常用半導體器件課件

1、 信息學院電子與控制工程系 主講人：王彩紅電話公室：6507 E-mail :hongcaiwang163多媒體教學課件模擬電子技術(shù)基礎Fundamentals of Analog Electronics華成英、童詩白主編 信息學院電子與控制工程系多媒體1. 本課程的性質(zhì) 是一門技術(shù)基礎課2. 特點 非純理論性課程 實踐性很強 以工程實踐的觀點來處理電路中的一些問題3. 研究內(nèi)容 以器件為基礎、以信號為主線，研究各種模擬電子電路的工作原理、特點及性能指標等。4. 教學目標 能夠?qū)σ话阈缘?、常用的電子電路進行分析，同時對較簡單的單元電路進行設計。緒論1. 本課程的性質(zhì)

2、是一門技術(shù)基礎課2. 特點5 該課程的學習方法建立新概念。確立新的分析方法。重點掌握“基本概念、基本電路、基本分析 方法”。注意電路的基本定理、定律在模擬電路分 析中的應用。注重實驗環(huán)節(jié)，先理論分析，后實踐， 然 后再對實驗的結(jié)果進行分析。5 該課程的學習方法建立新概念。6. 成績評定標準實驗20 % 作業(yè)+考勤 10 % 期終考試70 %7. 教學參考書 康華光主編，電子技術(shù)基礎 模擬部分 第三版，高教出版社 童詩白主編，模擬電子技術(shù)基礎 第二版，高教出版社 陳大欽主編，模擬電子技術(shù)基礎問答：例題 試題，華工出版社 前言6. 成績評定標準實驗20 % 課外閱讀教材：1.謝自美 電子線路設計.

3、實驗.測試 華中理工大學出版社。2.畢滿清 電子技術(shù)實驗與課程設計 機械工業(yè)出版社。3.高偉濤 Pspice8.0電路設計實例精粹 國防工業(yè)出版社 。4.李東生 Protel99SE電路設計技術(shù)入門 電子工業(yè)出版社。5.劉君華 虛擬儀器圖形化編程語言 西安電子科技大學出版社。6.張易知 虛擬儀器的設計與實現(xiàn) 西安電子科技大學出版社。課外閱讀教材：1.謝自美 電子線路設計.實驗.測試 第三版童詩白目錄1 常用半導體器件2 基本放大電路3 多級放大電路4 集成運算放大電路5 放大電路的頻率響應6 放大電路中的反饋7 信號的運算和處理8 波形的發(fā)生和信號的轉(zhuǎn)換9 功率放大電路10 直流穩(wěn)壓電源第三版

4、童詩白目錄1 常用半導體器件2 基本放大電路3 電子系統(tǒng) 由基本電路組成的具有特定功能的電路整體。信號信號是信息的載體。聲音信號傳達語言、音樂或其它信息。圖像信號傳達人類視覺系統(tǒng)能接受的圖像信息。電子系統(tǒng)與信號緒論電子系統(tǒng) 由基本電路組成的具有特定功能的電路整體。信號0f(t)t模擬信號 在時間和幅度是上都是連續(xù)變化的。模擬電路處理模擬信號的電路。0f(t)tt1t3t5t2t4.1.時間離散，幅度連續(xù)；0f(t)tt1t3t5t2t4.2.時間離散，幅度離散；0f(t)tt1t3t5t2t4.3.時間連續(xù)，幅度離散；模擬信號和數(shù)字信號緒論0f(t)t模擬信號 在時間和幅度是上都是連續(xù)變化的數(shù)

5、字信號 數(shù)字信號只存在高低兩種電平的相互轉(zhuǎn)化。0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 數(shù)字信號 數(shù)字信號只存在高低兩種電平的相互轉(zhuǎn)化。0 一、電子技術(shù)：無確切定義。因為近年來它發(fā)展迅猛，分支龐雜。有種說法為“凡是研究含有電子器件的電路、系統(tǒng)及應用的學科”。二、發(fā)展歷程： 以電子器件的更新?lián)Q代為標志！ 電子學近百年發(fā)展史上三個重要里程碑：1904年電子管發(fā)明（真正進入電子時代）1948年晶體管問世60年代集成電路出現(xiàn)(SSI、MS

