第1章半导体分立器件ppt课件

1、电工学电工学2电子技术电子技术概概 述述电子技术：研究电子器件、电子电路电子技术：研究电子器件、电子电路和和 系统及其应用的技术。系统及其应用的技术。电子技术电子技术模拟电子技术模拟电子技术数字电子技术数字电子技术tt第一章第一章 半导体分立器半导体分立器件及其基本电路件及其基本电路 1.1 半导体的基本知识与半导体的基本知识与PN结结 1.2 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 1.3 放大电路的基本概念及其性放大电路的基本概念及其性 能指标能指标 1.4 三极管及其放大电路三极管及其放大电路1.6 1.6 多级放大电路多级放大电路1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和

2、绝缘体导体：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，金属一般都是导体。一般都是导体。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。皮、陶瓷、塑料和石英。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、砷化镓体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。1.1 半导体的基本知识与半导体的基本知识与PN结结半导体的导电具有不同于其它物质的特点。半导体的导电具有不同于其它物质的特点。 当受外界

3、热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使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。它的导电能力明显改变。外激发控制外激发控制掺杂质控制掺杂质控制构造：半导体晶体。构造：半导体晶体。导电性：导电可控性导电性：导电可控性 1. 1.本征半导体本征半导体本征半导体的结构特点本征半导体的结构特点:GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子价电子都是四个。的最外层电子价电子都是四个。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。本征半导体：完

4、全纯净的、结构完整的半导体晶体。硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共价键,共共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示表示除去价除去价电子后电子后的原子的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共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，价键中，称为束缚电子，+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子半导体的导电机理半导体的导电机理+4+4+4+4空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，空穴的迁移相当于正空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。以认为空穴是载流子

5、。 自由电子和空穴称为半导体载流子。自由电子和空穴称为半导体载流子。3. 3. 光敏性、热敏性，载流子的浓度越高。本征半光敏性、热敏性，载流子的浓度越高。本征半导体的导电能力越强，这是半导体的一大特点。导体的导电能力越强，这是半导体的一大特点。2.2.本征半导体的导电能力取决于自由电子、空穴本征半导体的导电能力取决于自由电子、空穴( (载载流子流子) )的浓度。的浓度。1.1.本征半导体中电流本征半导体中电流( (载流子移动载流子移动) )由两部分组由两部分组成：成： (1)(1)自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 (2) (2) 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。本征半导

6、体的导电机理本征半导体的导电机理 2. 2.杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会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。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷或锑硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷或锑ti）,自由自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多子），空穴称为少数载流子少子）。子），空穴称为少数载流子少子）。 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少

7、量的三价元素，如硼或铟或铟yin）,空穴是多子，电子是少子。空穴是多子，电子是少子。N 型半导体型半导体（电子型半导体）（电子型半导体）P 型半导体型半导体（空穴型半导体）（空穴型半导体） Si Si Si Sip+多多余余电电子子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一失去一个电子个电子变为正变为正离子离子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴一一.PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P P 型半导型半导体和体和N N 型半导体，经过载流子的运移，在它们的型半导体，经过载流子的运移，在它们的交界面处就形成的空间电

8、荷区就为交界面处就形成的空间电荷区就为PN PN 结。结。1.12 PN结及其单向导电性结及其单向导电性扩散运动扩散运动: :物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动, ,即由于浓度差产生的运动即由于浓度差产生的运动. .漂移运动漂移运动: :在电场力作用下在电场力作用下, ,少数载流子的运动少数载流子的运动. .二二. PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结外加上正向电压结外加上正向电压 (正向偏置正向偏置): PN 结外加反向电压结外加反向电压(反向偏置反向偏置):P 区加正电压、区加正电压、N 区加负电压。区加负电压。P区加负电压、区加负电压、N 区加

9、正电压。区加正电压。PN 结外加上正向电压结外加上正向电压 (正向偏置正向偏置)PN 结外加上反向电压结外加上反向电压 (反向偏置反向偏置)PN结具有单向导电性定义结具有单向导电性定义u1.当PN结外加正向电压时，有较大的正向电流,呈现一低电阻特性, PN结导通；u2.当PN结外加反向电压时，电流很小，呈现一高电阻特性， PN结截止。半导体二极管图片1.2 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路一、基本结构一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。(1) 点接触型二极管点接触型二极管(2) 面接触型二极管面接触型二极管PN二极管的电

