【盛健】【模拟电子技术】1-1.pptx

第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 九江学院九江学院电子工程学院实验室电子工程学院实验室主讲人：盛健主讲人：盛健TEL：13979251437 E-mail:模拟电子技术基础模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronics童诗白、华成英主编童诗白、华成英主编2021/9/121第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件1.本课程的性质本课程的性质 是一门技术基础课是一门技术基础课2.特点特点 非纯理论性课程非纯理论性课程 实践性很强实践性很强 以工程实践的观点来处理电路中的一些问题以工程实践的观点来处理电路中的一些问题3.研究内容研究内容 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。理、特点及性能指标等。4.教学目标教学目标 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。元电路进行设计。绪论绪论2021/9/122第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件5.学习方法学习方法 重点掌握基本概念、基本电路的分析、计算及设计方法。在实践重点掌握基本概念、基本电路的分析、计算及设计方法。在实践中完善知识体系的建立。中完善知识体系的建立。6.成绩评定标准成绩评定标准 理论：理论：作业作业 10%中考中考10%考勤、提问考勤、提问 、课外读书论文、课外读书论文 10%期终考试期终考试70%7.教学参考书教学参考书 康华光主编，电子技术基础康华光主编，电子技术基础 模拟部分模拟部分 第三版，高教出版社第三版，高教出版社 童诗白主编，模拟电子技术基础童诗白主编，模拟电子技术基础 第二版，高教出版社第二版，高教出版社 陈大钦主编，模拟电子技术基础问答：例题陈大钦主编，模拟电子技术基础问答：例题 试题，华工出版社试题，华工出版社 前言前言2021/9/123第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件课外阅读教材：课外阅读教材：1.谢自美谢自美 电子线路设计电子线路设计.实验实验.测试测试 华中理工大学出版社华中理工大学出版社。2.毕满清毕满清 电子技术实验与课程设计电子技术实验与课程设计 机械工业出版社机械工业出版社。3.高伟涛高伟涛 Pspice8.0电路设计实例精粹电路设计实例精粹 国防工业出版社国防工业出版社。4.李东生李东生 Protel99SE电路设计技术入门电路设计技术入门 电子工业出版社电子工业出版社。5.刘君华刘君华 虚拟仪器图形化编程语言虚拟仪器图形化编程语言 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社。6.张易知张易知 虚拟仪器的设计与实现虚拟仪器的设计与实现 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社。2021/9/124第第四四版版华华成成英英目录目录1 常用半导体器件常用半导体器件2 基本放大电路基本放大电路3 多级放大电路多级放大电路4 集成运算放大电路集成运算放大电路5 放大电路的频率响应放大电路的频率响应6 放大电路中的反馈放大电路中的反馈7 信号的运算和处理信号的运算和处理8 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换9 功率放大电路功率放大电路10 直流稳压电源直流稳压电源2021/9/125第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 第第0 0章章 导言导言0.1 电信号 信号 模拟信号和数字信号0.2 电子信息系统 电子系统的组成 电子信息系统中的模拟电路2021/9/126第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 信号信号 信号：信号是反映消息的物理量（温度，压力，声音），是消息的表现形式。电信号：随时间而变化的电压 u或电流 i，在数学描述上表示成时间 t 的函数，u=f(t)或 i=f(t)。2021/9/127第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号：时间和数值都是连续的物理量。数字信号：时间和数值都是不连续的物理量。2021/9/128第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号 正弦波信号2021/9/129第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 数字信号 2021/9/1210第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 现代电子系统的组成现代电子系统的组成 模拟电子系统的示意图 信号的提取信号的预处理信号的加工信号的驱动与执行A/D转换计算机或其它数字系统D/A转换2021/9/1211第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件2021/9/1212第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件电子信息系统中的模拟电路电子信息系统中的模拟电路 在电子系统中，常用的模拟电路及功能：1、放大电路：用于信号的电压、电流或功率的放大。2、滤波电路：用于信号的提取、变换等。3、运算电路：完成信号的比例、加、减、乘、除等运算。4、信号转换电路：如把电压信号转换成电流信号。5、信号发生电路：用于产生正弦波、三角波等波形。6、直流电源：把220V、50HZ交流电转换成不同输出电压和电流的直流电。2021/9/1213第第四四版版华华成成英英第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 双极型晶体管双极型晶体管 1.4 场效应管场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管单结晶体管和晶闸管 1.6集成电路中的元件集成电路中的元件2021/9/1214第第四四版版华华成成英英本章重点和考点：本章重点和考点：1.二极管的单向导电性、稳压管的原理。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，三极管的电流放大原理，如何判断三极管的管型如何判断三极管的管型、管脚和管材。、管脚和管材。3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。场效应管的分类、工作原理和特性曲线。2021/9/1215第第四四版版华华成成英英本章讨论的问题：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？空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？3.什么是什么是N型半导体？什么是型半导体？什么是P型半导体？型半导体？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？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？在有单向性？在PN结中加反向电压时真的没有电流吗？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？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？为什么采用半导体材料制作电子器件？2021/9/1216第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识1.1.1 本征半导体本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体纯净的具有晶体结构的半导体导体：体：自然界中很容易自然界中很容易导电的物的物质称称为导体体，金属，金属一般都是一般都是导体。