常用半導(dǎo)體器件3

—多媒體教學課件模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

FundamentalsofAnalogElectronics

童詩白、華成英主編1.本課程的性質(zhì)是一門技術(shù)基礎(chǔ)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(chǔ)、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话阈缘摹⒊Ｓ玫碾娮与娐愤M行分析，同時對較簡單的單元電路進行設(shè)計。緒論5.學習方法重點掌握基本概念、基本電路的分析、計算及設(shè)計方法。6.成績評定標準理論： 平時成績％ 作業(yè)、期中考、考勤、提問等期中成績%期末考試%實驗：7.教學參考書康華光主編，《電子技術(shù)基礎(chǔ)》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(chǔ)》第四版，高教出版社陳大欽主編，《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)問答：例題?試題》，華工出版社前言課外閱讀教材：1.謝自美電子線路設(shè)計.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(shè)計機械工業(yè)出版社。3.李東生Protel99SE電路設(shè)計技術(shù)入門電子工業(yè)出版社。第四版童詩白目錄1

常用半導(dǎo)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(yīng)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)壓電源第四版童詩白第一章常用半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.2半導(dǎo)體二極管1.3雙極型晶體管1.4場效應(yīng)管1.5單結(jié)晶體管和晶閘管1.6集成電路中的元件第四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(yīng)管的分類、工作原理和特性曲線。

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(dǎo)電時電子運動嗎？3.什么是N型半導(dǎo)體？什么是P型半導(dǎo)體？當二種半導(dǎo)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)中另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(yīng)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(dǎo)體材料制作電子器件？

1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.1.1本征半導(dǎo)體

純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體PNJunction半導(dǎo)體的導(dǎo)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(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。熱敏器件光敏器件二極管+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(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)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)。價電子共價鍵圖1.1.1本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖二、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)當溫度T=0

K時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。

+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1.1.2本征半導(dǎo)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(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱?？昭煽闯蓭д姷妮d流子。三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子（動畫1-1）（動畫1-2）四、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度在一定溫度下本征半導(dǎo)體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(dǎo)體中載流子的濃度公式：T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.43×1010/cm3本征鍺的電子和空穴濃度:

n=p=2.38×1013/cm3ni=pi=K1T3/2e-EGO/(2kT)本征激發(fā)復(fù)合動態(tài)平衡本征硅原子的濃度:

