电子运动的规律 原子的能级 壳层结构 能带理论由普通物理讲授 本课程在此基础上进一步研究半导体器件的原理和性能 电压源 电流源 受控源等概念 基尔霍夫定律 叠加定理 戴维南定理和诺顿定理 以及RC电路时间常数等概念由电路分析基础 电工学 讲授 本课程应用上述内容分析讨论具体的电子电路等内容 同步课程 数字电子技术 数字电路与逻辑设计 后续课程 微机原理 高频电路等 4 课程教学目标 1 掌握模拟电路中的基本概念 电子元器件的功能和使用 2 掌握组成模拟电路的各种单元电路 放大 振荡等 的工作原理 性能和特点 3 掌握模拟电路的基本原理 基本分析方法和计算方法 例如放大电路 反馈电路等基本分析方法 使学生具有一定的电路分析 计算的能力 4 在实验技能方面 能比较熟练地掌握模拟电子电路常用测试仪器的使用方法与基本测试技术 对电子线路的基本单元电路具有初步设计 安装和调试的能力 5 适当引入近些年来电子技术的新器件 新技术 新方法 以利于学生了解电子技术的新发展 扩展知识面 开阔视野 5 教学内容与要求 64学时 实验30学时 学分 4 2 第一章常用半导体器件 6学时 习题课2学时 第二章基本放大电路 10学时 习题课2学时 第三章多级放大电路 4学时 第四章集成运算放大电路 2学时 第五章放大电路的频率响应 4学时 第六章放大电路中的反馈 8学时 第七章信号的运算和处理 8学时 第八章波形的发生和信号的转换 8学时 第九章功率放大电路 4学时 第十章直流电源 4学时 第十一章模拟电子电路读图 2学时 了解 6 参考书目 模拟电子技术基础 第四版 清华大学电子学教研组编 华成英 童诗白主编 高等教育出版社 2007 模拟电子技术基础第四版习题解答 华成英编 高等教育出版社 2007 模拟电子技术简明教程 华成英主编 清华大学出版社2006 模拟电子技术简明教程 第二版 清华大学电子学教研组编 杨素行主编 高等教育出版社 1998 模拟电子技术基础 华中理工大学电子学教研室编 陈大钦主编 高等教育出版社 2000 电子技术基础 模拟部分 第四版 华中理工大学电子学教研室编 康华光主编 高等教育出版社 1999 模拟电子技术常见题型解析及模拟题 张畴先主编 西北工业大学出版社 7 第0章导言电子技术的发展 1947年贝尔实验室制成第一只晶体管 1958年集成电路 1969年大规模集成电路 1975年超大规模集成电路 第一片集成电路只有4个晶体管 而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管 有科学家预测 集成度还将按10倍 6年的速度增长 到2015或2020年达到饱和 学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展 很大程度上反映在元器件的发展上 按照集成度的高低 将集成电路分为以下几类 小规模集成电路 100个元件和连线以下 SmallScaleIntegration SSI 中规模集成电路 几百个元件和连线 MediumScaleIntegration MSI 大规模集成电路 几千个元件和连线 LargeScaleIntegration LSI 超大规模集成电路 一万个以上元件和连线 VeryLargeScaleIntegrationVLSI 8 1 信号 是反映消息的物理量 信息需要借助于某些物理量 如声 光 电 的变化来表示和传递 电信号是指随时间而变化的电压u或电流i 记作u f t 或i f t 模拟信号与模拟电路 如工业控制中的温度 压力 流量 自然界的声音信号等等 因而信号是消息的表现形式 2 电信号 由于非电的物理量可以通过各种传感器较容易的转换成电信号 而电信号又容易传送和控制 因此电信号成为应用最为广泛的信号 9 3 电子电路中信号的分类模拟信号对应任意时间值t均有确定的函数值u或i 并且u或i的幅值是连续取值的 即在时间和数值上均具有连续性 数字信号在时间和数值上均具有离散性 u或i的变化在时间上不连续 总是发生在离散的瞬间 且它们的数值是一个最小量值的整数倍 当其值小于最小量值时信号将毫无意义 大多数物理量所转换成的信号均为模拟信号 10 4 模拟电路模拟电路 对模拟量进行处理的电路 最基本的处理是对信号的放大 放大 输入为小信号 有源元件控制电源使负载获得大信号 并保持线性关系 有源元件 能够控制能量的元件 5 模拟电子技术基础 课程的内容半导体器件 处理模拟信号的电子电路及其相关的基本功能 各种放大电路 滤波电路 运算电路 信号转换电路 信号发生电路 电源电路等等 