6、I、LSI、VLSI)一、電子技術(shù)：二、發(fā)展歷程： 1第一代電子器件電子管 1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）等發(fā)明了電子管，是電子學發(fā)展史上第一個里程碑。用電子管可實現(xiàn)整流、穩(wěn)壓、檢波、放大、振蕩、變頻、調(diào)制等多種功能電路。 電子管體積大、重量重、壽命短、耗電大。世界上第一臺計算機用1.8萬只電子管，占地170m2，重30t，耗電150kW。 1第一代電子器件電子管2第二代電子器件晶體管 1948年，肖克利（W.Shckly）等發(fā)明了半導體三極管，其性能明顯優(yōu)于電子管，從而大大促進了電子技術(shù)的應用與發(fā)展。晶體管的發(fā)明是電子學歷史上的第二個里程碑。 盡管晶體管在體積、重量等方面

7、性能優(yōu)于電子管，但由成百上千只晶體管和其他元件組成的分立電路體積大、焊點多，可靠性差。2第二代電子器件晶體管3第三代電子器件集成電路 1958年，基爾白等提出將管子、元件和線路集成封裝在一起的設想，三年后，集成電路實現(xiàn)了商品化。 當前，單個芯片可集成器件成千上萬個，例如，CPU芯片P6內(nèi)部就封裝了550萬只晶體管。集成電路的發(fā)展促進了電子學、特別是數(shù)字電路和微型計算機的發(fā)展，人類社會開始邁進信息時代。 集成電路按集成度可分作 (1)小規(guī)模集成電路（SSI）102 (2)中規(guī)模集成電路（MSI）103 (3)大規(guī)模集成電路（LSI）105 (4)超大規(guī)模集成電路(VLSI)105 當前，微電子已

8、成為最具有發(fā)展前途的產(chǎn)業(yè)，微電子技術(shù)水平已成為衡量一個國家技術(shù)水平的重要標志。常用半導體器件課件國防工業(yè)、軍事工業(yè)、兵器工業(yè)：各種武器控制（火炮控制、導彈控制、智能炸彈制導引爆裝置）、坦克、艦艇、轟炸機等陸海空各種軍用電子裝備，雷達、電子對抗軍事通信裝備，野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)用各種專用設備等。我國嵌入式計算機最早用于導彈控制。國防工業(yè)、軍事工業(yè)、兵器工業(yè)：各種武器控制（火炮控制、導彈控信息家電、民用設備：各種信息家電產(chǎn)品，如數(shù)字電視機、機頂盒，數(shù)碼相機，VCD、DVD音響設備，可視電話，家庭網(wǎng)絡設備，洗衣機，網(wǎng)絡冰箱，網(wǎng)絡空調(diào)，智能玩具，其他消費類電子產(chǎn)品等。信息家電、民用設備：各種信息家電產(chǎn)品，如數(shù)

9、字電視機、機頂盒，工業(yè)：各種智能測量儀表、智能卡、數(shù)控裝置、可編程控制器、控制機、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線儀表及控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、智能機器人、智能傳感器、機電一體化機械設備、車載導航器、汽車電子設備、車輛與交通工程等。工業(yè)：各種智能測量儀表、智能卡、數(shù)控裝置、可編程控制器、控制商業(yè)：各類收款機、電子秤、條形碼閱讀機、商用終端、銀行點鈔機、IC卡輸入設備、取款機、自動柜員機、自動服務終端、防盜系統(tǒng)、各種銀行專業(yè)外圍設備、智能金融器具、遠程教育。商業(yè)：各類收款機、電子秤、條形碼閱讀機、商用終端、銀行點鈔機辦公自動化：復印機、打印機、傳真機、掃描儀、其他計算機外圍設備、掌上電腦、激光照排系統(tǒng)、安

