《半导体器》ppt课件

1、主讲人：申凤娟主讲人：申凤娟1半导体器件2根本放大电路及其分析设计方法6模拟电子技术的运用与开展3放大电路的频率呼应与负反响技术4通用集成运放及其运用5波形发生电路7直流稳压电源CONTENTS内容大纲内容大纲C 第一章第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.1 1.1 半导体根底知识半导体根底知识1.2 1.2 半导体二极管及其运用半导体二极管及其运用1.3 1.3 半导体三极管半导体三极管1.4 1.4 场效应晶体管场效应晶体管1.5 1.5 晶闸管晶闸管导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 普通都是导体。电阻率普通都是导体。电阻率

2、10-610-610-310-3绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。电阻率皮、陶瓷、塑料和石英。电阻率10910910201020半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘半导体：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、砷化镓等。体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓等。 电阻率电阻率10-310-3109109 。定义定义纯真的晶体构造的半导体叫做本征半导体。纯真的晶体构造的半导体叫做本征半导体。无杂质无杂质稳定的构造稳定的构造共价键共价键价电子共有化，构成共价键的晶格构造价电子共有化，构

3、成共价键的晶格构造本征半导体的构造及导电机理以硅Si为例半导体中有两种载流子半导体中有两种载流子: :自在电子和空穴自在电子和空穴自在电子自在电子空穴空穴在外电场作用下，电子的定向挪动构成电流在外电场作用下，电子的定向挪动构成电流+ + + + + + + + +- - - - - - - - -在外电场作用下，空穴的定向挪动构成电流在外电场作用下，空穴的定向挪动构成电流+ + + + + + + + +- - - - - - - - -1.1.本征半导体中载流子为电子和空穴金属呢？本征半导体中载流子为电子和空穴金属呢？2.2.电子和空穴成对出现电子和空穴成对出现, ,浓度相等。浓度相等。3.

4、3.由于热激发可产生电子和空穴由于热激发可产生电子和空穴, ,因此半导因此半导体的导电性和温度有关体的导电性和温度有关, ,对温度很敏感。对温度很敏感。1. N型半导体型半导体 在纯真的硅晶体在纯真的硅晶体中掺入五价元素中掺入五价元素如磷，使之取如磷，使之取代晶格中硅原子的代晶格中硅原子的位置，就构成了位置，就构成了N N型半导体。型半导体。电子电子-多子多子; ;空穴空穴-少子少子. .2. P型半导体型半导体 在纯真的硅晶体在纯真的硅晶体中掺入三价元素中掺入三价元素如硼，使之取如硼，使之取代晶格中硅原子的代晶格中硅原子的位置，就构成了位置，就构成了P P型半导体。型半导体。空穴空穴-多子多

5、子; ;电子电子-少子少子. .留意留意杂质半导体中，多子的浓度决议于掺杂原子的浓度；杂质半导体中，多子的浓度决议于掺杂原子的浓度；少子的浓度决议于温度。少子的浓度决议于温度。1. PN结的构成结的构成P区区N区区 物质因浓度差而产生的运动称为分散运动。气体、液体、固体均有之，包括电子和空穴的分散！在交界面，由于两种载流子的浓度差，出在交界面，由于两种载流子的浓度差，出产生分散运动。产生分散运动。I I扩扩在交界面，由于分散运动在交界面，由于分散运动, ,经过复合经过复合, ,出现空出现空间电荷区间电荷区 空间电荷区空间电荷区耗尽层耗尽层( (电荷层、势垒层电荷层、势垒层) )I I漂漂当分散

6、电流等于漂移电流时，到达动态当分散电流等于漂移电流时，到达动态平衡，构成平衡，构成PNPN结。结。PN结结I I扩扩I I漂漂1.1.由于分散运动构成空间电荷区和内电场由于分散运动构成空间电荷区和内电场; ;2.2.内电场妨碍多子分散，有利于少子漂移内电场妨碍多子分散，有利于少子漂移; ;3.3.当分散电流等于漂移电流时，到达动态当分散电流等于漂移电流时，到达动态平衡，构成平衡，构成PNPN结。结。2. PN结的单导游电性结的单导游电性 1) PN结外加正向电压时处于导通形状结外加正向电压时处于导通形状加正向电压是指加正向电压是指P端加正电压，端加正电压，N端加负电压，端加负电压，也称正向接法

7、或正向偏置。也称正向接法或正向偏置。 内电场内电场外电场外电场外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变窄，构成较大的分散电流。窄，构成较大的分散电流。2) PN结外加反向电压时处于截止形状结外加反向电压时处于截止形状外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变宽，构成很小的漂移电流。宽，构成很小的漂移电流。3. PN结的伏安特性结的伏安特性(小结小结) 正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿反向击穿PN结的电流方程为结的电流方程为)1(TUUSeIi其中，其中， IS 为反向饱和电流，为反向饱和电流， UT26mV，4. PN 结的电容

