常用半导体器件课件

1、 信息学院电子与控制工程系 主讲人：王彩红电话公室：6507 E-mail :hongcaiwang163多媒体教学课件模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronics华成英、童诗白主编 信息学院电子与控制工程系多媒体1. 本课程的性质 是一门技术基础课2. 特点 非纯理论性课程 实践性很强 以工程实践的观点来处理电路中的一些问题3. 研究内容 以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。4. 教学目标 能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。绪论1. 本课程的性质

2、是一门技术基础课2. 特点5 该课程的学习方法建立新概念。确立新的分析方法。重点掌握“基本概念、基本电路、基本分析 方法”。注意电路的基本定理、定律在模拟电路分 析中的应用。注重实验环节，先理论分析，后实践， 然 后再对实验的结果进行分析。5 该课程的学习方法建立新概念。6. 成绩评定标准实验20 % 作业+考勤 10 % 期终考试70 %7. 教学参考书 康华光主编，电子技术基础 模拟部分 第三版，高教出版社 童诗白主编，模拟电子技术基础 第二版，高教出版社 陈大钦主编，模拟电子技术基础问答：例题 试题，华工出版社 前言6. 成绩评定标准实验20 % 课外阅读教材：1.谢自美 电子线路设计.

3、实验.测试 华中理工大学出版社。2.毕满清 电子技术实验与课程设计 机械工业出版社。3.高伟涛 Pspice8.0电路设计实例精粹 国防工业出版社 。4.李东生 Protel99SE电路设计技术入门 电子工业出版社。5.刘君华 虚拟仪器图形化编程语言 西安电子科技大学出版社。6.张易知 虚拟仪器的设计与实现 西安电子科技大学出版社。课外阅读教材：1.谢自美 电子线路设计.实验.测试 第三版童诗白目录1 常用半导体器件2 基本放大电路3 多级放大电路4 集成运算放大电路5 放大电路的频率响应6 放大电路中的反馈7 信号的运算和处理8 波形的发生和信号的转换9 功率放大电路10 直流稳压电源第三版

4、童诗白目录1 常用半导体器件2 基本放大电路3 电子系统 由基本电路组成的具有特定功能的电路整体。信号信号是信息的载体。声音信号传达语言、音乐或其它信息。图像信号传达人类视觉系统能接受的图像信息。电子系统与信号绪论电子系统 由基本电路组成的具有特定功能的电路整体。信号0f(t)t模拟信号 在时间和幅度是上都是连续变化的。模拟电路处理模拟信号的电路。0f(t)tt1t3t5t2t4.1.时间离散，幅度连续；0f(t)tt1t3t5t2t4.2.时间离散，幅度离散；0f(t)tt1t3t5t2t4.3.时间连续，幅度离散；模拟信号和数字信号绪论0f(t)t模拟信号 在时间和幅度是上都是连续变化的数

5、字信号 数字信号只存在高低两种电平的相互转化。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 数字信号 数字信号只存在高低两种电平的相互转化。0 一、电子技术：无确切定义。因为近年来它发展迅猛，分支庞杂。有种说法为“凡是研究含有电子器件的电路、系统及应用的学科”。二、发展历程： 以电子器件的更新换代为标志！ 电子学近百年发展史上三个重要里程碑：1904年电子管发明（真正进入电子时代）1948年晶体管问世60年代集成电路出现(SSI、MS

6、I、LSI、VLSI)一、电子技术：二、发展历程： 1第一代电子器件电子管 1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）等发明了电子管，是电子学发展史上第一个里程碑。用电子管可实现整流、稳压、检波、放大、振荡、变频、调制等多种功能电路。 电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。 1第一代电子器件电子管2第二代电子器件晶体管 1948年，肖克利（W.Shckly）等发明了半导体三极管，其性能明显优于电子管，从而大大促进了电子技术的应用与发展。晶体管的发明是电子学历史上的第二个里程碑。 尽管晶体管在体积、重量等方面

7、性能优于电子管，但由成百上千只晶体管和其他元件组成的分立电路体积大、焊点多，可靠性差。2第二代电子器件晶体管3第三代电子器件集成电路 1958年，基尔白等提出将管子、元件和线路集成封装在一起的设想，三年后，集成电路实现了商品化。 当前，单个芯片可集成器件成千上万个，例如，CPU芯片P6内部就封装了550万只晶体管。集成电路的发展促进了电子学、特别是数字电路和微型计算机的发展，人类社会开始迈进信息时代。 集成电路按集成度可分作 (1)小规模集成电路（SSI）102 (2)中规模集成电路（MSI）103 (3)大规模集成电路（LSI）105 (4)超大规模集成电路(VLSI)105 当前，微电子已

8、成为最具有发展前途的产业，微电子技术水平已成为衡量一个国家技术水平的重要标志。常用半导体器件课件国防工业、军事工业、兵器工业：各种武器控制（火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置）、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。我国嵌入式计算机最早用于导弹控制。国防工业、军事工业、兵器工业：各种武器控制（火炮控制、导弹控信息家电、民用设备：各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒，数码相机，VCD、DVD音响设备，可视电话，家庭网络设备，洗衣机，网络冰箱，网络空调，智能玩具，其他消费类电子产品等。信息家电、民用设备：各种信息家电产品，如数

