[工学]电子技术ch2半导体器件—80学时完成版ppt课件

1、第二章第二章 半导体器件半导体器件 2.1 2.1 半导体的根本知半导体的根本知识识 2.2 PN 2.2 PN 结及半导体二极管结及半导体二极管 2.3 2.3 特殊二极管特殊二极管 2.4 2.4 双极型晶体管半导体三极管双极型晶体管半导体三极管 2.5 2.5 场效应晶体管场效应晶体管 2.6 2.6 集成电路集成电路2.1 2.1 半导体的根本知识半导体的根本知识2.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为导自然界中很容易导电的物质称为导体，金属普通都是导体。体，金属普通都是导体。 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如

2、橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。 另有一类物质的导电特性处于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、和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。砷化镓和一些硫化物、氧化物等。第二章第二章 半导体器件半导体器件 半导体的导电机理不同于其它物质，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。比如：所以它具有不同于其它物质的特点。比如：当受外界热和光的作用时，它的当受外界热和光的作用时，它的导电才干明显变化。制造特殊导电才干明显变化。制造特殊器件器件往纯真的半导体中掺入某些杂质，往纯真的半导体中掺入某些杂质，会使

3、它的导电才干明显改动。会使它的导电才干明显改动。有可控性有可控性P332.1.2 本征半导体本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，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。它们的最外层电子价电子都是四个。GeSi经过一定的工艺过程，可以将半导体经过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。制成晶体。一、本征半导体的构造特点一、本征半导体的构造特点第二章第二章 半导体器件半导体器件完全纯真的、构造完好的半导体完全纯真的、构造完好的半导体晶体，称为本征半导体。晶体，称为本征半导体。在硅和锗晶体中，原在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶子按四角形系统组成晶体点

4、阵，每个原子都处体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与体的顶点，每个原子与其相临的原子之间构成其相临的原子之间构成共价键，共用一对价电共价键，共用一对价电子。子。硅和锗的晶体构造硅和锗的晶体构造第二章第二章 半导体器件半导体器件硅和锗的共价键平面构造硅和锗的共价键平面构造共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子共价键共价键 相邻原子共有价电子所构成相邻原子共有价电子所构成的束缚。的束缚。第二章第二章 半导体器件半导体器件共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中

5、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在电子。电子很难脱离共价键成为自在电子。构成共价键后，每个原子的最外构成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定构造。层电子是八个，构成稳定构造。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规那么陈列，构成使原子规那么陈列，构成晶体。晶体。+4+4+4+4第二章第二章 半导体器件半导体器件二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理在绝对在绝对0 0度度T = 0KT = 0K和没有外界激和没有外界激发时发时, ,价电子完全被共价键束缚着，本价电子完全被共价键束缚着

6、，本征半导体中没有可以运动的带电粒子征半导体中没有可以运动的带电粒子, ,它的导电才干为它的导电才干为0 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。载流子载流子运动的带电粒子称为运动的带电粒子称为1、载流子、自在电子和空穴、载流子、自在电子和空穴第二章第二章 半导体器件半导体器件+4+4+4+4自在电子自在电子空穴空穴束缚电子束缚电子第二章第二章 半导体器件半导体器件在常温下，由于热在常温下，由于热激发，使一些价电子激发，使一些价电子获得足够的能量而脱获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成离共价键的束缚，成为为自在电子。自在电子。空穴。空穴。同时共价键上留下一同时共价键上留下一个空位，称为个空位，称为它

7、们是不是载流子？它们是不是载流子？是！是！+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引临近的电空穴吸引临近的电子来填补，这样的子来填补，这样的结果相当于空穴的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移相当于正电荷的挪动，因此可以以挪动，因此可以以为空穴是载流子。为空穴是载流子。所以本征半导体中存在数量相等的两种载所以本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自在电子和空穴。流子，即自在电子和空穴。第二章第二章 半导体器件半导体器件、本征半导体的导电机理描画、本征半导体的导电机理描画温度越高，载流子的浓度越高。因此温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的

8、导电才干越强，温度是影本征半导体的导电才干越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部要素，响半导体性能的一个重要的外部要素，这是半导体的一大特点。这是半导体的一大特点。本征半导体的导电才干取决于载流本征半导体的导电才干取决于载流子的浓度。常温下本征半导体中的自在子的浓度。常温下本征半导体中的自在电子很少，所以本征半导体的导电才干电子很少，所以本征半导体的导电才干很弱。很弱。 本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：自在电子挪动产生的电流。自在电子挪动产生的电流。空穴挪动产生的电流。空穴挪动产生的电流。温度温度第二章第二章 半导体器件半导体器件2.1.3 杂质半导体杂质半导体

