半导体 1教学课件

1、一 半导体二极管和三极管,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 晶体三极管,1.1 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结的形成及其单向导电性,四、PN结的电容效应,一、本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,1、什么是半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。

2、,半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,2、本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,共价键,温度升高，热运动加剧，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,二、杂质半导体 1. N型半导体,磷（P）,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,多数载流子,N是Negative（负的）首字母,2. P型半导体,硼（B）,多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，

3、,P是Positive（正的）首字母,杂质半导体的示意图,多子电子,多子空穴,多子浓度与温度无关,三、PN结的形成及其单向导电性,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。,PN 结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动

4、。,PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,PN 结的单向导电性,正向偏置：正偏,反向偏置：反偏,一、二极管的组成,点接触型,面接触型,平面型,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,二极管正负极外形区别 1、普通二极管有色端标示一级为负极。 2、发光二极管长脚为正、短脚为负。,二极管正负极外形区别 1、普通二极管有色端标示一级为负极。 2、发光二极管长脚为正、短脚为负。 3、发光二极管如果脚一样长，发光二极管

5、里面的大点的是负极，小的是正极。,如何判别二极管的阳极、阴极？ 利用万用表的欧姆档： 1、打到R 100或者R1K档。 2、测试中，如果二极管的电阻很小，说明此时二极管处于正向导通。那么黑表笔接触的那一端是二极管的阳极。 请问有没有特殊情况，即使万用表显示电阻小，也无法说明黑表笔接触的那一端是二极管的阳极？,万用表判断二极管的好坏 1、良好的二极管正向导通时电阻较小（一般为几十至几百），反向截止时电阻值较大（一般为几百K以上）；如果正向电阻越小，反向电阻越大，说明二极管的单向导电性越好。 2、如果正、反向电阻都很小，说明管子损坏。 3、如果正、反向电阻无穷大，说明管子损坏。,二、二极管的伏安特

6、性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的 电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,正向特性 1、开启电压：当加在二极管上的正向电压比较小时，正向电流很小，几乎等于0。只有当加在二极管两端的正向电压超过某一数值时，正向电流才明显增加。,击穿电压,正向特性 2、导通电压：当正向电压超过开启电压以后，随着电压的升高，正向电流迅速增大，基本上是一条指数曲线。,正向特性 3、管压降：指二极管导通后，二极管两端的电压。通常硅二极管取0.7V的，锗管取0.3V。注意：二极管与电阻分压的区别！,反向特性注意点： 1、发生击穿并不意味着二极管被损坏。

7、 2、反向击穿电压的应用：稳压二极管,从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性,2. 伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,三、二极管的等效电路,理想 二极管,近似分析中最常用,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1. 将伏安特性折线化,？,100V？5V？1V？,五、稳压二极管:齐纳二极管,1. 伏安特性,进入稳压区的最小电流,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基本不变，为稳定电压。,

8、限流电阻,斜率？,发光二极管,发光二极管是一种光发射器件，是一种把电能直接转换成光能的固体发光器件，简称LED。,1、管压降大于1.6V。 2、工作电路很小，几微安，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。,LED优点：电光转化效率高（接近60%，绿色环保、寿命长（可达10万小时）、工作电压低（3V左右）、反复开关无损寿命、体积小、发热少、亮度高、坚固耐用、易于调光、色彩多样、光束集中稳定、启动无延时； LED缺点：起始成本高、显色性差、大功率LED效率低、恒流驱动（需专用驱动电路）。 相比之下，各种传统照明存在一定的缺陷。,光敏二极管,光敏二极管，又叫光电二极管（英语：photodio

9、de ）是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。管芯常使用一个具有光敏特征的PN结，对光的变化非常敏感，具有单向导电性，而且光强不同的时候会改变电学特性，因此，可以利用光照强弱来改变电路中的电流。,1、无光照时，相当于普通二极管 2、加反偏电压，有光照时，反向电流大小与光照强度相关。可以改变光照强度来控制反向电流大小。 3、右图光敏二极管工作 电路中，电源提供的电压 小于二极管的击穿电压。,整流电路,1、半波整流,输入电压波形图,输出电压波形图,单相桥式整流电路的习惯画法,桥式整流电路的简化画法,V1V4为整流二极管，电路为桥式结构。,电路图,桥式整流原理,（1）u2正半

10、周时，如图（a）所示，A点电位高于B点电位，则V1、V3导通（V2、V4截止），i1自上而下流过负载RL； （2）u2负半周时，如图（b）所示，A点电位低于B点电位，则V2、V4导通（V1、V3截止），i2自上而下流过负载RL；,u1,u2,u1,u2,(a) u2为正半周时的电流方向,(b) u2为负半周时的电流方向,由波形图可见，u2一周期内，两组整流二极管轮流导通产生的单方向电流i1 和i2叠加形成了iL。于是负载得到全波脉动直流电压uL。,桥式整流电路波形图,u2,u1,u2,(b) u2为负半周时的电流方向,二极管的检波电路： 大信号的检波的原理:主要是利用二极管的单向导电特性和检波