9、字电视机、机顶盒，工业：各种智能测量仪表、智能卡、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、智能机器人、智能传感器、机电一体化机械设备、车载导航器、汽车电子设备、车辆与交通工程等。工业：各种智能测量仪表、智能卡、数控装置、可编程控制器、控制商业：各类收款机、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备、智能金融器具、远程教育。商业：各类收款机、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机办公自动化：复印机、打印机、传真机、扫描仪、其他计算机外围设备、掌上电脑、激光照排系统、安

10、全监控设备、媒体手机、移动电话、寻呼机、个人数字助理（PDA）、变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络浏览器、网络设备（路由器、交换机、Web server、网络接入盒等）、网络工程、录音录象及电视会议设备、数字音频广播系统等。办公自动化：复印机、打印机、传真机、扫描仪、其他计算机外围设医疗保健设备：各种医疗电子仪器，X光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、远程医疗、专家系统等。其他领域：农业技术、光学系统、气象预报、卫星通信网、数字通信、移动数据库、语音处理。医疗保健设备：各种医疗电子仪器，X光机、超声诊断仪、计算机断电学电路模电数电半导体器件高频、通信微

11、机绪论电学电路模电数电半导体器件高频、通信微机绪论第三版童诗白第一章 常用半导体器件 1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 晶体三极管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6集成电路中的元件第三版童诗白第一章 常用半导体器件 1.1 半导体基础知识 第三版童诗白本章重点和考点：1.二极管的单向导电性、稳压管的原理。2.三极管的电流放大原理，如何判断三极管的管型 、管脚和管材。3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。 本章教学时数：10学时第三版童诗白本章重点和考点：1.二极管的单向导电性、稳压管的第四版童诗白本章讨论的问题：2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运

12、动吗？3.什么是N型半导体？什么是P型半导体？当两种半导体制作在一起时会产生什么现象？4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在PN结中加反向电压时真的没有电流吗？5.晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的？场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它们都可以用于放大？1.为什么采用半导体材料制作电子器件？第四版童诗白本章讨论的问题：2.空穴是一种载流子吗？空穴导电1.1 半导体的基础知识1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。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。半导体

13、：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、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一、导体、半导体和绝缘体PNJunction1.1 半导体的基础知识1.1.1 本征半导体 导体：自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。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。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。光敏器件二极管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+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体 将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。

14、价电子共价键图 1.1.1本征半导体结构示意图二、本征半导体的晶体结构当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全纯净的、+4+4+4+4+4+4+4+4+4图 1.1.2本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子空穴 若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。T 自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。三、本征半导体中的两种载流子（动画1-1）（动画1-2）+4+4+4+4+4+4+4+4+4图 1.1.2本征半导四、本征半导体中载流子的浓度在一定温度下本征半导体

15、中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。本征半导体中载流子的浓度公式：T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.431010/cm3本征锗的电子和空穴浓度: n = p =2.381013/cm3ni=pi=K1T3/2 e -EGO/(2KT)本征激发复合动态平衡四、本征半导体中载流子的浓度在一定温度下本征半导体中载流子的1. 半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子 - 空穴对。3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。4. 由于物质的运动，

16、自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。小结1. 半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴 21.1.2杂质半导体杂质半导体有两种N 型半导体P 型半导体一、 N 型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。1.1.2杂质半导体杂质半导体有两种N 型半导体P 型半导 本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替

17、。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。 自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。5 价杂质原子称为施主原子。 本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图 1.1.3N 型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子二、 P 型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。+3空穴浓度多于电子浓

18、度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。3 价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴图 1.1.4P 型半导体二、 P 型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在说明：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体(b) P 型半导体图 杂质半导体的的简化表示法说明：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区

19、域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。 PNPN结图 PN 结的形成一、PN 结的形成1.1.3PN结 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体 PN 结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1. 扩散运动2. 扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。 PN 结，耗尽层。PN （动画1-3） PN 结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1. 扩散运动3. 空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。4. 漂移运动内电场有利于少子运动漂移。 少子的运动与多子运动方向相反 阻

20、挡层3. 空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间5. 扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。对称结即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PN不对称结5. 扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流二、 PN 结的单向导电性1. PN结 外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图 1.1.6PN什么是PN结的单向导电性？有什么作用？二、 PN

21、 结的单向导电性1. PN结 外加正向电压时处于导在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电耗尽层图 1.1.7PN 结加反相电压时截止 反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。PN外电场方向内电场方向V

22、RIS耗尽层图 1.1.7PN 结加反相电压时截止 反向电 当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态； 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。 （动画1-4） （动画1-5）综上所述：可见， PN 结具有单向导电性。 （动画1-4） （动画1-5）综上所述：可见， PIS ：反向饱和电流UT ：温度的电压当量在常温(300 K)下， UT 26 mV三、 PN 结的电流方程PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为公式推导过程略IS ：反向饱和电流三、 PN 结的电流方程PN结所加端电压四、PN结的伏安特性i = f (u )之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.51.02550i/ mAu / V正向特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性图 1.1.10PN结的伏安特性反向击穿齐纳击穿雪崩击穿四、PN结的伏安特性i = f (u )之间的关系曲线。五、PN结的电容效应当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。电容效应包括两部分