常用半导体器件3

—多媒体教学课件模拟电子技术基础

FundamentalsofAnalogElectronics

童诗白、华成英主编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5.学习方法重点掌握基本概念、基本电路的分析、计算及设计方法。6.成绩评定标准理论： 平时成绩％ 作业、期中考、考勤、提问等期中成绩%期末考试%实验：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》第四版，高教出版社陈大钦主编，《模拟电子技术基础问答：例题•试题》，华工出版社前言课外阅读教材：1.谢自美电子线路设计.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.李东生Protel99SE电路设计技术入门电子工业出版社。第四版童诗白目录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直流稳压电源第四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双极型晶体管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四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。

第四版童诗白本章讨论的问题：2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？3.什么是N型半导体？什么是P型半导体？当二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结中另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？

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：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PNJunction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，会使它的导电能力和内部结构发生变化。热敏器件光敏器件二极管+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。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）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=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.43×1010/cm3本征锗的电子和空穴浓度:

n=p=2.38×1013/cm3ni=pi=K1T3/2e-EGO/(2kT)本征激发复合动态平衡本征硅原子的浓度:

n=p=2.38×1013/cm31.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，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1.1.2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。本征恶半导示体掺键入5价元茄素后克，原罚来晶连体中技的某合些硅拢原子灯将被服杂质走原子俗代替与。杂壳质原死子最伶外层吨有5个价傲电子贯，其小中4个与生硅构企成共松价键盟，多贿余一殖个电袖子只婶受自磁身原写子核富吸引宋，在坏室温愉下即曾可成确为自静由电掘子。自由氏电子郊浓度地远大菠于空厦穴的臂浓度妥，即n>>p。电子饥称为相多数输载流执子(简称预多子)，空穴冠称为极少数瓶载流词子(简称既少子)。5价杂遣质原缠子称架为施主凳原子妻。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图1.1.3N型半导体二、P型半童导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅哲或锗功的晶庸体中酬掺入目少量吃的3价杂质惰元素职，如主硼、越镓、罗铟等袜，即督构成P型半湖导体。+3空穴箩浓度载多于辈电子等浓度属，即p>>n。空穴轮为多鹊数载摩流子，电喊子为约少数余载流迎子。3价杂解质原俩子称涨为受主上原子励。受主到原子空穴图1.米1.和4P型半导吉体说明穴：1.掺入仓杂质膛的浓雹度决点定多档数载获流子辰浓度睛；温汤度决恰定少督数载显流子股的浓涛度。3.杂质耍半导宫体总期体上乞保持鸦电中灰性。4.杂质烈半导喜体的厕表示各方法春如下柴图所北示。2.杂质别半导录体载流防子的厉数目要远墨远高翼于本世征半辽导体笼，因艳而其尚导电各能力宴大大讯改善烧。(a)N型半息导体(b)P型半推导体图痒杂倍质半金导体摄的的枝简化涉表示谦法在一绣块半抛导体避单晶详上一瓜侧掺咬杂成怠为P型半惕导体摔，另母一侧算掺杂吓成为N型半甲导体陶，两稍个区箭域的鼓交界累处就严形成慨了一拦个特餐殊的镇薄层帅，称为PN结。PNPN结图PN结的房诚形成一、PN结的狗形成1.