9、在本征半导体中掺入某些微量的杂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质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其缘由是掺杂半导体的某种著变化。其缘由是掺杂半导体的某种载流子浓度大大添加。载流子浓度大大添加。N 型半导体：使自在电子浓度大大添加的型半导体：使自在电子浓度大大添加的杂质半导体，也称为电子半导体。杂质半导体，也称为电子半导体。P 型半导体：空穴浓度大大添加的杂质半型半导体：空穴浓度大大添加的杂质半导体导体,也称为空穴半导体。也称为空穴半导体。第二章第二章 半导体器件半导体器件+4+4+5+4一、一、N N 型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子第二章第二章

10、 半导体器件半导体器件掺入少量的五价元掺入少量的五价元素磷或锑，必定素磷或锑，必定多出一个电子，这个多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为很容易被激发而成为自在电子，这样磷原自在电子，这样磷原子就成了不能挪动的子就成了不能挪动的带正电的离子。带正电的离子。也称五价元素磷为也称五价元素磷为施主原子。施主原子。N 型半导体型半导体N 型半导体中的载流子是：型半导体中的载流子是：1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子一样。子一样。2、本征半导体中是成对产生电子和空穴。、本征半导体中是成对产生电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导

11、体中载流子、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自在电子浓度远大于空穴浓浓度，所以，自在电子浓度远大于空穴浓度。自在电子称为多数载流子多子，度。自在电子称为多数载流子多子，空穴称为少数载流子少子。空穴称为少数载流子少子。第二章第二章 半导体器件半导体器件+4+4+3+4空穴空穴二、二、P P 型半导体型半导体硼原子硼原子第二章第二章 半导体器件半导体器件掺入少量的三价元掺入少量的三价元素，如硼或铟，素，如硼或铟，多产生一个空穴。这多产生一个空穴。这个空穴能够吸引束缚个空穴能够吸引束缚电子来填补，使得硼电子来填补，使得硼原子成为不能挪动的原子成为不能挪动的带负电的离子。带负电的离子。杂质

12、半导体的表示表示法杂质半导体的表示表示法P 型半导体型半导体N 型半导体型半导体+第二章第二章 半导体器件半导体器件2.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管一、一、PN结的构成结的构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 型半导体和型半导体和N N 型半导体，经过载流子型半导体，经过载流子的分散，在它们的交界面处就构成了的分散，在它们的交界面处就构成了PNPN结。结。第二章第二章 半导体器件半导体器件2.2.1 PN结结P 型半导体型半导体N 型半导体型半导体+分散运动分散运动内电场内电场E E漂移运动漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子

13、的运动第二章第二章 半导体器件半导体器件分散的结果是使空间电分散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+分散运动分散运动内电场内电场E EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。第二章第二章 半导体器件半导体器件漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导型半导体体+分散运动分散运动内电场内电场E EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以分散和漂所以分散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终到的运动最终

14、到达平衡，相当达平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。第二章第二章 半导体器件半导体器件PNPN结的构成：结的构成：多子分散多子分散 分散分散飘移飘移动态平衡动态平衡稳定的稳定的PNPN结。结。生成生成产生产生使使到达到达构成构成分散电流等于飘移电流分散电流等于飘移电流分散运动分散运动飘移运动飘移运动重要概念：分散运动重要概念：分散运动 飘移运动飘移运动 PNPN结结空间电荷区空间电荷区内电场内电场第二章第二章 半导体器件半导体器件空间电荷区中没有载流子，空间电荷区中没有载流子， 所以空间电荷区又称为耗尽层。所以空间电

15、荷区又称为耗尽层。 空间电荷区中内电场妨碍空间电荷区中内电场妨碍P P中的空穴、中的空穴、N N中的电子都是多子向对方运动中的电子都是多子向对方运动分散运动，故空间电荷区又称为分散运动，故空间电荷区又称为阻挠层。阻挠层。P 中的电子和中的电子和N中的空穴都是少子，中的空穴都是少子，数量有限，因此由它们构成的电流很小。数量有限，因此由它们构成的电流很小。在定量计算时往往忽略。在定量计算时往往忽略。请留意请留意第二章第二章 半导体器件半导体器件1.PN1.PN结的单导游电性结的单导游电性 PN PN结加上正向电压、正向偏置的结加上正向电压、正向偏置的意思都是：意思都是： P P区加正、区加正、N