模拟电路的分析方法 不同的电子电路在电子系统中的作用 11 模拟电子技术基础 课程的特点 1 工程性 P5实际工程需要证明其可行性 强调定性分析 实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存在一定的误差范围的 电子电路的定量分析称为 估算 近似分析要 合理 抓主要矛盾和矛盾的主要方面 估算不同的参数需采用不同的模型 电子电路归根结底是电路 可用电路的基本理论分析电子电路 线性化 2 实践性 P6实用的模拟电子电路几乎都需要进行调试才能达到预期的目标 因而要掌握以下方法 常用电子仪器的使用方法电子电路的测试方法故障的判断与排除方法EDA软件的应用方法 12 第一章常用半导体器件 1 1半导体的基础知识 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 了解 1 6集成电路中的元件 了解 重点掌握 基本概念 晶体二极管的伏安特性及主要参数 晶体三极管和场效应管输入 输出特性及主要参数不要将注意力过多放在管子内部 而以理解外特性为主 13 1 1半导体的基本知识 导体 半导体和绝缘体 导体 容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 绝缘体 几乎不导电的物质称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英等 半导体 导电特性介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 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 会使它的导电能力明显改变 例如 室温下 在纯硅中掺入百万分之一的硼 可以使硅的导电能力提高50万倍 14 1 1 1本征半导体 一 本征半导体的结构特点 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 现代电子学中 用的最多的半导体是硅 14 和锗 32 它们的最外层电子 价电子 都是四个 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体 15 在硅和锗晶体中 原子按四角形系统组成晶体点阵 每个原子都处在正四面体的中心 而四个其它原子位于四面体的顶点 每个原子与其相临的原子之间形成共价键 共用一对价电子 硅和锗的晶体结构 16 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的正离子 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 17 二 本征半导体的导电机理 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚着 本征半导体中没有可以运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 在常温下 由于热激发 使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为自由电子 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 1 载流子 自由电子和空穴 自由电子 空穴 束缚电子 本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现的 而且数量相等 称为电子空穴对 18 2 本征半导体的导电机理 在电场力的作用下 自由电子作定向移动 空穴也会吸引附近的价电子来依次填补 结果相当于空穴也作定向移动 而空穴的移动相当于正电荷的移动 因此也可以认为空穴是载流子 自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空穴而消失 称为复合 在一定的温度下 热激发产生的自由电子与空穴对 与复合的自由电子与空穴对数目相等 故达到动态平衡 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 在一定温度下 载流子的浓度是一定的 温度越高 载流子的浓度越高 本征半导体的导电能力越强 本征半导体中电流由两部分组成 自由电子移动产生的电流 空穴移动产生的电流自由电子和空穴都参与导电 19 1 1 2杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加了 P型半导体 在本征半导体中掺入三价元素 如硼 构成的杂质半导体 N型半导体 在本征半导体中掺入五价元素 如磷 构成的杂质半导体 20 一 N型半导体 多余电子因不受共价键的束缚成为自由电子 同时磷原子就成为不能移动的带正电的离子 称为施主原子 另外N型半导体中还有少量的空穴 其浓度远小于自由电子的浓度 所以把自由电子称为多数载流子 空穴称为少数载流子 简称多子和少子 在本征半导体中掺入五价元素 多余电子 磷原子 21 二 P型半导体 P型半导体中空穴是多数载流子 电子是少数载流子 当附近硅原子的外层电子由于热运动填补空穴时 硼原子成为不可移动的负离子 硼原子称为受主原子 在本征半导体中掺入三价元素 空穴 硼原子 22 三 杂质半导体的示意表示法 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 近似认为多子浓度与所掺杂质浓度相等 23 一 PN结的形成 在同一片半导体基片上采用不同的掺杂工艺分别制造P型半导体和N型半导体 由于浓度的不同 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 1 1 3PN结 由于浓度差而产生的运动称为扩散运动 24 在电场力的作用下 载流子的运动称为漂移运动 随着扩散运动的进行 空间电荷区加宽 内电场增强 阻止扩散运动的进行 但有利于少子的漂移 空间电荷区 也称耗尽层 空间电荷区中没有载流子 P区中的电子和N区中的空穴 都是少子 数量有限 因此由它们形成的电流很小 PN结具有单向导电性 当扩散的多子和漂移的少子数目相等时 达到动态平衡 形成PN结 25 1 PN结正向偏置P正N负 导通 内电场被削弱 多子的扩散加强 能够形成较大的扩散电流 二 PN结的单向导电性 限流电阻 26 2 PN结反向偏置P负N正 截止 内电场被加强 多子的扩散受抑制 少子漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的反向电流 PN结具有单向导电性 反向饱和电流 27 三 PN结的电流方程 由理论分析知 PN结外加电压u与流过的电流i的关系为 其中 IS为反向饱和电流 q为电子电量 k为玻尔兹曼常数 T为热力学温度 将kT q用UT代替 得 常温下 T 300K UT 26mV 28 四 PN结的伏安特性 正向特性 u 0 反向特性 u 0 反向击穿部分 PN结处于反向偏置时 反向电压超过某一数值时 反向电流急剧增加 这种现象称反向击穿 五 PN结的电容效应 了解 在一定条件下 PN结具有电容效应 势垒电容 扩散电容 29 1 2半导体二极管 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 点接触型 结面积小 结电容小故结允许的电流小最高工作频率高高频 小功率整流 面接触型 结面积大 结电容大故结允许的电流大最高工作频率低整流 符号 平面型 结面积可小 可大小的工作频率高大的允许的电流大开关 大功率整流 1 2 1二极管的几种常见结构 30 1 2 2二极管的伏安特性 开启电压Uon 硅管0 5V 锗管0 1V 导通电压 硅管0 6 0 8V 锗管0 1 0 3V 反向击穿电压UBR 31 温度对二极管伏安特性的影响 在室温附近 温度每升高1 正向压降减小2 2 5mV 温度每升高10 反向电流大约增大一倍 可见 二极管的特性对温度很敏感 温度升高 正向曲线左移 反向曲线下移 32 1 2 3二极管的主要参数P15 1 最大整流电流IF 二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 2 最高反向工作电压UR 二极管工作时允许外加的最大反向电压 通常UR是击穿电压UBR的一半 3 反向电流IR 4 最高工作频率fM 指二极管加反向电压且未击穿时的反向电流 二极管工作的上限频率 二极管的应用 主要利用它的单向导电性 应用于整流 限幅 保护等等 33 1 理想模型 3 折线模型 2 恒压降模型 1 2 4二极管的等效电路 等效模型 一 由伏安特性折线化得到的等效电路 34 若 则 若 则 精确计算 P22例1 2 1 UD 0 7V S断开时 D导通 S闭合时 D截止 35 理想二极管 开启电压 0V 导通压降 0V 二极管 开启电压 0 5V 导通压降 0 7V 硅二极管 1 二极管半波整流 二极管应用电路举例 36 2 二极管与门电路 电压功能表 0 