10、路符号：二极管的电路符号：(a)(a)点接触型点接触型 (b)(b)面接触型面接触型正正( (阳阳) )极极负负( (阴阴) )极极+ +- - 二、伏安特性二、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,0.60.7V,锗管锗管0.20.3V0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR三、主要参数三、主要参数1. 最大整流电流最大整流电流 IFM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。正向平均电流。2. 反向击穿电压反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电

11、二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。过热而烧坏。 指管子不被反向击穿所允许指管子不被反向击穿所允许外加的电压。一般手册上给出外加的电压。一般手册上给出的的UDRMUDRM约为击穿电压的一半。约为击穿电压的一半。3.3.最高反向工作电压最高反向工作电压UDRMUDRM4.4.最大反向电流最大反向电流IRMIRM： 管子在常温下承受最高反向工管子在常温下承受最高反向工作电压作电压UDRMUDRM时的反向饱和电流，时的反向饱和电流，其值愈小，则管子的单向导电性其值愈小，则管子的单向导电性愈好。由于温度增加，愈好

12、。由于温度增加，IRMIRM会急会急剧增加，所以在使用二极管时要剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。注意温度的影响。四四. . 二极管的模型二极管的模型1.1.理想模型理想模型: :具有这种理想特性具有这种理想特性的二极管也叫做理想二极管。的二极管也叫做理想二极管。即：二极管在正向导通时相即：二极管在正向导通时相当于开关闭和，死区电压当于开关闭和，死区电压=0 =0 ，正向压降正向压降=0=0，二极管反向截，二极管反向截止时相当于开关断开。止时相当于开关断开。等效电路等效电路2.2.恒压降模型恒压降模型. .二极管在正向导二极管在正向导通时，其管压降为恒定值，硅管通时，其管压降为恒定值

13、，硅管的管压降约为的管压降约为0.6-0.7V0.6-0.7V，锗管的，锗管的管压降约为管压降约为0.2-0.3V0.2-0.3V。等效电路等效电路反向截止反向截止D6V12V3kBAUAB+1.2.2 二极管应用电路二极管应用电路定量分析：判断二极管的工作状态定量分析：判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。反向截止时二极管相当于断开。例例1：D6V12V3kBAUAB+V sin18itu t RLuiuouiuott二极管的应用电路二极管的应用电路2 2：二极管半二极管半波整

14、流波整流1. 稳压二极管稳压二极管UIIZIZmax UZ IZ稳稳压压误误差差曲线越曲线越陡，电陡，电压越稳压越稳定。定。+-UZ动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压越小，稳压性能越好。性能越好。1.2.3 特殊二极管特殊二极管（4稳定电流稳定电流IZ（5最大允许功耗最大允许功耗maxZZZMIUP稳压二极管的参数稳压二极管的参数:（1稳定电压稳定电压 UZ（2电压温度系数电压温度系数U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3动态电阻动态电阻ZZIUZr稳压二极管的稳压原理稳压二极管的稳压原理:输入变化时输入变化时: : IZUIIZIZmax U

15、ZUZioUUDZUDZIRIRUOU负载变化时负载变化时: :R R作用作用? ?iRuoiZDZRiLuiRLioUUDZUDZIRIRUOUoLURoLUR负载电阻负载电阻 。要求当输入电压由正常值发要求当输入电压由正常值发生生20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例:uoiZDZRiLiuiRLmaxmin10V, 20mA, 5mAzzzUII稳压管的技术参数稳压管的技术参数: k2LR解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为流为Izmax 。求：电阻求：电阻R和输入电压和输入电压

16、ui 的正常值。的正常值。max25mAZzLUiIR1.22510izuiR UR方程方程1令输入电压降到下限令输入电压降到下限时，流过稳压管的电时，流过稳压管的电流为流为Izmin 。min10mAZzLUiIR101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui2. 发光二极管发光二极管有正向电流流过有正向电流流过时，发出一定波长时，发出一定波长范围的光，目前的范围的光，目前的发光管可以发出从发光管可以发出从红外光到可见波段红外光到可见波段的光，它的电特性的光，它的电特性与一般二极管类似。与一般二极管类

17、似。阳极阳极阴极阴极3. 光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加阳极阳极阴极阴极1. 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型1.4 三极管及其放大电路三极管及其放大电路1.4.1 1.4.1 三极管三极管BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结BECIBIEI

18、CNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管三极管的符号三极管的符号EEBRBRCIBICIE共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输出回路输出回路ICEBmA AVUCEUBERBIBECV+常数常数 CE)(BEBUUfIIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VOUCE 1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE =0.5VIB=020A40A60A80A100A常常数数 B)(CECIUfI36IC(mA )1234UCE(V)912O放大区放大区O BCII_ BCII 53704051BC.II 40040060