16、N区加负电压。区加负电压。 PN PN结加上反向电压、反向偏置的结加上反向电压、反向偏置的意思都是：意思都是：P P区加负、区加负、N N区加正电压。区加正电压。二、二、 PNPN结的特性结的特性第二章第二章 半导体器件半导体器件PN结正向偏置结正向偏置+内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN N+_内电场被减弱，内电场被减弱，多子的分散加强多子的分散加强可以构成较大的可以构成较大的分散电流分散电流mA)mA)，以为以为PNPN结导通。结导通。留意：串电阻限留意：串电阻限流。流。第二章第二章 半导体器件半导体器件PN结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚N NP+_内电场被加强，

17、内电场被加强，多子的分散受抑多子的分散受抑制。少子漂移加制。少子漂移加强，但少子数量强，但少子数量有限，只能构成有限，只能构成较小的反向电流较小的反向电流。以为。以为PNPN结截止。结截止。构成的微小电流构成的微小电流称为反向饱和电称为反向饱和电流流( () )。第二章第二章 半导体器件半导体器件PN结的导电特性：结的导电特性：重要概念：重要概念： PNPN结的单导游点性结的单导游点性由上可知，由上可知，PNPN结加正向电压时导通，有较结加正向电压时导通，有较大的电流多子构成；而加反向电压时大的电流多子构成；而加反向电压时截止，仅有反向饱和电流少子构成。截止，仅有反向饱和电流少子构成。所以，所

18、以， PN PN结具有单导游点特性结具有单导游点特性第二章第二章 半导体器件半导体器件式中：式中：IsIs为反向饱和电流；为反向饱和电流； UT UT 为温度电压当量，为温度电压当量， 当当T T300K300K时绝对温度时绝对温度,UT26mV,UT26mV记住记住2、PN结的伏安特性结的伏安特性U UI IPN结伏安特性方程：结伏安特性方程： 1TUuSeIi第二章第二章 半导体器件半导体器件TUuSeIi 0SIi加正向电压加正向电压u0,且且u UT时，时，伏安特性呈非线性指数规律伏安特性呈非线性指数规律 ；加反向电压加反向电压u0,且且u UT时，时，电流根本与电流根本与u无关；无关

19、；由此亦可阐明由此亦可阐明PN结具有单导游电性结具有单导游电性能。能。qkTUT 电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当PNPN结的反向电压增大到一定值时，反结的反向电压增大到一定值时，反向电流随电压数值的添加而急剧增大，向电流随电压数值的添加而急剧增大，称为反向击穿。称为反向击穿。3、PN结的反向击穿特性结的反向击穿特性PN结的反向击穿有两类：齐纳击穿和雪结的反向击穿有两类：齐纳击穿和雪崩击穿。无论发生哪种击穿，假设对其崩击穿。无论发生哪种击穿，假设对其电流不加以限制，都能够呵斥电流不加以限制，都能够呵斥PN结的永结的永久性损坏。久性损坏。 第二章第二章 半导体器件半导体器件4. PN

20、 结电容效应结电容效应 PN 结之间有电容，此电容由两部分组成：结之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容势垒电容CB 和分散电容和分散电容CD。第二章第二章 半导体器件半导体器件PN结高频小信号时的等效电路结高频小信号时的等效电路:势垒电容和分势垒电容和分散电容的综合散电容的综合效应效应rd* *、PNPN结温度特性结温度特性当温度升高时，当温度升高时，PNPN结的反向电流增大，结的反向电流增大，正导游通电压减小。这也是半导体器件正导游通电压减小。这也是半导体器件热稳定性差的主要缘由。热稳定性差的主要缘由。第二章第二章 半导体器件半导体器件UIT2 T1DiT2 T1 T2T11、构造、构造

21、一个一个PN结加上管壳和引线，就成结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型2、类型：、类型：普通是锗资料普通是锗资料主要运用在小电主要运用在小电流、高频电路。流、高频电路。2.2.2 2.2.2 半导体二极管半导体二极管一、一、 根本构造根本构造第二章第二章 半导体器件半导体器件面接触型面接触型普通是硅资料普通是硅资料主要运用在大电流、主要运用在大电流、低频电路。低频电路。第二章第二章 半导体器件半导体器件PN结结平面型平面型结面积小的用作结面积小的用作开关管。开关管。结面积大的用作结面积大的用作大功率整流。大功率整流。第二