10、全監(jiān)控設備、媒體手機、移動電話、尋呼機、個人數(shù)字助理（PDA）、變頻空調(diào)設備、通信終端、程控交換機、網(wǎng)絡瀏覽器、網(wǎng)絡設備（路由器、交換機、Web server、網(wǎng)絡接入盒等）、網(wǎng)絡工程、錄音錄象及電視會議設備、數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)等。辦公自動化：復印機、打印機、傳真機、掃描儀、其他計算機外圍設醫(yī)療保健設備：各種醫(yī)療電子儀器，X光機、超聲診斷儀、計算機斷層成像系統(tǒng)、心臟起博器、監(jiān)護儀、輔助診斷系統(tǒng)、遠程醫(yī)療、專家系統(tǒng)等。其他領(lǐng)域：農(nóng)業(yè)技術(shù)、光學系統(tǒng)、氣象預報、衛(wèi)星通信網(wǎng)、數(shù)字通信、移動數(shù)據(jù)庫、語音處理。醫(yī)療保健設備：各種醫(yī)療電子儀器，X光機、超聲診斷儀、計算機斷電學電路模電數(shù)電半導體器件高頻、通信微

11、機緒論電學電路模電數(shù)電半導體器件高頻、通信微機緒論第三版童詩白第一章 常用半導體器件 1.1 半導體基礎知識 1.2 半導體二極管 1.3 晶體三極管 1.4 場效應管 1.5 單結(jié)晶體管和晶閘管 1.6集成電路中的元件第三版童詩白第一章 常用半導體器件 1.1 半導體基礎知識 第三版童詩白本章重點和考點：1.二極管的單向?qū)щ娦?、穩(wěn)壓管的原理。2.三極管的電流放大原理，如何判斷三極管的管型 、管腳和管材。3.場效應管的分類、工作原理和特性曲線。 本章教學時數(shù)：10學時第三版童詩白本章重點和考點：1.二極管的單向?qū)щ娦?、穩(wěn)壓管的第四版童詩白本章討論的問題：2.空穴是一種載流子嗎？空穴導電時電子運

12、動嗎？3.什么是N型半導體？什么是P型半導體？當兩種半導體制作在一起時會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？4.PN結(jié)上所加端電壓與電流符合歐姆定律嗎？它為什么具有單向性？在PN結(jié)中加反向電壓時真的沒有電流嗎？5.晶體管是通過什么方式來控制集電極電流的？場效應管是通過什么方式來控制漏極電流的？為什么它們都可以用于放大？1.為什么采用半導體材料制作電子器件？第四版童詩白本章討論的問題：2.空穴是一種載流子嗎？空穴導電1.1 半導體的基礎知識1.1.1 本征半導體 純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體

13、：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。一、導體、半導體和絕緣體PNJunction1.1 半導體的基礎知識1.1.1 本征半導體 導體：自半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導電能力明顯改變。光敏器件二極管半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體稱為本征半導體 將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。

14、價電子共價鍵圖 1.1.1本征半導體結(jié)構(gòu)示意圖二、本征半導體的晶體結(jié)構(gòu)當溫度 T = 0 K 時，半導體不導電，如同絕緣體。+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全純凈的、+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖 1.1.2本征半導體中的 自由電子和空穴自由電子空穴 若 T ，將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位空穴。T 自由電子和空穴使本征半導體具有導電能力，但很微弱。空穴可看成帶正電的載流子。三、本征半導體中的兩種載流子（動畫1-1）（動畫1-2）+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖 1.1.2本征半導四、本征半導體中載流子的濃度在一定溫度下本征半導體

15、中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。本征半導體中載流子的濃度公式：T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.431010/cm3本征鍺的電子和空穴濃度: n = p =2.381013/cm3ni=pi=K1T3/2 e -EGO/(2KT)本征激發(fā)復合動態(tài)平衡四、本征半導體中載流子的濃度在一定溫度下本征半導體中載流子的1. 半導體中兩種載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴 2. 本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為 電子 - 空穴對。3. 本征半導體中自由電子和空穴的濃度用 ni 和 pi 表示，顯然 ni = pi 。4. 由于物質(zhì)的運動，

16、自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。5. 載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。小結(jié)1. 半導體中兩種載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴 21.1.2雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體有兩種N 型半導體P 型半導體一、 N 型半導體(Negative)在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成 N 型半導體(或稱電子型半導體)。常用的 5 價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。1.1.2雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體有兩種N 型半導體P 型半導 本征半導體摻入 5 價元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替