19、5132BC .II ICBO A+EC AICEOIB=0+ICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区ICUCEO5.复合三极管复合三极管(a)121 12 21 12 11 1211121 211 2 11(1)()cccbbbebbbbbiiiiiiiiiiii 即即:=12 :=12 (b)光电三极管和光电耦合器光电三极管和光电耦合器光电耦合器的特点光电耦合器的特点: :输入端与输出端在电气上输入端与输出端在电气上是绝缘的是绝缘的. .三极管放三极管放大电路有大电路有三种形式三种形式共射放大器共射放大器共基放大器共基放大器共集放大器共集放大器以共射以共射放大器放大器为例讲为例讲解工作解

20、工作原理原理 1.4.2 共发射极放大电路共发射极放大电路3 3、元件选择要使信号不失真地放大。、元件选择要使信号不失真地放大。放大电路的组成原则：放大电路的组成原则：1 1、有直流电源，保证、有直流电源，保证E E结正偏，结正偏，C C结反偏。结反偏。2 2、元件安排要保证信号传输，即信号能从输入、元件安排要保证信号传输，即信号能从输入端加到三极管上有信号输入回路），经放大端加到三极管上有信号输入回路），经放大后从输出端输出有输出回路）。后从输出端输出有输出回路）。一、一、 共射极放大电路组成共射极放大电路组成一一 、基本放大电路的组成、基本放大电路的组成ECRSesRBEBRCC1C2T+

21、RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE一一 、基本放大电路的组成、基本放大电路的组成ECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiEECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE 放大电路的分析放大电路的分析放大放大电路电路分析分析静态分析静态分析动态分析动态分析估算法估算法图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法图解法图解法UBEIBICUCE无输入信号无输入信号(ui = 0)时时: uo = 0uBE = UBEuCE = UCE+UCCRBRCC

22、1C2T+ui+uo+uBEuCEiCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOICUCEOIBUBEO结论：结论：QIBUBEQUCEIC对交流输入信号为零，只有直流信号对交流输入信号为零，只有直流信号VCC）开路开路开路开路+ VCCRBRCC1C2T直流通道直流通道+ VCCRBRC（1 1根据直流通道估算根据直流通道估算IBIBIBIBUBEUBECCBEBBVUIR0.7CCBVRCCBVRRBRB称为偏置电阻，称为偏置电阻，IBIB称为偏称为偏置电流。置电流。+VCC+VCC直流通道直流通道RBRBRCRC( (一一) )静态工作点静态工作点- -估算法估算法（2根据直流通道估算

23、根据直流通道估算UCE、ICICUCECBIICECCC CUVI R直流通道直流通道RBRCVccVcc例：用估算法计算静态工作点。例：用估算法计算静态工作点。知：知：VCC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。解：解：A40mA04. 030012BCCBRVImA5 . 104. 05 .37BBCIIIV645 . 112CCCCCERIVU请注意电路中请注意电路中IB 和和IC 的数量级。的数量级。+VCCRBRCC1C2T+RLui+uBEuCEiCiBiE常常数数 B)(CECIUfIUCE = UCC ICRC +UCCRBRCT+UBEUCEICIBBBECCBR

24、UUI CtanR1 ICQUCEQCCCRUUCC常常数数 B)(CECIUfIUCE /VIC/mA直流负载线直流负载线Q由由IBIB确定的确定的那条输出特那条输出特性与直流负性与直流负载线的交点载线的交点就是就是Q Q点点OUBEIB无输入信号无输入信号(ui = 0)时时: uo = 0uBE = UBEuCE = UCE？ uCE = UCC iC RC uo 0uBE = UBE+ uiuCE = UCE+ uoIC+UCCRBRCC1C2T+ui+uo+uBEuCEiCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOuitOUCEuotO+集电极电流集电极电流直流分量直流分量交流分量

25、交流分量动态分析动态分析iCtOiCtICOiCticO静态分析静态分析uitOuotO符号规定符号规定UA大写字母、大写下标，表示直流量。大写字母、大写下标，表示直流量。uA小写字母、大写下标，表示全量。小写字母、大写下标，表示全量。ua小写字母、小写下标，表示交流分量。小写字母、小写下标，表示交流分量。uAua全量全量交流分量交流分量tUA直流分量直流分量 ( (一一) )三极管的微变等效电路三极管的微变等效电路( (小信号模型分析法小信号模型分析法) )(1)(1)输入回路输入回路iBiBuBEuBE当信号很小时，将输入特性当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。在小范围内近似线性。