22、章第二章 半导体器件半导体器件2sio阳极阳极阴极阴极P型型PN3、符号、符号4、型号、型号字母字母D表示表示锗锗 2AP* 2AK*硅硅 2CP 2CP* * 2CK 2CK* *第二章第二章 半导体器件半导体器件1. 2.4二极管的常用电路模型4第二章第二章 半导体器件半导体器件u半导体二极管的型号半导体二极管的型号( (补充补充) )u国家规范对半导体器件型号的命名举例如下：国家规范对半导体器件型号的命名举例如下：u 2 A P 92 A P 9u 用数字代表同类型器用数字代表同类型器件的不同型号件的不同型号u 用字母代表器件的类用字母代表器件的类型，型，P P代表普通管代表普通管u 用

23、字母代表器件的资料，用字母代表器件的资料，A A代表代表N N型型GeGeu B B代表代表P P型型GeGe，C C代表代表N N型型SiSi，D D代表代表N N型型SiSiu 2 2代表二极管，代表二极管，3 3代表三极代表三极管管1. 2.4二极管的常用电路模型4P15表表1.25、二极管的伏安特性、二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V( (硅管硅管) )( (锗管锗管) )U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD = (0.6 0.8) V硅管取硅管取 0.7 V(0.2 0.4) V

24、锗管取锗管取 0.3 V反向特性反向特性ISU (BR)反向击穿反向击穿U(BR) U 0 iD = IS U(BR) 反向电流急剧增大反向电流急剧增大 ( (反向击穿反向击穿) )第二章第二章 半导体器件半导体器件反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿缘由：反向击穿缘由： 齐纳击穿：齐纳击穿： 反向电场太强，将电子强行拉出共价反向电场太强，将电子强行拉出共价键。键。( (击穿电压击穿电压 6 V 6 V 6 V，正温度系数，正温度系数) )击穿电压在击穿电压在 6 V 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。第二章第二章 半导体器件半导体器件硅管的伏安特

25、性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020第二章第二章 半导体器件半导体器件特性曲线：特性曲线：uDiD等效开关模型等效开关模型SS正偏导通，正偏导通，uD = 0；第二章第二章 半导体器件半导体器件理想模型理想模型Duu DLrr 二极管常用等效模型二极管常用等效模型条件：条件：正偏电路：正偏电路：符号：符号：反偏截止，反偏截止， iD = 0 U(BR) = 二极管恒压源等效模型二极管恒压源等效模型Duu DLrr DU第二章第

26、二章 半导体器件半导体器件uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.3 V (Ge)uDiDUDUIIUrD 斜率斜率1/ rDrDUD第二章第二章 半导体器件半导体器件二极管低频小信号模型二极管低频小信号模型6、主要参数、主要参数1 1最大整流电流最大整流电流 IOM IOM二极管长期运用时，允许流过二极管的二极管长期运用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。最大正向平均电流。2 2反向击穿电压反向击穿电压VBRVBR二极管反向击穿时的电压值。二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单导游击穿时反向电流剧增，二极管的单导游电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册

27、上给出电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向任务电压的最高反向任务电压VRWMVRWM普通是普通是VBRVBR的一半。的一半。第二章第二章 半导体器件半导体器件3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指二极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电流。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。反向电流性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。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，锗管的反向电流要硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。大几十到几百倍。以上均是二极管的直

28、流参数，二极管的运以上均是二极管的直流参数，二极管的运用主要利用它的单导游电性。下面引见两个用主要利用它的单导游电性。下面引见两个交流参数。交流参数。第二章第二章 半导体器件半导体器件4微变电阻微变电阻 rdiDvDIDVDQ iD vDrd是二极管特性曲线任是二极管特性曲线任务点务点Q附近电压的变化附近电压的变化与电流的变化之比：与电流的变化之比：DDdivr 显然，显然，rd是对是对Q附近的附近的微小变化量的电阻。微小变化量的电阻。( 5 ) 二极管的极间电容二极管的极间电容同同PN结结第二章第二章 半导体器件半导体器件例例 1 1：以下图电路中，硅二极管，：以下图电路中，硅二极管，R =

29、 2 kR = 2 k ，分别用二极管理想模型和近似模型求出分别用二极管理想模型和近似模型求出 VDD VDD = 2 V = 2 V 和和 VDD = 10 V VDD = 10 V 时时 IO IO 和和 UO UO 的值。的值。7、二极管运用举例、二极管运用举例UD(on)近似模型近似模型实践电路实践电路理想模型理想模型第二章第二章 半导体器件半导体器件 解解 1. VDD = 2 V 理想理想IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA)UO = VDD = 2 V近似近似UO = VDD UD(on) = 2 0.7 = 1.3 (V)IO = UO / R = 1.3