撒1.富3PN结PN结中渣载流摊子的饺运动耗尽窗层空间电荷区PN1.扩散额运动2.扩散私运动民形成习空间合电荷牢区电子课和空雹穴浓艳度差嘱形成多数衡载流彻子的澡扩散蓝运动东。——穴P涝N结，沸耗尽奇层。PN（动画1-忠3）3.空间蹄电荷受区产盗生内驻电场PN空间电荷区内电场Uho空间像电荷传区正裕负离轿子之叮间电馆位差Uho——电位液壁垒；——内电凝场；内患电场送阻止园多子谊的扩矩散——阻挡谱层。4.漂移痛运动内电违场有时利于绍少子宣运动—漂移烤。少子众的运灶动与查多子陶运动刊方向捏相反阻挡层5.扩散痕与漂悔移的违动态很平衡扩散哄运动恋使空叔间电扣荷区岁增大灿，扩绩散电祝流逐歉渐减咳小；随着琴内电茎场的拿增强垒，漂帜移运朋动逐搬渐增皆加；当扩帽散电贱流与呈漂移胀电流储相等陆时，PN结总溉的电秀流等供于零抹，空兔间电尿荷区秩的宽和度达团到稳自定。即扩散兼运动鞠与漂弓移运律动达截到动煤态平原衡。PN二、PN结的联单向我导电胳性1.PN结外加近正向粒电压伪时处蓝于导垃通状锣态又称框正向译偏置梢，简传称正它偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRI图1.青1.跌6PN二、PN结的却单向及导电疏性1.PN结外加践正向能电压括时处圣于导涝通状毒态又称颗正向鹿偏置变，简尚称正坊偏。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.虹1.郊6PN在PN结加垄上一俱个很砍小的假正向锦电压柄，即框可得饺到较寻大的视正向改电流暗，为释防止跳电流厕过大草，可在接入放电阻R。2.PN结外加与反向秩电压硬时处疏于截离止状热态(反偏)反向扫接法流时，榜外电辱场与咱内电缎场的急方向惧一致眨，增步强了衬内电主场的妄作用现；外电妨场使肃空间影电荷集区变哑宽；不利偿于扩寒散运铸动，桥有利枕于漂阁移运控动，房诚漂移删电流区大于怜扩散先电流奔，电省路中剑产生骄反向荷电流I；由于铲少数妇载流息子浓调度很啊低，雨反向琴电流艇数值扑非常哀小。耗尽层图1.惠1.脊7PN结加雨反相破电压主时截煌止反向让电流探又称反向惭饱和野电流。对温吊度十汤分敏抽感，随着凉温度斧升高近，IS将急残剧增峰大。PN外电场方向内电场方向VRIS当PN结正抽向偏母置时桑，回豆路中刷将产最生一肌个较牛大的怕正向史电流讲，PN结处掩于导通誉状态；当PN结反某向偏军置时案，回详路中群反向僵电流揉非常谢小，唤几乎槐等于悉零，PN结处架于截止宴状态。（动画1-旺4）（动画1-片5）综上孔所述聪：可见踩，PN结具助有单向患导电浪性。IS：反向植饱和乱电流UT：温度贡的电胞压当症量在常协温(30早0私K)下，UT26沟m警V三、PN结的旧电流称方程PN结所娃加端托电压u与流复过的追电流i的关数系为公式胡推导滩过程桥略四、PN结的关伏安揉特性i=f(u)之间阿的关则系曲弊线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向丹特性死区电压击穿电压U(BR)反向每特性图1.未1.挨10PN结的缘瑞伏安贿特性反向以击穿五、PN结的粪电容嘉效应当PN上的已电压卫发生诊变化效时，PN结中踩储存均的电秤荷量竿将随呆之发踩生变尝化，念使PN结具界有电苹容效壶应。电容耍效应割包括碍两部窄分势垒厕电容扩散辩电容1.势垒梳电容Cb是由PN结的空间阵电荷蝴区变锅化形哨成的纠。(a)PN结加正向岭电压（b)PN结加反向茎电压-N空间电荷区PVRI+UN空间电荷区PRI+-UV空间味电荷主区的张正负伤离子缩慧数目渴发生称变化察，如欢同电坝容的泥放电店和充岭电过投程。势垒陈电容裤的大株小可浑用下叹式表便示：由于PN结宽度l随外肆加电艘压u而变幻玉化，衫因此势垒茫电容Cb不是蛛一个倦常数。其Cb=f(U)曲线扑如图冻示。：半肥导体昼材料准的介探电比很系数币；S：结面哀积；l：耗尽朝层宽衣度。OuCb图1.1.11（b)2.扩散矩电容CdQ是由去多数悄载流挖子在葬扩散雾过程擦中积弄累而议引起蔑的。在某欢个正槽向电固压下该，P区中的启电子亩浓度np(或N区的打空穴劣浓度pn)分布队曲线期如图软中曲竭线1所示研。x=泼0处为P与泄耗尽横层的罢交界竹处当电勒压加或大，np(或pn)会升高杏，如翼曲线2所示(反之就浓度贿会降旗低)。OxnPQ12Q当加情反向篮电压糟时，差扩散喘运动忙被削楼弱，模扩散骄电容乡丰的作折用可斯忽略自。Q正向别电压健变化棒时，津变化飘载流歇子积咸累电争荷量规发生租变化倡，相软当于漏电容责器充惨电和村放电涨的过棕程——扩散哈电容长效应彼。图1.耽1.芳12PNPN结综上牌所述忘：PN结总的旨结电孙容Cj包括硬势垒鸦电容Cb和扩散何电容Cd两部原分。Cb和Cd值都幼很小雾，通骡常为钉几个窗皮法~几十总皮法唱，盲有失些结厕面积欢大的批二极坟管可腹达几智百皮地法。当反软向偏宾置时少，势狠垒电油容起眨主要蒜作用碧，可离以认侧为CjCb。一般淋来说还，当尤二极眯管正蓄向偏结置时苏，扩眯散电猎容起打主要捎作用间，即籍可以醋认为CjCd；在信么号频蹈率较遭高时揉，须膨考虑惑结电刺容的乖作用货。1.潮2半导冤体二婶极管在PN结上库加上析引线检和封疾装，炉就成茎为一为个二菊极管妈。二极论管按泛结构馋分有点接不触型稻、面关接触糖型和美平面鞭型图1.内2.两1二极智管的鱼几种外形1点接哲触型则二极影管(a)点接触型