26、 uBEuBE iBiBbbeBBEbeiuiur对输入的小交流信号而言，对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻三极管相当于电阻rberbe。三、 动态分析-微变等效电路法(小信号模型法)mA()mV(26)1 ()(300EbeIrrberbe的量级从几百欧到几千欧。的量级从几百欧到几千欧。对于小功率三极管：对于小功率三极管：ibrbebe(2) 输出回路输出回路)(bBcCCiIiIibBiI所以：所以：bcii结论结论: 输出端相当于一个受输出端相当于一个受ib 控制的电流源。控制的电流源。 ibceiCtOUCE /VIC/mAI IC Cubeibuceicrbe ibibbce等

27、等效效cbe(3) 三极管的微变等效电路三极管的微变等效电路(小信号模型小信号模型)( (二二) )放大电路的微变等效电路放大电路的微变等效电路( (小信号模型小信号模型) )交流通路的原则交流通路的原则:* 电容可忽略电容可忽略,以短路代替。以短路代替。* 直流电源可认为是对地短路。直流电源可认为是对地短路。RBRCuiuORLRSes+短路短路短路短路对地短路对地短路+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiE交流通路交流通路RBRBRCRCRLRLu ui iu uo ouiuirberbe ibibibibiiiiicicuouoRBRBRCRCRLRL

28、b bc ce e( (二二) )放大电路的微变等效电路放大电路的微变等效电路( (小信号模型小信号模型) )bebirIULboRIUbeLurRALCLRRR/rberbeRBRBRCRCRLRLiUiIbIcIoUbI( (三三) )放大电路的性能指标放大电路的性能指标1.1.电压放大电压放大倍数倍数特点：负载电阻越小，放大倍数越小。特点：负载电阻越小，放大倍数越小。输入电阻的定义：输入电阻的定义：iiiIUr是动态电阻。是动态电阻。2. 2. 输入电阻的计算输入电阻的计算rbrbe eRBRBRCRCRLRLiUiIbIcIoUbIbeBrR /beriiiIUr电路的输入电阻越大，从

29、信号源取得的信号越电路的输入电阻越大，从信号源取得的信号越大，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。大，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。对于负载而言，放大电路相当于信号源，对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维宁等效，戴维宁等效电路的可以将它进行戴维宁等效，戴维宁等效电路的内阻就是输出电阻。内阻就是输出电阻。计算输出电阻的方法：计算输出电阻的方法： 所有独立电源置零，保留所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法。受控源，加压求流法。3 3 输出电阻的计算输出电阻的计算CoooRIUr所以：所以：用加压求流法求输出电阻：用加压求流法求输出电阻：oUrbeRBRCiIbIcIb

30、I00oIQuCE/VttiB/AIBtiC/mAICiB/AuBE/VtuBE/VUBEUCEiC/mAuCE/VOOOOOOQicQ1Q2ibuiuo小结：+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiE 放大电路放大电路放大放大电路电路分析分析静态分析静态分析动态分析动态分析估算法估算法图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法图解法图解法静态分析：静态分析：直流通道直流通道+ VCCRBRCCCBEBBVUIRCBIICECCC CUVI R+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiEIBICUCEUBE交流通路交流通路RBRB

31、RCRCRLRLu ui iu uo ouiuirberbe ibibibibiiiiicicuouoRBRBRCRCRLRLb bc ce e动态分析：动态分析：roribeLurRA在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。性失真。为了得到尽量大的输出信号，要把为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流设置在交流负载线的中间部分。如果负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信

32、号进入设置不合适，信号进入截止区或饱和区，则造成非线性失真。截止区或饱和区，则造成非线性失真。4. 非线性失真及其改善措施非线性失真及其改善措施iCuCEuo可输出可输出的最大的最大不失真不失真信号信号选择静态工作点选择静态工作点ibQ2uoUCEQuCE/VttiC/mAICiC/mAuCE/VOOOQ1uiuotiB/AiB/AuBE/VtuBE/VUBEOOOQQuCE/VtiC/mAuCE/VOOUCEQ点上移饱和失真点上移饱和失真: 留意：对于留意：对于PNP管，由于是负电源供电，管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与失真的表现形式，与NPN管正好相反。管正好相反。3.3.波形的失真波形的失真由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出管，输出电压表现为底部失真。电压表现为底部失真。由于放大电路的工作点达到了三极管的截由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于止区而引起的非线性失真。对于NPN管，管，输出电压表现为顶部失真。输出电压表现为顶部失真。Q点下移截止失真