11、负载RC的充放电过程来完成调制信号的提取。,鉴频电路：实现鉴频的电路称为鉴频器,也叫频率检波器。,1.3 晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,一、晶体管的结构和符号,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,一般可以根据三极管本体上的mark来判断类型，2SA(A)系列和2SB(B)系列是PNP管，2SC(C)系列和2SD(D)系列是NPN管。,二、晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极

12、电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配： IEIBIC,电流方向： NPN:基极（b极）、集电极（c极）流入，发射极（e极）流出电流方向： PNP:发射极（e极）流出 流入，基极（b极）、集电极（c极）。,请注意三极管符号e极的箭头方向。,2. 输出特性,是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下 ?,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,饱和区,放大区,截止区,晶体管的三个工作区域,晶体管的三个工作区

13、域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,直流参数： 、 、ICBO、 ICEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE,安全工作区,交流参数：、fT（使1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,讨论一,由图示特性求出PCM、ICM、U （BR）CEO 、。,uCE=1V时的iC就是ICM,U（BR）CEO,讨论二：利用Multisim测试晶体管的输出特性,利用Multisim分析图示电路在V2小于何值时晶体

14、管截止、大于何值时晶体管饱和。,讨论三,以V2作为输入、以节点1作为输出，采用直流扫描的方法可得！,约小于0.5V时截止,约大于1V时饱和,描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。,2 基本放大电路,2.1 共发射极放大电路的组成,2.2 放大电路的静态分析,2.4 静态工作点的稳定,2.3 放大电路的动态分析,2.5 射极输出器,2.1 共发射极放大电路的组成,2.1.1 共发射极基本放大电路组成,共发射极基本电路,2.1.2 基本放大电路各元件作用,晶体管T-放大元件, iC= iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区 。,基极电源EB与基极电阻RB-使

15、发射结 处于正偏，并提供大小适当的基极电流。,共发射极基本电路,2.1.2 基本放大电路各元件作用,集电极电源EC -为电路提供能量。并保证集电结反偏。,集电极电阻RC-将电流的变化转变为电压的变化。,耦合电容C1 、C2 -隔离输入、输出与放大电路直流的联系，使交流信号顺利输入、输出。,信号源,负载,共发射极基本电路,单电源供电时常用的画法,共发射极基本电路,直流量：大字母，大下标，如IB,交流量：小字母，小下标，如ib,混合量：小字母，大下标，如iB,2.1.3 共射放大电路的电压放大作用,无输入信号(ui = 0)时:,uBE = UBE uCE = UCE uo = 0,结论：,(1)

16、 无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的 电压和电流:IB、UBE和 IC、UCE 。,(IB、UBE) 和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。,UBE,无输入信号(ui = 0)时:,？,有输入信号(ui 0)时,uCE = UCC iC RC,uBE = UBE+ ui uCE = UCE+ uo uo 0,= ube,结论：,(2) 加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大 小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了 一个交流量。,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,静态分析,结论：,(3) 若参数选取得当，输出电压可比输入电压大， 即电路具

17、有电压放大作用。,(4) 输出电压与输入电压在相位上相差180， 即共发射极电路具有反相作用。,1. 实现放大的条件,(1) 晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，集 电结反偏。 (2) 正确设置静态工作点，使晶体管工作于放大区。 (3) 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。 (4) 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的 集电极电压，经电容耦合只输出交流信号。,2. 直流通路和交流通路,因电容对交、直流的作用不同。在放大电路中如果电容的容量足够大，可以认为它对交流分量不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路。这样，交、直流分量所走的通路是不同的。,直流通路：无信号时电流（直流电流）的

18、通路， 用来计算静态工作点。,交流通路：有信号时交流分量（变化量）的通路， 用来计算电压放大倍数、输入电阻、 输出电阻等性能指标。,例：画出下图放大电路的直流通路,直流通路,直流通路用来计算静态工作点Q ( IB 、 IC 、 UCE ),对直流信号电容 C 可看作开路（即将电容断开）,断开,断开,对交流信号(有输入信号ui时的交流分量),XC 0，C 可看作短路。忽略电源的内阻，电源的端电压恒定，直流电源对交流可看作短路。,短路,短路,对地短路,交流通路,用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等性能指标。,2.2 放大电路的静态分析,静态：放大电路无信号输入（ui = 0）时的工作状态。,