n=p=2.38×1013/cm31.半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)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)1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)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(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。常用的5價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。本征惡半導(dǎo)示體摻鍵入5價元茄素后克，原罰來晶連體中技的某合些硅攏原子燈將被服雜質(zhì)走原子俗代替與。雜殼質(zhì)原死子最伶外層噸有5個價傲電子貫，其小中4個與生硅構(gòu)企成共松價鍵盟，多賄余一殖個電袖子只嬸受自磁身原寫子核富吸引宋，在壞室溫愉下即曾可成確為自靜由電掘子。自由氏電子郊濃度地遠大菠于空廈穴的臂濃度妥，即n>>p。電子饑稱為相多數(shù)輸載流執(zhí)子(簡稱預(yù)多子)，空穴冠稱為極少數(shù)瓶載流詞子(簡稱既少子)。5價雜遣質(zhì)原纏子稱架為施主凳原子妻。+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(dǎo)體二、P型半童導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅哲或鍺功的晶庸體中酬摻入目少量吃的3價雜質(zhì)惰元素職，如主硼、越鎵、羅銦等襪，即督構(gòu)成P型半湖導(dǎo)體。+3空穴籮濃度載多于輩電子等濃度屬，即p>>n?？昭ㄝ啚槎帙o數(shù)載摩流子，電喊子為約少數(shù)余載流迎子。3價雜解質(zhì)原倆子稱漲為受主上原子勵。受主到原子空穴圖1.米1.和4P型半導(dǎo)吉體說明穴：1.摻入倉雜質(zhì)膛的濃雹度決點定多檔數(shù)載獲流子辰濃度睛；溫湯度決恰定少督數(shù)載顯流子股的濃濤度。3.雜質(zhì)耍半導(dǎo)宮體總期體上乞保持鴉電中灰性。4.雜質(zhì)烈半導(dǎo)喜體的廁表示各方法春如下柴圖所北示。2.雜質(zhì)別半導(dǎo)錄體載流防子的厲數(shù)目要遠墨遠高翼于本世征半遼導(dǎo)體籠，因艷而其尚導(dǎo)電各能力宴大大訊改善燒。(a)N型半息導(dǎo)體(b)P型半推導(dǎo)體圖癢雜倍質(zhì)半金導(dǎo)體攝的的枝簡化涉表示謙法在一繡塊半拋導(dǎo)體避單晶詳上一瓜側(cè)摻咬雜成怠為P型半惕導(dǎo)體摔，另母一側(cè)算摻雜嚇成為N型半甲導(dǎo)體陶，兩稍個區(qū)箭域的鼓交界累處就嚴形成慨了一攔個特餐殊的鎮(zhèn)薄層帥，稱為PN結(jié)。PNPN結(jié)圖PN結(jié)的房誠形成一、PN結(jié)的狗形成1.撒1.富3PN結(jié)PN結(jié)中渣載流攤子的餃運動耗盡窗層空間電荷區(qū)PN1.擴散額運動2.擴散私運動民形成習空間合電荷牢區(qū)電子課和空雹穴濃艷度差囑形成多數(shù)衡載流徹子的澡擴散藍運動?xùn)|?！≒澇N結(jié)，沸耗盡奇層。PN（動畫1-忠3）3.空間蹄電荷受區(qū)產(chǎn)盜生內(nèi)駐電場PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場Uho空間像電荷傳區(qū)正裕負離轎子之叮間電館位差Uho——電位液壁壘；——內(nèi)電凝場；內(nèi)患電場送阻止園多子誼的擴矩散——阻擋譜層。4.漂移痛運動內(nèi)電違場有時利于紹少子宣運動—漂移烤。少子眾的運灶動與查多子陶運動刊方向捏相反阻擋層5.擴散痕與漂悔移的違動態(tài)很平衡擴散哄運動戀使空叔間電扣荷區(qū)歲增大燦，擴績散電祝流逐歉漸減咳小；隨著琴內(nèi)電莖場的拿增強壘，漂幟移運朋動逐搬漸增皆加；當擴帽散電賤流與呈漂移脹電流儲相等陸時，PN結(jié)總溉的電秀流等供于零抹，空兔間電尿荷區(qū)秩的寬和度達團到穩(wěn)自定。即擴散兼運動鞠與漂弓移運律動達截到動煤態(tài)平原衡。PN二、PN結(jié)的聯(lián)單向我導(dǎo)電胳性1.PN結(jié)外加近正向粒電壓偽時處藍于導(dǎo)垃通狀鑼態(tài)又稱框正向譯偏置梢，簡傳稱正它偏。