二极管的结构示意图1.绒2.撕1半导搜体二棚极管丘的几豆种常钥见结袄构PN结面狼积小述，结皇电容抓小，五用于涨检波残和变牵频等云高频新电路吃。3平面古型二偿极管往往脑用于游集成忌电路伏制造猾工艺棉中。PN结面滩积可隙大可攻小，蜓用于此高频胀整流陶和开关关电恭路中巧。2面接敲触型胡二极蜜管PN结面族积大际，用兽于工依频大苦电流他整流究电路录。(b)面接触型(c)平面型4二极萝管的暑代表烘符号D1.勇2.鸟2二极滑管的栋伏安链特性二极亚管的稻伏安冷特性败曲线匀可用踪蝶下式厚表示硅二极管2CP10的伏安特性正向弃特性反向殖特性反向渔击穿禁特性开启痛电压宗：0.恶5V导通电晚压：0.河7一、弃伏安痛特性锗二极管2AP15的伏安特性UonU(BR)开启部电压启：0.番1V导通电亚压：0.捕2V二、上温度咬对二丘极管牺伏安搏特性限的影赖响在环境策温度榜升高层时，府二极馆管的皂正向倘特性虎将左浮移，哀反向厅特性正将下镇移。二极辜管的猴特性娇对温竖度很催敏感丹，具有老负温参度系村数。–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.020温度增加1.末2.绢3二极白管的健参数(1设)最大溪整流航电流IF(2填)反向酒击穿醋电压U（BR）和最芝高反挥向工颤作电疮压URM(3老)反向僵电流IR(4雪)最高脖工作社频率fM(5阅)极间铃电容Cj在实际案应用淘中，罚应根医据管案子所隆用的龄场合鼻，按税其所撕承受钥的最宁高反竟向电冒压、泡最大扇正向虹平均训电流院、工乳作频旗率、牵环境攻温度胶等条铃件，箩选择想满足剥要求帮的二刺极管讨。1.连2.奶4二极费管等效暴电路一、借由伏如安特残性折饺线化长得到脸的等闻效电繁路1.理想模型2.恒压降模型3.折线模型二、栏二极歌管的浴微变贝等效杆电路二极宫管工疫作在利正向泼特性倘的某禽一小镇范围醉内时衰，其誓正向匙特性饮可以围等效艳成一程个微莫变电短阻。即根据得Q点处云的微药变电念导则常温纪下（T=3冰00烧K）图1.2.7二极管的微变等效电路应用蚀举例二极茎管的腐静态局工作雷情况货分析理想揭模型（R=10k）VDD=10V时恒压屋模型（硅二极管典型值）折线攻模型（硅二极管典型值）设应用症举例例1：P6减9习题1.阵2解：赵采用域理想来电路放模型ui和uo的波包形如单图所吹示例2：电路励如图a所示宽，二捉极管挑导通期电压板为0.点7V向,输入凑电压u11、u12如图b所示解：石采用哥恒压抄降电氏路模魔型二个哗二极言管共俭阳极督接法输入点电压陡小者从先导粪通ui和uo的波爷形如絮图所行示1.充2.食5稳压乏二极阀管一、肃稳压喜管的摘伏安同特性(a)符号(b)2CW17伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。DZ(1爽)稳定属电压UZ(2膝)动态软电阻rZ在规培定的社稳压置管反野向工衣作电暖流IZ下，谱所对叠应的伶反向探工作窜电压享。rZ=VZ/IZ(3牧)额定除功耗PZM(=发UZ×IZM