19、分析方法：估算法、图解法。 分析对象：各极电压、电流的直流分量。 所用电路：放大电路的直流通路。,设置Q点的目的： (1) 使放大电路的放大信号不失真； (2) 使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。,静态工作点Q：IB、IC、UCE 。,静态分析：确定放大电路的静态值。,2.2.1 用估算法确定静态值,1. 直流通路估算 IB,根据电流放大作用,2. 由直流通路估算UCE,当UBE UCC时，,由KVL: UCC = IB RB+ UBE,由KVL: UCC = IC RC+ UCE,所以 UCE = UCC IC RC,例1：用估算法计算静态工作点。,已知：UCC=12V，RC

20、=4k，RB=300k， =37.5。,解：,注意：电路中IB 和 IC 的数量级不同,例2：用估算法计算图示电路的静态工作点。,由例1、例2可知，当电路不同时，计算静态值的公式也不同。,由KVL可得：,由KVL可得：,2.2.2 用图解法确定静态值,用作图的方法确定静态值,步骤： 1. 用估算法确定IB,优点： 能直观地分析和了解静 态值的变化对放大电路 的影响。,2. 由输出特性确定IC 和UCE,直流负载线方程,直流负载线斜率,直流负载线,由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点,O,2.3 放大电路的动态分析,动态：放大电路有信号输入（ui 0）时的工作状态。,分析方法：微变

21、等效电路法，图解法。,动态分析: 计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、 输出电阻ro等。,分析对象：各极电压和电流的交流分量。,目的：找出Au、 ri、 ro与电路参数的关系，为设计 打基础。,所用电路：放大电路的交流通路。,2.3.1 微变等效电路法,微变等效电路： 把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。即把非线性的晶体管线性化，等效为一个线性元件。,线性化的条件： 晶体管在小信号（微变量）情况下工作。因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。,微变等效电路法： 利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,晶体管

22、的微变等效电路可从晶体管特性曲线求出。,当信号很小时，在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化。,1. 晶体管的微变等效电路,UBE,对于小功率三极管：,rbe一般为几百欧到几千欧。,(1) 输入回路,Q,输入特性,晶体管的 输入电阻,晶体管的输入回路(B、E之间)可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和 ib之间的关系。,(2) 输出回路,rce愈大，恒流特性愈好。 因rce阻值很高，一般忽略不计。,晶体管的输出电阻,输出特性,输出特性在线性工作区是 一组近似等距的平行直线。,晶体管的电流放大系数,晶体管的输出回路(C、E之 间)可用一受控电流源 ic= ib 等效代替，即由来确

23、定ic和 ib之间的关系。 一般在20200之间。,O,ib,晶体三极管,微变等效电路,晶体管的B、E之间可用rbe等效代替。,晶体管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。,2. 放大电路的微变等效电路,将交流通路中的晶 体管用晶体管微变等 效电路代替即可得放 大电路的微变等效电 路。,交流通路,微变等效电路,分析时假设输入为正弦交流，所以等效电路中的电压与电流可用相量表示。,微变等效电路,2. 放大电路的微变等效电路,将交流通路中的晶 体管用晶体管微变等 效电路代替即可得放 大电路的微变等效电 路。,3.电压放大倍数的计算,当放大电路输出端开路(未接RL)时，,因rbe与IE有关，

24、故放大倍数与静态 IE有关。,负载电阻愈小，放大倍数愈小。,式中的负号表示输出电压的相位与输入相反。,例1：,3.电压放大倍数的计算,例2：,由例1、例2可知，当电路不同时，计算电压放大倍数 Au 的公式也不同。要根据微变等效电路找出 ui与ib的关系、 uo与ic 的关系。,4.放大电路输入电阻的计算,放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻，也就是放大电路的输入电阻。,定义：,输入电阻是对交流信号而言的，是动态电阻。,输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。电路的输入电阻越大越好。,例1：,5. 放大电路输出电阻的计

25、算,放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源，可以将它进行戴维宁等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。,定义：,输出电阻是动态电阻，与负载无关。,输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。电路的输出电阻越小越好。,共射极放大电路特点： 1. 放大倍数高; 2. 输入电阻低; 3. 输出电阻高.,例3：,求ro的步骤： 1) 断开负载RL,3) 外加电压,4) 求,外加,2) 令 或,外加,例4：,图解步骤： （1）根据静态分析方法，求出静态工作点Q。 （2）根据ui在输入特性上求uBE和iB。 （3）作交流负载线。 （4）由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE。,动态分析 图

26、解法,交流负载线的画法,VCC,Q,交流负载线,动态分析图解法,RL=,由uo和ui的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的电压放大倍数。,2.3.2 非线性失真,如果Q设置不合适，晶体管进入截止区或饱和区工作，将造成非线性失真。,若Q设置过高，,晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。,适当减小基极电流（增大RB）可消除失真。,若Q设置过低，,晶体管进入截止区工作，造成截止失真。,适当增加基极电流（减小RB）可消除失真。,如果Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真。,2.4 静态工作点的稳定,合理设置静态工作点是保证放大电路正常工作的先决条件。但是放大电路的静态工作点常因外界条