8、效应结的电容效应1 1 势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电一样，其等效电容称为势垒电容Cb。2 2分散电容分散电容 PN结外加的正向电压变化时，在分散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为分散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容： 结电容不是常量！假设PN结外加电压频率高到一定程度，那么失去单导游电性！1.2 半导体二极管半导体二极管 将将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。由半导体二极管。由P区引出的电极为阳极区引出的

9、电极为阳极A ，由，由N区区引出的电极为阴极引出的电极为阴极 K 。二极管的符号：二极管的符号：PN阳极阴极将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管大头大头负极负极小头小头正极正极材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅SiSi0.5V0.50.8V1A以下锗锗GeGe0.1V0.10.3V几十A)(ufi 开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常温下温度的温度的电压当量电压当

10、量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。 二极管的伏安特性-单导游电性！TeSTUuIiUu，则若正向电压) 1e (TSUuIi 伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) T正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10STIiUu，则若反向电压理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导

11、通时UDUon截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成线性关系成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！1 1将伏安特性折线化将伏安特性折线化？100V？5V？1V？k阴极阴极阳极阳极a理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0 折线化理想模型V 7 . 0on硅U硅二极管典型值硅二极管典型值V 2 . 0on锗U锗锗 二极管典型值二极管典型值导通压降：导通时导通时UDUon截止时截止时IS0 折线化恒压降模型直线斜率：1/ rDrD=U / II=V / R，忽略导通电压；I=VUon / R，思索导通电压；I=(VUon )/( RrD)，思

12、索导通电压和 斜率变化。 导通时导通时i与与u成线性关系成线性关系 折线化折线模型例题例题1：电路图如以下图：电路图如以下图 所示，所示，二极管二极管D为硅二极管求为硅二极管求U0开关断开时开封锁合时VVUVUDO3 . 5)7 . 06(1VVUO122应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！2 2微变等效电路微变等效电路DTDDdIUiur根据电流方程，Q越高，越高，rd越小。越小。 当二极管在静态根底上有一动态信号作用时，那么可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流No

13、ImageNoImage1. 最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运用时，允许流过二极管的最二极管长期运用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。大正向平均电流。2. 反向击穿电压反向击穿电压U(BR) 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单导游电性被破坏，甚至电流剧增，二极管的单导游电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向任务电压过热而烧坏。手册上给出的最高反向任务电压URUR普通是普通是U(BR)U(BR)的一半。的一半。NoImageNoImage3. 反向电流反向电流 IR 指二极管加反向峰值任务电压时的反向电流。指二极

14、管加反向峰值任务电压时的反向电流。反向电流大，阐明管子的单导游电性差，因此反向电流大，阐明管子的单导游电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。4. 最高任务频率最高任务频率fM 二极管的上限频率二极管的上限频率 ttuo0ui0DuiuoRL运用一：画出二极管电路的输出波形设运用一：画出二极管电路的输出波形设UD=0。整流二极管！整流二极管！运用二：画出二极管电路的输出波形设运用二：画

15、出二极管电路的输出波形设UD=0.7V 。0.7V0.7V-3V钳位二极管！钳位二极管！稳压二极管稳压二极管1 1伏安特性伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压根本不变，为稳定电压。2 2主要参数主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ 假设稳压管的电流太小那么不稳压，假设稳压管的电流太假设稳压管的电流太小那么不稳压，假设稳压管的电流太大那么会因功耗过大而损坏，因此稳压管电路中必需有限制大那么会因功耗过大而损坏，

16、因此稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！稳压管电流的限流电阻！限流电阻限流电阻斜率？斜率？运用三：运用三：RL为负载电阻，为负载电阻，R限流电阻限流电阻当当UI变化时，由于稳压管的作用，输出变化时，由于稳压管的作用，输出UO不变。不变。光电二极管光电二极管 光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其构造与普通二极管类似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN构呵斥,当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。发光二极管发光二极管小功率管小功率管中功率管中功率管大功率管大功率管1.3 半导体三

17、极管半导体三极管1.3.1 根本构造与类型根本构造与类型NPN型型基区基区发射区发射区集电区集电区发射结发射结集电结集电结发射极发射极基极基极集电极集电极bec发射极箭头的方向发射极箭头的方向为电流的方向为电流的方向晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结。结。 放大是对模拟信号最根本的处置。晶体管是放大电路的中放大是对模拟信号最根本的处置。晶体管是放大电路的中心元件，它可以控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失心元件，它可以控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真的放大输出，放大的对象是变化量。真的放大输出，放大的对象是变化量。 晶体管的放大作用表晶体管的放大作用表

18、现为小的基极电流可以控现为小的基极电流可以控制大的集电极电流。制大的集电极电流。共射放大电路共射放大电路（集电结反偏），即（发射结正偏）放大的条件BECECBonBE0uuuUu1.3.2 电流放大原理电流放大原理（集电结反偏），即（发射结正偏）放大的条件BECECBonBE0uuuUu 分散运动构成发射极电流分散运动构成发射极电流IE，复合运动构成基极电，复合运动构成基极电流流IB，漂移运动构成集电极电流，漂移运动构成集电极电流IC。少数载流少数载流子的运动子的运动因发射区多子浓度高使大量因发射区多子浓度高使大量电子从发射区分散到基区电子从发射区分散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少因基区薄