30、/ 2 = 0.65 (mA)2. VDD = 10 V 理想理想IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA)近似近似UO = 10 0.7 = 9.3 (V)IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA)VDD 大，大， 采用理想模型采用理想模型VDD 小，小， 采用恒压降模型采用恒压降模型1. 2.6二极管运用举例2第二章第二章 半导体器件半导体器件UD(on)近似模型近似模型理想模型理想模型例例2：试求电路中电流：试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压和输出电压UO的值。的值。解：假设二极管断开解：假设二极管断开UP = 15 V(V) 9 12 31 3N UUP

31、 UN二极管导通二极管导通等效为等效为 0.7 V 的恒压源的恒压源 UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)第二章第二章 半导体器件半导体器件例例3： 二极管构成二极管构成“门电路，设门电路，设 D1、D2 均为理想二均为理想二极管，当输入电压极管，当输入电压 UA、UB 为低电压为低电压 0 V 和高电压和高电压 5 V 的不同组合时，求

32、输出电压的不同组合时，求输出电压 UO 的值。的值。0 V输入电压输入电压理想二极管理想二极管输出输出电压电压UAUBD1D20 V0 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通0 V0 V5 V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0 V5 V0 V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0 V5 V5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 V真值表真值表ABY000010100111第二章第二章 半导体器件半导体器件例例4：画出硅二极管构成的桥式整流电路在：画出硅二极管构成的桥式整流电路在 ui = 15sint (V) 作用下输出作用下输出 uO 的波形。的波形。按理想模型有：按理想模型有：Otui / V1

33、5RLD1D2D3D4uiBAuOOtuO/ V15第二章第二章 半导体器件半导体器件解：解：正正半半周周负半周负半周例例5：画出：画出uo的波形的波形RRLuiuRuotttuiuRuo第二章第二章 半导体器件半导体器件RLuiuouiuott例例6 6：二极管半波整流。：二极管半波整流。理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0 =0 ，正向压降，正向压降=0 =0 第二章第二章 半导体器件半导体器件假设二极管：死区电压假设二极管：死区电压=0 .5V=0 .5V，正，正向压降向压降0.7V(0.7V(硅二极管硅二极管) )，曲线有什，曲线有什么变化？么变化？第二章第二章 半导体器件半导

34、体器件例例7 7：知：知 ui = 4 sin ui = 4 sin t (V)t (V)，二极管为理想，二极管为理想二极管，画出二极管，画出uouo的波形。的波形。 2.3 特殊二极管特殊二极管2.3.1 稳压二极管稳压二极管UIUZIZIZmax UZ IZ稳压误差稳压误差曲线曲线越陡，越陡，电压电压越稳越稳定。定。+-第二章第二章 半导体器件半导体器件任务条件：任务条件：反向击穿反向击穿符号符号IUZIZIZmaxIZmin特点：特点：1任务于反向击穿形状。任务于反向击穿形状。2利用反向伏安特利用反向伏安特性上电流在一定范围性上电流在一定范围内变化，稳压管两端内变化，稳压管两端的电压根本

35、不变的特的电压根本不变的特点进展稳压。点进展稳压。第二章第二章 半导体器件半导体器件I1. 稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。时稳压管两端的反向电压值。2. 稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，小于越大稳压效果越好，小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3. 最大任务电流最大任务电流 IZM 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 动态电阻动态电阻 rZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几几 几十几十 第二章第二章 半导体器件半导体器件ZZIUZr稳压二极管的参数稳压二极管的参数:IUZIZIZmaxIZmin5. 稳定电

36、压温度系数稳定电压温度系数 CT%100ZZT TUUCUZ 4 V，CT 7 V，CT 0 (为雪崩击穿为雪崩击穿)具有正温度系数；具有正温度系数；4 V UZ 7 V，CTV 很小。很小。第二章第二章 半导体器件半导体器件例例1 1：有：有2 2个稳压管，稳定电压分别是个稳压管，稳定电压分别是5v5v、2v, 2v, 串联和并联有几种方式？串联和并联有几种方式？对应的稳定电压是多少？对应的稳定电压是多少？( (外加电压足够大外加电压足够大第二章第二章 半导体器件半导体器件例例2：稳压二极管的运用：稳压二极管的运用举例举例uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxz

37、zzWIIU知稳压管参数知稳压管参数: k2LR解：令输入电压到达上限时，流过稳压管的电流为解：令输入电压到达上限时，流过稳压管的电流为Izmax Izmax 。求：电阻求：电阻R R和输入电压和输入电压ui ui 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1 1负载电阻负载电阻要求当输入电压由正常值发生要求当输入电压由正常值发生20%20%动摇时，负载电压根本不变。动摇时，负载电压根本不变。第二章第二章 半导体器件半导体器件令输入电压降到下限时，令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为流过稳压管的电流为Izmin Izmin 。mA10minLZ

38、WzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2 2联立方程联立方程1 1、2 2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui第二章第二章 半导体器件半导体器件uoiZDZRiLiuiRL2.3.2 光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的添加而上升。反向电流随光照强度的添加而上升。IV照度添加照度添加第二章第二章 半导体器件半导体器件符号符号任务条件：反向偏置任务条件：反向偏置实物照片实物照片2.3.3 发光二极管发光二极管第二章第二章 半导体器件半导体器件LED (Light Emitting Diode)任务条件：正向偏置任务条件：正向偏置普通任务普通任务电流几十电流几十 mA，

39、导通电压导通电压 (1 2) V符号符号u /Vi /mAO2特性特性2.4双级型晶体三极管双级型晶体三极管2.4.1 BJT的构造及类型的构造及类型2.4.2 BJT的电流放大作用的电流放大作用2.4.3 BJT的特性曲线的特性曲线2.4.4 BJT的主要参数的主要参数2.4.5 温度对温度对BJT的特性及参数的影响的特性及参数的影响(Semiconductor Transistor)(Semiconductor Transistor)2.4.6 BJT的电路模型的电路模型2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管2.4双级型晶体三极管双级型晶体三极管BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电

40、极NPN型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型2.4.1 BJT的构造及类型的构造及类型emitterbasecollector 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管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作用是控制作用是控制和传送载流和传送载流子子集电区：集电区：面积较大面积较大作用是搜作用是搜集载流子。集载流子。发射区：掺杂浓发射区：掺杂浓度较高，作用是度较高，作用是发射载流子发射载流子 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管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 2.4 双级型晶体三极

41、管双级型晶体三极管BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管二、分类二、分类按资料分：按资料分： 硅管、锗管硅管、锗管按功率分：按功率分： 小功率管小功率管 500 mW 1 W 1 W中功率管中功率管 0.5 0.5 1 W1 W 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管2.4.2 BJT的电流放大作用的电流放大作用1. 三极管放大的条件三极管放大的条件内部内部条件条件发射区掺杂浓度高发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低集电结面积大集电结面积大外部外部条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反

42、偏uiuoCEBECBuiuo共集电极共集电极共基极共基极ECBuiuo共发射极共发射极 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管EBIC，UCE0.3V称为称为饱和区。饱和区。 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中此区域中 : : IB=0,IC=ICEIB=0,IC=ICEO,UBE O,UBEIC，(3) 截止区：截止区：UBE 死区电压，死区电压， IB=0 ，IC=ICEO 0 临界饱和时：临界饱和时： uCES = uBE深度饱和时：深度饱和时：0.3 V (硅管硅管)UCE(SAT)=

43、0.1 V (0.1 V (锗管锗管) ) 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管共射直流电流放大倍数：共射直流电流放大倍数：BCII_b共射交流电流放大倍数共射交流电流放大倍数BIICb1. 电流放大倍数电流放大倍数和和 _b2.4.4 BJT的主要参数的主要参数 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管例：例：UCE = 6V时：时：IB = 40A, IC = 1.5mA； IB = 60 A, IC = 2.3mA。5 .3704. 05 . 1_BCIIb4004. 006. 05 . 13 . 2BCIIb在以后的计算中，普通作近似处置：在以后的计算中，普通作近似处置： =b b

44、 2 4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管2. 集集-基极反向截止电流基极反向截止电流ICBO AICBOICBO是是集电结反集电结反偏由少子偏由少子的漂移构的漂移构成的反向成的反向电流，受电流，受温度的变温度的变化影响。化影响。 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管3. 集集-射极反向截止电流射极反向截止电流ICEO AICEO 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBEb bIBEICBO进入进入P区，构成区，构成IBE。根据放大关根据放大关系，由于系，由于IBE的存在，必的存在，必有电流有电流 IBE。集电结反偏集电结反偏有有IC