27、件的变化而发生变动。,前述的固定偏置放大电路，简单、容易调整，但在温度变化、三极管老化、电源电压波动等外部因素的影响下，将引起静态工作点的变动，严重时将使放大电路不能正常工作，其中温度变化的影响最大。,2.4.1 温度变化对静态工作点的影响,在固定偏置放大电路中，当温度升高时， UBE、 、 ICBO 。,上式表明，当UCC和 RB一定时， IC与 UBE、 以及 ICEO 有关，而这三个参数随温度而变化。,温度升高时， IC将增加，使Q点沿负载线上移。,iC,uCE,Q,温度升高时，输出特性曲线上移,固定偏置电路的Q点是不稳定的，为此需要改进偏置电路。当温度升高使 IC 增加时，能够自动减少

28、IB，从而抑制Q点的变化，保持Q点基本稳定。,结论： 当温度升高时， IC将增加，使Q点沿负载线上移，容易使晶体管 T进入饱和区造成饱和失真，甚至引起过热烧坏三极管。,O,2.4.2 分压式偏置电路,1. 稳定Q点的原理,基极电位基本恒定，不随温度变化。,VB,RB2 ：使VB基本不变,RE：使IC基本不变,CE：使Au不下降,2.4.2 分压式偏置电路,1. 稳定Q点的原理,VB,集电极电流基本恒定，不随温度变化。,从Q点稳定的角度来看似乎I2、VB越大越好。 但 I2 越大，RB1、RB2必须取得较小，将增加损耗，降低输入电阻。 VB过高必使VE也增高，在UCC一定时，势必使UCE减小，从

29、而减小放大电路输出电压的动态范围。,在估算时一般选取： I2= (5 10) IB，VB= (5 10) UBE， RB1、RB2的阻值一般为几十千欧。,参数的选择,VE,VB,Q点稳定的过程,VE,VB,VB 固定,RE：温度补偿电阻 对直流：RE越大,稳定Q点效果越好； 对交流：RE越大,交流损失越大,为避免交流损失加旁路电容CE。,2. 静态工作点的计算,估算法:,旁路电容,3. 动态分析,3. 动态分析,对交流：旁路电容 CE 将RE 短路， RE不起作用， Au，ri，ro与固定偏置电路相同。,RB=RB1/RB2,微变等效电路,去掉CE后的 微变等效电路,如果去掉CE ， Au，r

30、i，ro ?,无旁路电容CE,有旁路电容CE,Au减小,分压式偏置电路,ri 提高,ro不变,对信号源电压的放大倍数？,信号源,考虑信号源内阻RS 时,例1:,在图示放大电路中，已知UCC=12V, RC= 6k, RE1= 300， RE2= 2.7k， RB1= 60k， RB2= 20k RL= 6k ，晶体管=50， UBE=0.6V, 试求: (1) 静态工作点 IB、IC 及 UCE； (2) 画出微变等效电路； (3) ri、ro及 Au； (4) 若输入信号为 能输出正常波形， 则UO多大？ (5) 若测得输出波形为 判断放大器出现的是何种失真， 如何消除失真？,解:,(1)由

31、直流通路求静态工作点。,直流通路,(3) 由微变等效电路求Au、 ri 、 ro。,微变等效电路,若要消除失真必须改变RB1与RB2的比例，适当抬高放大器的静态工作点，如：适当调节RB1使其变小，则抬高了IB。,（4）,2.5 射极输出器,因对交流信号而言，集电极是输入与输出回路的公共端，所以是共集电极放大电路。 因从发射极输出，所以称射极输出器。,求Q点：,2.5.1 静态分析,直流通路,2.5.2 动态分析,1. 电压放大倍数,电压放大倍数Au1且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,微变等效电路,2. 输入电阻,射极输出器的输入电阻高，对前级有利。 ri 与负载有关,3.

32、 输出电阻,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,例1:,.,在图示放大电路中，已知UCC=12V, RE= 2k, RB= 200k， RL= 2k ，晶体管=60， UBE=0.6V, 信号源内阻RS= 100，试求: (1) 静态工作点 IB、IE 及 UCE； (2) 画出微变等效电路； (3) Au、ri 和 ro 。,解:,(1)由直流通路求静态工作点。,直流通路,(2) 由微变等效电路求Au、 ri 、 ro。,微变等效电路,共集电极放大电路(射极输出器)的特点：,1. 电压放大倍数小于1，约等于1; 2. 输入电阻高； 3. 输出电阻低； 4. 输出与输入同相。,射极输出器的应用,主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。,1. 因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。,2. 因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级