19、且多子浓度低，使极少数分散到基区的电子与空穴复合数分散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电因集电区面积大，在外电场作用下大部分分散到基场作用下大部分分散到基区的电子漂移到集电区区的电子漂移到集电区基区空穴基区空穴的分散的分散1.3.2 电流放大原理电流放大原理IBBECNNPVBRBVccIEICICBCIIBBCEIIII)1 (晶体管本质上是一个电流控制器晶体管本质上是一个电流控制器 CBOCEOBCBC)(1 1 IIiiII穿透电流穿透电流集电结反向电流集电结反向电流直流电流直流电流放大系数放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数电流分配关系电流分配关系:1.3.2 电流放大原

20、理电流放大原理电流放电流放大作用大作用的条件的条件内内 部部 条条 件件 发射区多数载流子浓度很高；发射区多数载流子浓度很高； 基区很薄，掺杂浓度很小；基区很薄，掺杂浓度很小； 集电区面积很大，掺杂浓度低于发射区集电区面积很大，掺杂浓度低于发射区外外 部部 条条 件件 发射结加正向偏压发射结正偏；发射结加正向偏压发射结正偏； 集电结加反向偏压集电结反偏。集电结加反向偏压集电结反偏。思索题：三极管发射极和集电极能否互换？思索题：三极管发射极和集电极能否互换？1.3.2 电流放大原理电流放大原理UCEIC+-UBEIB+- 实验线路实验线路mA AVVRBECEBRC1.3.3 特性曲线特性曲线1

21、. 输入特性输入特性IB(A)UBE(V)20406080任务压降：任务压降： 硅管硅管UBE0.60.7V,锗锗管管UBE0.20.3V。 死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗，锗管管0.2V。1.3.3 特性曲线特性曲线2. 2. 输出特性输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域此区域满足满足IC=IB称为线称为线性区性区放大放大区。区。IC只与只与IB有有关，关，IC=IB。1.3.3 特性曲线特性曲线IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中此区域中UCEUBE,集电集电结正

22、偏，结正偏，IBIC，UCE0.3V称为称为饱和区。饱和区。2. 2. 输出特性输出特性1.3.3 特性曲线特性曲线IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE0.3V (3) 截止区：截止区： UBEUGSoffuGD0时时UGS排斥空排斥空穴，构成耗穴，构成耗尽层。尽层。PNNGSDUDSUGSUGS0时时UGS足够大时足够大时UGSUGS(th)，出现以电，出现以电子导电为主的子导电为主的N型导电沟道。型导电沟道。吸引电子吸引电子VGS(th)称为开启电压称为开启电压PNNGSDUD

23、SUGS导电沟道在导电沟道在两个两个N区间区间是均匀的。是均匀的。当当UDS增增大时，接大时，接近近D区的导区的导电沟道变电沟道变窄。窄。PNNGSDUDSUGS夹断后，即使夹断后，即使UDS 继续添继续添加，加，ID仍呈仍呈恒流特性。恒流特性。IDUDS添加，添加，UGD= UGS(th)时，接近时，接近D端端的沟道被夹断，称为预的沟道被夹断，称为预夹断。夹断。DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区(a) UGD UGS (a) UGD UGS (th)(th)( b ) U G D = (

24、b ) U G D = UGS(th)UGS(th)( c ) U G D ( c ) U G D UGS(th)UGS(th)特性曲线特性曲线(a)(a)转移特性转移特性(b)(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS /VO预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区UGS UGS(th) UGS UGS(th) 时时) )三个区：可变电阻区、三个区：可变电阻区、恒流区恒流区( (或饱和区或饱和区) )、击穿、击穿区。区。UGS(th) 2UGS(th)IDOUGS /VID /mAONPPGSDGSDP 沟道加强型沟道加强型2. N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应

25、管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在这些正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应负电荷，构成感应负电荷，构成“反反型层。即使型层。即使 UGS = 0 也会构成也会构成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS = 0，UDS 0，产，产生较大的漏极电流；生较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。ID/mAUGS /VOUP(a)(a)转移特性转移特性IDSS(b)(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=03 V3 V1 V1 V2 V2

26、 V432151015 20一、直流参数一、直流参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2. 夹断电压夹断电压 UP3. 开启电压开启电压 UT4. 直流输入电阻直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为加强型场效应管的一个重要参数。为加强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管普通在输入电阻很高。结型场效应管普通在 107 以上，绝以上，绝缘栅场效应管更高，普通大于缘栅场效应管更高，普通大于 109 。二、交流参数二、交流参数1. 低频跨导低频跨导 gm2. 极间电容极间电容