17、。雜質(zhì)原子最外層有 5 個價電子，其中 4 個與硅構(gòu)成共價鍵，多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。 自由電子濃度遠大于空穴的濃度，即 n p 。電子稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。5 價雜質(zhì)原子稱為施主原子。 本征半導體摻入 5 價元素后，原來晶體中的某+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖 1.1.3N 型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子二、 P 型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3 價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成 P 型半導體。+3空穴濃度多于電子濃

18、度，即 p n?？昭槎鄶?shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。3 價雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主原子空穴圖 1.1.4P 型半導體二、 P 型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在說明：1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3. 雜質(zhì)半導體總體上保持電中性。 4. 雜質(zhì)半導體的表示方法如下圖所示。2. 雜質(zhì)半導體載流子的數(shù)目要遠遠高于本征半導體，因而其導電能力大大改善。(a)N 型半導體(b) P 型半導體圖 雜質(zhì)半導體的的簡化表示法說明：1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少 在一塊半導體單晶上一側(cè)摻雜成為 P 型半導體，另一側(cè)摻雜成為 N 型半導體，兩個區(qū)

19、域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為 PN 結(jié)。 PNPN結(jié)圖 PN 結(jié)的形成一、PN 結(jié)的形成1.1.3PN結(jié) 在一塊半導體單晶上一側(cè)摻雜成為 P 型半導體 PN 結(jié)中載流子的運動耗盡層空間電荷區(qū)PN1. 擴散運動2. 擴散運動形成空間電荷區(qū)電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴散運動。 PN 結(jié)，耗盡層。PN （動畫1-3） PN 結(jié)中載流子的運動耗盡層空間電荷區(qū)PN1. 擴散運動3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場Uho空間電荷區(qū)正負離子之間電位差 Uho 電位壁壘； 內(nèi)電場；內(nèi)電場阻止多子的擴散 阻擋層。4. 漂移運動內(nèi)電場有利于少子運動漂移。 少子的運動與多子運動方向相反 阻

20、擋層3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場Uho空間5. 擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減??；隨著內(nèi)電場的增強，漂移運動逐漸增加；當擴散電流與漂移電流相等時，PN 結(jié)總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定。對稱結(jié)即擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡。PN不對稱結(jié)5. 擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流二、 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?. PN結(jié) 外加正向電壓時處于導通狀態(tài)又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向內(nèi)電場方向耗盡層VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大的正向電流。圖 1.1.6PN什么是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?？有什么作用？二?PN

21、 結(jié)的單向?qū)щ娦?. PN結(jié) 外加正向電壓時處于導在 PN 結(jié)加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻 R。2. PN 結(jié)外加反向電壓時處于截止狀態(tài)(反偏)反向接法時，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強了內(nèi)電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產(chǎn)生反向電流 I ；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。在 PN 結(jié)加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電耗盡層圖 1.1.7PN 結(jié)加反相電壓時截止 反向電流又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感，隨著溫度升高， IS 將急劇增大。PN外電場方向內(nèi)電場方向V

22、RIS耗盡層圖 1.1.7PN 結(jié)加反相電壓時截止 反向電 當 PN 結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流， PN 結(jié)處于 導通狀態(tài)； 當 PN 結(jié)反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零， PN 結(jié)處于截止狀態(tài)。 （動畫1-4） （動畫1-5）綜上所述：可見， PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?（動畫1-4） （動畫1-5）綜上所述：可見， PIS ：反向飽和電流UT ：溫度的電壓當量在常溫(300 K)下， UT 26 mV三、 PN 結(jié)的電流方程PN結(jié)所加端電壓u與流過的電流i的關(guān)系為公式推導過程略IS ：反向飽和電流三、 PN 結(jié)的電流方程PN結(jié)所加端電壓四、PN結(jié)的伏安特性i = f (u )之間的關(guān)系曲線。604020 0.002 0.00400.51.02550i/ mAu / V正向特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性圖 1.1.10PN結(jié)的伏安特性反向擊穿齊納擊穿雪崩擊穿四、PN結(jié)的伏安特性i = f (u )之間的關(guān)系曲線。五、PN結(jié)的電容效應當PN上的電壓發(fā)生變化時，PN 結(jié)中儲存的電荷量將隨之發(fā)生變化，使PN結(jié)具有電容效應。電容效應包括兩部分