7V0 7V0 7V3 7V 硅管UD 0 7V 37 3 二极管或门电路 电压功能表 0V2 3V2 3V2 3V 硅管UD 0 7V 38 二 二极管的微变等效电路 当二极管外加正向电压时 将有一直流电流 用二极管特性曲线上的点Q表示 rd称为微变电阻 二极管的动态电阻可用右图表示 若在Q点基础上外加微小的变化量 则可用以Q点为切点的直线来近似 即将二极管等效为一个动态电阻rd 39 电路波形分析 直流电压源和交流电压源同时作用的二极管电路 uR V ui uD ui单独作用时 V和ui同时作用时 40 1 2 5稳压二极管 IZ UZ 稳压二极管工作在二极管特性曲线的反向击穿部分 符号和等效电路 外接负载电阻 稳定电压 稳定电流 41 2 稳定电流IZ 3 额定功耗 稳压二极管的主要参数 P24 1 稳定电压UZ 4 动态电阻 42 稳压二极管的应用举例 P25 如图所示电路 稳压管的 输入电压UI 10V 负载电阻RL 600 求限流电阻R的取值范围 解 43 限流电阻R的取值范围为114 227 44 一 发光二极管 发光二极管 有足够大的正向电流流过时 能发出一定波长范围的光 1 2 6其它类型的二极管P25 27 45 二 光电二极管 光电二极管是一种把光能转换成电能的器件 它的反向电流随光照强度的增加而上升 作业 1 2 1 3 1 5 1 6 1 7 46 结构特点 1 发射区的掺杂浓度最高 2 集电区掺杂浓度低于发射区 且面积大 3 基区很薄 一般在几个微米至几十个微米 且掺杂浓度最低 1 3双极型晶体管 半导体三极管 1 3 1基本结构和类型 晶体管的几种常见外形 由两个PN结背靠背组成 发射极 集电极 基极 发射区 基区 集电区 47 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 发射区 基区 集电区 发射结 集电结 48 1 3 2晶体管的电流放大作用 VBB Rb 基区空穴向发射区的扩散可忽略 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IB多数扩散到集电结 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE 一 晶体管内部载流子的运动 从基区扩散来的电子作为少子 漂移进入集电区被收集 形成IC 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO IEN IBN IB IBN IEP ICBO IE IEN IEP 49 VBB Rb IB 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IB多数扩散到集电结 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE 一 晶体管内部载流子的运动 从基区扩散来的电子作为少子 漂移进入集电区被收集 形成IC IE IE IC IB 50 二 晶体管的电流分配关系 IC ICN ICBO IB IBN IEP ICBO IB ICBO IE IEN IEP IE IC IB 三 晶体管的共射电流放大系数 ICN与IB 之比称为直流电流放大系数 e开路时 集电结反向电流 b开路时 ce间的穿透电流 51 要使三极管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 在前面电路的基础上 若有交流电压 UI输入 在一定范围内 则在IB的基础上叠加动态电流 iB 在IC的基础上叠加动态电流 iC iC与 iB之比称为交流电流放大系数 52 总结 IE IC IB 53 1 3 3晶体管的共射特性曲线 54 一 输入特性曲线 导通压降 硅管UBE 0 6 0 8V 锗管UBE 0 1 0 3V 开启电压 硅管0 5V 锗管0 1V 55 二 输出特性曲线 IB 0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 放大区IC IB 截止区 IB 0 IC 0 饱和区IC IB 临界饱和UCE UBEUBC 0 56 输出特性三个区域的特点 1 截止区 发射结反偏UBE UON IB 0 IC ICEO 0 倒置状态 反偏状态 发射结反偏 集电结正偏 即c e互换 IE IB Ic IE IB 但是 0 01 0 02 57 例1 判断NPN型硅晶体管的工作状态 UON 0 5v 放大 饱和 放大 截止 