外電場方向內(nèi)電場方向耗盡層VRI圖1.青1.跌6PN二、PN結(jié)的卻單向及導(dǎo)電疏性1.PN結(jié)外加踐正向能電壓括時處圣于導(dǎo)澇通狀毒態(tài)又稱顆正向鹿偏置變，簡尚稱正坊偏。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.虹1.郊6PN在PN結(jié)加壟上一俱個很砍小的假正向錦電壓柄，即框可得餃到較尋大的視正向改電流暗，為釋防止跳電流廁過大草，可在接入放電阻R。2.PN結(jié)外加與反向秩電壓硬時處疏于截離止狀熱態(tài)(反偏)反向掃接法流時，榜外電辱場與咱內(nèi)電緞場的急方向懼一致眨，增步強了襯內(nèi)電主場的妄作用現(xiàn)；外電妨場使肅空間影電荷集區(qū)變啞寬；不利償于擴寒散運鑄動，橋有利枕于漂閣移運控動，房誠漂移刪電流區(qū)大于憐擴散先電流奔，電省路中劍產(chǎn)生驕反向荷電流I；由于鏟少數(shù)婦載流息子濃調(diào)度很啊低，雨反向琴電流艇數(shù)值撲非常哀小。耗盡層圖1.惠1.脊7PN結(jié)加雨反相破電壓主時截煌止反向讓電流探又稱反向慚飽和野電流。對溫吊度十湯分敏抽感，隨著涼溫度斧升高近，IS將急殘劇增峰大。PN外電場方向內(nèi)電場方向VRIS當PN結(jié)正抽向偏母置時桑，回豆路中刷將產(chǎn)最生一肌個較牛大的怕正向史電流講，PN結(jié)處掩于導(dǎo)通譽狀態(tài)；當PN結(jié)反某向偏軍置時案，回詳路中群反向僵電流揉非常謝小，喚幾乎槐等于悉零，PN結(jié)處架于截止宴狀態(tài)。（動畫1-旺4）（動畫1-片5）綜上孔所述聰：可見踩，PN結(jié)具助有單向患導(dǎo)電浪性。IS：反向植飽和亂電流UT：溫度貢的電胞壓當癥量在常協(xié)溫(30早0私K)下，UT26溝m警V三、PN結(jié)的舊電流稱方程PN結(jié)所娃加端托電壓u與流復(fù)過的追電流i的關(guān)數(shù)系為公式胡推導(dǎo)灘過程橋略四、PN結(jié)的關(guān)伏安揉特性i=f(u)之間阿的關(guān)則系曲弊線。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向丹特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向每特性圖1.未1.挨10PN結(jié)的緣瑞伏安賄特性反向以擊穿五、PN結(jié)的糞電容嘉效應(yīng)當PN上的已電壓衛(wèi)發(fā)生診變化效時，PN結(jié)中踩儲存均的電秤荷量竿將隨呆之發(fā)踩生變嘗化，念使PN結(jié)具界有電蘋容效壺應(yīng)。電容耍效應(yīng)割包括礙兩部窄分勢壘廁電容擴散辯電容1.勢壘梳電容Cb是由PN結(jié)的空間陣電荷蝴區(qū)變鍋化形哨成的糾。(a)PN結(jié)加正向嶺電壓（b)PN結(jié)加反向莖電壓-N空間電荷區(qū)PVRI+UN空間電荷區(qū)PRI+-UV空間味電荷主區(qū)的張正負傷離子縮慧數(shù)目渴發(fā)生稱變化察，如歡同電壩容的泥放電店和充嶺電過投程。勢壘陳電容褲的大株小可渾用下嘆式表便示：由于PN結(jié)寬度l隨外肆加電艘壓u而變幻玉化，衫因此勢壘茫電容Cb不是蛛一個倦常數(shù)。其Cb=f(U)曲線撲如圖凍示。：半肥導(dǎo)體晝材料準的介探電比很系數(shù)幣；S：結(jié)面哀積；l：耗盡朝層寬衣度。OuCb圖1.1.11（b)2.擴散矩電容CdQ是由去多數(shù)悄載流挖子在葬擴散霧過程擦中積弄累而議引起蔑的。在某歡個正槽向電固壓下該，P區(qū)中的啟電子畝濃度np(或N區(qū)的打空穴劣濃度pn)分布隊曲線期如圖軟中曲竭線1所示研。x=潑0處為P與泄耗盡橫層的罷交界竹處當電勒壓加或大，np(或pn)會升高杏，如翼曲線2所示(反之就濃度賄會降旗低)。OxnPQ12Q當加情反向籃電壓糟時，差擴散喘運動忙被削樓弱，模擴散驕電容鄉(xiāng)豐的作折用可斯忽略自。Q正向別電壓健變化棒時，津變化飄載流歇子積咸累電爭荷量規(guī)發(fā)生租變化倡，相軟當于漏電容責器充慘電和村放電漲的過棕程——擴散哈電容長效應(yīng)彼。圖1.耽1.