45、BO 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管4. 集电极最大电流集电极最大电流ICM集电极电流集电极电流IC 上升会导致三极管的上升会导致三极管的值的下降，当值的下降，当 值下降到正常值的三分之值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为二时的集电极电流即为ICM。所以集电极电流应为：所以集电极电流应为：IC= IB+ICEO而而ICEO受温度影响很大，当温度上升受温度影响很大，当温度上升时，时，ICEO添加很快，添加很快，IC也相应添加。三极也相应添加。三极管的温度特性较差。管的温度特性较差。 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管5. 集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压当集当集-射极

46、之间的电压射极之间的电压UCEUCE超越一定的超越一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是的数值是2525C C、基极开路时的击穿电压、基极开路时的击穿电压U(BR)CEOU(BR)CEO。 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管6. 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM集电极电流集电极电流IC流过三极管，所发出的流过三极管，所发出的焦耳热为：焦耳热为：PC=ICUCE必定导致结温上升，所以必定导致结温上升，所以PC有限制。有限制。PCPCM 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO平安任务

47、区平安任务区 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管u半导体三极管的型号补充半导体三极管的型号补充u国家规范对半导体三极管的命名如下：国家规范对半导体三极管的命名如下：u3 D G 110 B 用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格u 用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号u 用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类u 用字母表示资料用字母表示资料u 三极管三极管u第二位：第二位：A表示锗表示锗PNP管、管、B表示锗表示锗NPN管、管、C表示硅表示硅PNP管、管、D表示硅表示硅NPN管管u第三位：第三位：X表示低频小功率管、表示低频小功率管、D表示低频

48、大功率管、表示低频大功率管、G表示高频小功率管、表示高频小功率管、A表示高频小功率管、表示高频小功率管、K表示开关管。表示开关管。 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管BCEIIIBCIIbBEII)1 (b重点重点1 1：三极管的放大作用电流分配：三极管的放大作用电流分配 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管重点重点2 2：三极管的三个任务形状特征：三极管的三个任务形状特征放大形状：反射结正偏，集电结反偏。放大形状：反射结正偏，集电结反偏。饱和形状：反射结正偏，集电结正偏。饱和形状：反射结正偏，集电结正偏。截止形状：反射结反偏，集电结反偏。截止形状：反射结反偏，集电结反偏。 2.4

49、双级型晶体三极管双级型晶体三极管晶体管电路的根本问题和分析方法晶体管电路的根本问题和分析方法三种任务形状三种任务形状状态状态电流关系电流关系 条条 件件放大放大I C = IB发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏饱和饱和 I C IB两个结正偏两个结正偏ICS = IBS 集电结集电结零偏零偏临界临界截止截止IB U(th) 那么那么导通导通以以 NPN为为 例：例：UBE UB UE放大放大UE UC UB饱和饱和PNP 管管UC UB UC U B饱和饱和2. 电流判别法电流判别法第二章第二章 小结小结第三章引见第三章引见 例例1 1：测得放大电路中三极管各极直流电位：测得放大电路中三

50、极管各极直流电位如下图，试判别如下图，试判别: :三个管脚的电极称号；三个管脚的电极称号；是硅管还是锗管；是是硅管还是锗管；是NPNNPN还是还是PNPPNP。6V0.6V1.3VA -11.3V-12V-5VB-6V0.2V0VC 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管例例4：判别以下图各三极管的任务形状。：判别以下图各三极管的任务形状。2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管判别三极管任务形状的方法：判别三极管任务形状的方法：IC(mA )123UCE(V)369122.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管临界饱临界饱和点和点7 . 07 . 00 BECBCESUUUCCCCCESCC

51、CSRURUUI 用电流用电流判别饱和判别饱和BSCSCIIIb b 一定一定BICCCCCESCCBSBRURUUIIb bb b 一定一定CI例例3： = 50， USC =12V， RB = 70k， RC =6k 当当USB = -2V，2V，5V时，时，晶体管的直流晶体管的直流(静态静态)任务任务点点Q位于哪个区？位于哪个区？当当 USB = -2V 时：时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB= 0 ， IC = 0Q位于截止区位于截止区 解：解：2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管例例3： = 50， USC =12V，RB =70k ， RC = 6k , 当

52、当USB = -2V，2V，5V, 所以所以IB T1uCEiC T1iB = 0T2 iB = 0O 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管2.4.6BJT的电路模型的电路模型BJT低频小信号低频小信号h参数等效模型参数等效模型BEuCiCEuBiBJT),(1CEBbeuifu),(2CEBCuifi 全微分得：全微分得： 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管CEICEBEBUBBEBEduuudiiuduBCECEICECBUBCCduuidiiidiBCECEUBBEiu为三极管的输入电阻，为三极管的输入电阻，berBICEBEuu为电压反响系数，为电压反响系数，CEUBCii为