58 例2 50 VCC 12V Rb 70k RC 6k UBE 0 7V分析VBB 2V 2V 5V时晶体管的工作状态 解 当VBB 2V时 UBE 0V 晶体管截止IB 0 IC 0 当VBB 2V时 UBE VON 晶体管导通 IC最大饱和电流 IC ICmax工作在放大区 59 例2 50 VCC 12V Rb 70k RC 6k UBE 0 7V分析VBB 2V 2V 5V时晶体管的工作状态 当VBB 5V时 UBE VON 晶体管导通 IC最大饱和电流 IC ICmax工作在饱和区 或者 假设工作在放大区 假设错误 工作在饱和区 60 1 3 4晶体管的主要参数 共射直流电流放大倍数 工作于动态的三极管 真正的信号是叠加在直流上的交流信号 基极电流的变化量为 IB 相应的集电极电流变化为 IC 则交流电流放大倍数为 1 电流放大倍数 和 例 UCE 6V时 IB 40 A IC 1 5mA IB 60 A IC 2 3mA 在以后的计算中 一般作近似处理 61 2 集 基极反向饱和电流ICBO ICBO是发射极开路时 集电结反偏由少子的漂移形成的反向饱和电流 受温度变化的影响较大 62 3 基极开路时 集 射极间的穿透电流ICEO b e c N N P ICEO IBP ICBO 1 ICBO ICBO进入N区 形成IBP 根据放大关系 由于IBP的存在 必有电流 IBP 集电结反偏有ICBO ICEO受温度影响很大 当温度上升时 ICEO增加很快 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 63 4 集电极最大电流ICM 集电极电流IC大到一定程度时 会导致三极管的 值下降 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM 5 反向击穿电压 UCBO 发射极开路时集电极 基极间的反向击穿电压UCEO 基极开路时集电极 发射极间的反向击穿电压UEBO 集电极开路时发射极 基极间的反向击穿电压 64 6 集电极最大允许功耗PCM 集电极电流IC流过三极管所产生的功耗为 PC ICUCE PC太大必定导致结温上升 所以PC有限制 PC PCM PCM ICUCE 常数 安全工作区 65 1 3 5温度对晶体管特性及参数的影响 1 对ICBO的影响 温度升高 ICBO增大 2 对输入特性的影响 3 对输出特性的影响 66 例 单管放大电路中 电源电压为30V 已知三只管子的参数 请选择合适的管子 T2最合适 67 由PNP型三极管组成的基本放大电路 电源电压为负 同样具有三个区 放大区 发射结正偏 集电结反偏饱和区 发射结 集电结均正偏截止区 UBE VON 特性曲线 68 1 3 6光电三极管 光电三极管根据光照的强度来控制集电极电流的大小 光电三极管的等效电路 符号和外形 69 光电三极管的输出特性曲线 作业 1 8 1 9 1 10 1 12 70 1 4场效应管 场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件 它仅靠多数载流子导电 又称单极型晶体管 场效应管不但具有双极型晶体管体积小 重量轻 寿命长等优点 而且具有输入阻抗高 噪声低 热稳定性好 抗辐射能力强 能耗低等优点 结型场效应管 JFET 绝缘栅型场效应管 MOS 场效应管有两种 71 1 4 1结型场效应管 结型场效应管的结构 栅极 源极 漏极 结构示意图和符号 N型导电沟道 两边是P区 基底 N型半导体 栅极 源极 漏极 72 一 工作原理 以N沟道为例 为使N沟道结型场效应管正常工作 应在栅源之间加负电压 以保证耗尽层反偏 在漏源之间加正电压 以形成iD 1 UDS 0V时 UGS对导电沟道的控制作用 UGS 0有导电沟道R较小 UGS off UGS 0沟道变窄R增大 UGS UGS off 沟道夹断R 耗尽层闭合 沟道消失时的UGS称为夹断电压UGS off 73 2 UGS off UGS 0时 UDS对漏极电流iD的影响 UDS 0 iD 0 UDS增加 未夹断 iD增加UGD UGS off UDS再增加到UGD UGS off 预夹断 UDS再增加 夹断区加长 iD不再增加UGD UGS off 74 3 UGD UGS off 时 UGS对漏极电流iD的控制作用 UGD UGS UDS UGS off 时 UDS再增加 夹断区加长 iD不再增加 恒流区 此时 可通过改变UGS来控制iD的大小 UGS 减小 iD增加 故称场效应管为电压控