芳12PNPN結(jié)綜上牌所述忘：PN結(jié)總的旨結(jié)電孫容Cj包括硬勢壘鴉電容Cb和擴散何電容Cd兩部原分。Cb和Cd值都幼很小霧，通騾常為釘幾個窗皮法~幾十總皮法唱，盲有失些結(jié)廁面積歡大的批二極墳管可腹達幾智百皮地法。當反軟向偏賓置時少，勢狠壘電油容起眨主要蒜作用碧，可離以認側(cè)為CjCb。一般淋來說還，當尤二極瞇管正蓄向偏結(jié)置時蘇，擴瞇散電獵容起打主要捎作用間，即籍可以醋認為CjCd；在信么號頻蹈率較遭高時揉，須膨考慮惑結(jié)電刺容的乖作用貨。1.潮2半導(dǎo)冤體二嬸極管在PN結(jié)上庫加上析引線檢和封疾裝，爐就成莖為一為個二菊極管媽。二極論管按泛結(jié)構(gòu)饞分有點接不觸型稻、面關(guān)接觸糖型和美平面鞭型圖1.內(nèi)2.兩1二極智管的魚幾種外形1點接哲觸型則二極影管(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖1.絨2.撕1半導(dǎo)搜體二棚極管丘的幾豆種常鑰見結(jié)襖構(gòu)PN結(jié)面狼積小述，結(jié)皇電容抓小，五用于漲檢波殘和變牽頻等云高頻新電路吃。3平面古型二償極管往往腦用于游集成忌電路伏制造猾工藝棉中。PN結(jié)面灘積可隙大可攻小，蜓用于此高頻脹整流陶和開關(guān)關(guān)電恭路中巧。2面接敲觸型胡二極蜜管PN結(jié)面族積大際，用獸于工依頻大苦電流他整流究電路錄。(b)面接觸型(c)平面型4二極蘿管的暑代表烘符號D1.勇2.鳥2二極滑管的棟伏安鏈特性二極亞管的稻伏安冷特性敗曲線勻可用蹤蝶下式厚表示硅二極管2CP10的伏安特性正向棄特性反向殖特性反向漁擊穿禁特性開啟痛電壓宗：0.惡5V導(dǎo)通電晚壓：0.河7一、棄伏安痛特性鍺二極管2AP15的伏安特性UonU(BR)開啟部電壓啟：0.番1V導(dǎo)通電亞壓：0.捕2V二、上溫度咬對二丘極管犧伏安搏特性限的影賴響在環(huán)境策溫度榜升高層時，府二極館管的皂正向倘特性虎將左浮移，哀反向廳特性正將下鎮(zhèn)移。二極辜管的猴特性嬌對溫豎度很催敏感丹，具有老負溫參度系村數(shù)。–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.020溫度增加1.末2.絹3二極白管的健參數(shù)(1設(shè))最大溪整流航電流IF(2填)反向酒擊穿醋電壓U（BR）和最芝高反揮向工顫作電瘡壓URM(3老)反向僵電流IR(4雪)最高脖工作社頻率fM(5閱)極間鈴電容Cj在實際案應(yīng)用淘中，罰應(yīng)根醫(yī)據(jù)管案子所隆用的齡場合鼻，按稅其所撕承受鑰的最寧高反竟向電冒壓、泡最大扇正向虹平均訓(xùn)電流院、工乳作頻旗率、牽環(huán)境攻溫度膠等條鈴件，籮選擇想滿足剝要求幫的二刺極管討。1.連2.奶4二極費管等效暴電路一、借由伏如安特殘性折餃線化長得到臉的等聞效電繁路1.理想模型2.恒壓降模型3.折線模型二、欄二極歌管的浴微變貝等效桿電路二極宮管工疫作在利正向潑特性倘的某禽一小鎮(zhèn)范圍醉內(nèi)時衰，其誓正向匙特性飲可以圍等效艷成一程個微莫變電短阻。即根據(jù)得Q點處云的微藥變電念導(dǎo)則常溫紀下（T=3冰00燒K）圖1.2.7二極管的微變等效電路應(yīng)用蝕舉例二極莖管的腐靜態(tài)局工作雷情況貨分析理想揭模型（R=10k）VDD=10V時恒壓屋模型（硅二極管典型值）折線攻模型（硅二極管典型值）設(shè)應(yīng)用癥舉例例1：P6減9習題1.陣2解：趙采用域理想來電路放模型ui和uo的波包形如單圖所吹示例2：電路勵如圖a所示寬，二捉極管挑導(dǎo)通期電壓板為0.點7V向,輸入湊電壓u11、u12如圖b所示解：石采用哥恒壓抄降電氏路模魔型二個嘩二極言管共儉陽極督接法輸入點電壓陡小者從先導(dǎo)糞通ui和uo的波爺形如絮圖所行示1.充2.食5穩(wěn)壓乏二極閥管一、肅穩(wěn)壓喜管的摘伏安同特性(a)符號(b)2CW17伏安特性利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)，反向電壓應(yīng)大于穩(wěn)壓電壓。DZ(1爽)穩(wěn)定屬電壓UZ(2膝)動態(tài)軟電阻rZ在規(guī)培定的社穩(wěn)壓置管反野向工衣作電暖流IZ下，譜所對疊應(yīng)的伶反向探工作竄電壓享。rZ=VZ/IZ(3牧)額定除功耗PZM(=發(fā)UZ×IZM