53、电流放大系数，为电流放大系数，bBICECui为输出电导，为输出电导，beruF 它们的几它们的几 何意义见何意义见 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管ubeibuceicubeuceicrce很大，很大，普通忽略。普通忽略。 三极管的微变等效电路三极管的微变等效电路rbeb bibib rcerbeb bibibbce等等效效cbebec 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极管关于晶体管输入电阻关于晶体管输入电阻berbbrbcebeebrereebbbberrrr EQTbbbeIUrr)1(b b ebbbrr EQTbbIUr)1(b b 2.4 双级型晶体三极管双级型晶体三极

54、管将整个电路的各个元件做在一将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。个半导体基片上。集成电路集成电路: :优点优点: :任务稳定、运用方便、体积小、任务稳定、运用方便、体积小、分量轻、功耗小。分量轻、功耗小。分类分类: :模拟集成电路、数字集成电路模拟集成电路、数字集成电路小、中、大、超大规模集成电路小、中、大、超大规模集成电路 2.6 集成电路集成电路 2.6 集成电路集成电路1 1、电路元件制造在一个芯片上，元件参数偏向、电路元件制造在一个芯片上，元件参数偏向方向一致，温度均一性好。方向一致，温度均一性好。2 2、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到

55、2020千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件替代或外接。件替代或外接。3 3、几十、几十PFPF以下的小电容用以下的小电容用PNPN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接。大电容要外接。4 4、二极管普通用三极管的发射构呵斥。、二极管普通用三极管的发射构呵斥。 集成电路内部构造的特点集成电路内部构造的特点 2.6 集成电路集成电路2.6.1 集成运算放大器集成运算放大器(1) 差分输入级组合电路差分输入级组合电路(2) 中间级提供高增益，差分、中间级提供高增益，差分、CE(3) 输出级互补输出输出级互补输出(4) 附加电路附加电路(直流偏置、相位

56、补偿、调零电路等直流偏置、相位补偿、调零电路等差分差分输入级输入级电压放大级电压放大级输出级输出级偏置电路偏置电路+vid-vo一、组成框图一、组成框图 2.6 集成电路集成电路二、等效电路二、等效电路uouidui+u+uoRidAud uidRoiuid 差模输入电压差模输入电压uid = u u+Aud 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 uo = Aud(u+ u) 2.6 集成电路集成电路三、集成运放的根本构造三、集成运放的根本构造输入级输入级中间级中间级 输出级输出级-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS根根本本原原理理框框图图 2.6

57、集成电路集成电路T3T4T5T1T2IS u u反相端反相端同相端同相端uo与与uo反相反相与与uo同相同相 2.6 集成电路集成电路-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：要求：输入级输入级尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移, ,尽量提高尽量提高KCMRR , KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 riri尽能够大。尽能够大。 2.6 集成电路集成电路-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级中间级中间级足够大的电压放大倍数足够大的电压放大倍数 2.6 集成电路集成电路-UEE+UCC uuo u反相端反相端同

58、相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级中间级中间级 输出级输出级主要提高带负载才干，给出足够的输出电流主要提高带负载才干，给出足够的输出电流io io ，输出阻抗，输出阻抗 roro小。小。 2.6 集成电路集成电路运运算算放放大大器器外外形形图图 2.6 集成电路集成电路第一部第一部分分第二部分第二部分第三第三部分部分第四部分第四部分第五部分第五部分字字 母母符号国符号国标标字字 母母器件类型器件类型数字数字品种品种字字 母母工作条件工作条件字字 母母封封 装装符符号号意 义符符号号意 义符符号号意 义符符号号意 义C中中国国制制造造THECFDWJBTTLHTLECLCMOS线性放大线性放大音响电视音响电视稳压器稳压器接口电路接口电路非线性非线性CERM0 70 C 40 85 C 55 85 C 55 125 CWBFDPJKT陶瓷扁平陶瓷扁平塑料扁平塑料扁平全封闭扁平全封闭扁平陶瓷直插陶瓷直插塑料直插塑料直插黑陶瓷直插黑陶瓷直插金属菱形金属菱形金属圆形金属圆形 国标国标 GB-3430-82 GB-3430-82 对集成电路的规定对集成电路的规定 2.6 集成电路集成电路 ri 高高:几十几十k 几百几百k 运放的特点：运放的特点：KCMRR很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A o 很大很大:104以上以上 107理想运放：理想运放： ri K