体。绝缘体：体：有的物有的物质几乎不几乎不导电，称，称为绝缘体体，如橡皮，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。、陶瓷、塑料和石英。半半导体：体：另有一另有一类物物质的的导电特性特性处于于导体和体和绝缘体体之之间，称，称为半半导体体，如，如锗、硅、砷化、硅、砷化镓和和一些硫化物、氧化物等。一些硫化物、氧化物等。一、一、导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体PNJunction2021/9/1217第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 半半导体体的的导电机理不同于其它物机理不同于其它物质，所，所以它具有不同于其它物以它具有不同于其它物质的特点。例如：的特点。例如：当受外界当受外界热和光的作用和光的作用时，它的它的导电能力明能力明显变化。化。往往纯净的半的半导体中体中掺入某些入某些杂质，会使它的会使它的导电能力明能力明显改改变。光敏器件光敏器件二极管二极管2021/9/1218第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完完全全纯纯净净的的、不不含含其其他他杂杂质质且且具具有有晶晶体体结结构构的的半半导导体体称为本征半导体称为本征半导体 将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体，它它的的原原子子结结构构为为共价键结构。共价键结构。价价电电子子共共价价键键图图 1.1.1本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图二二、本征半、本征半导体的体的晶体晶体结构构当当温温度度 T=0 K 时时，半半导导体不导电，如同绝缘体。体不导电，如同绝缘体。2021/9/1219第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 1.1.2本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ，将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，在在原原来来的的共共价价键键中中留留下下一一个个空空位位空穴。空穴。T 自自由由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体具具有有导导电电能能力力，但很微弱。但很微弱。空空穴穴可可看看成成带带正正电电的的载流子。载流子。三三、本征半、本征半导体体中的两种载流子中的两种载流子（动画1-1）（动画1-2）2021/9/1220第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件四、本征半本征半导体中体中载流子的浓度载流子的浓度在一定温度下在一定温度下本征半本征半导体中体中载流子的浓度是一定的，载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。并且自由电子与空穴的浓度相等。本征半本征半导体中体中载流子的浓度公式：载流子的浓度公式：T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度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)本征激发本征激发复合复合动态平衡动态平衡2021/9/1221第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件1.半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2.本本征征半半导导体体中中，自自由由电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对出出现现，称为称为 电子电子-空穴对。空穴对。3.本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴的浓度的浓度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni=pi。4.由由于于物物质质的的运运动动，自自由由电电子子和和空空穴穴不不断断的的产产生生又又 不不断断的的复复合合。在在一一定定的的温温度度下下，产产生生与与复复合合运运动动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5.载载流流子子的的浓浓度度与与温温度度密密切切相相关关，它它随随着着温温度度的的升升 高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。小结小结2021/9/1222第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件1.1.21.1.2杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体一、一、N 型半导体型半导体(Negative)在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 5 价价杂杂质质元元素素，如如磷磷、锑锑、砷砷等等，即即构构成成 N 型型半半导导体体(或或称称电电子子型型半导体半导体)。常用的常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。2021/9/1223第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 本本征征半半导导体体掺掺入入 5 价价元元素素后后，原原来来晶晶体体中中的的某某些些硅硅原原子子将将被被杂杂质质原原子子代代替替。杂杂质质原原子子最最外外层层有有 5 个个价价电电子子，其其中中 4 个个与与硅硅构构成成共共价价键键，多多余余一一个个电电子子只只受受自身原子核自身原子核吸引，在室温下即可成为吸引，在室温下即可成为自由电子自由电子。自由电子浓度远大于空穴的浓度，即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电子称为多数载流子(简称多子简称多子)，空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子(简称少子简称少子)。5 价杂质原子称为价杂质原子称为施主原子。施主原子。2021/9/1224第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子图图 1.1.3N 型半导体型半导体2021/9/1225第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件二、二、P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 3 价价杂杂质质元元素素，如如硼、镓、铟等，即构成硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。+3空空穴穴浓浓度度多多于于电电子子浓浓度度，即即 p n。空空穴穴为为多多数数载载流流子子，电电子子为为少数载流子少数载流子。3 价价杂杂质质原原子子称称为为受受主原子。主原子。受主受主原子原子空穴空穴图图 1.1.4P 型半导体型半导体2021/9/1226第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件说明：说明：1.掺掺入入杂杂质质的的浓浓度度决决定定多多数数载载流流子子浓浓度度；温温度度决决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。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。杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂杂质质半半导导体体载载流流子子的的数数目目要要远远远远高高于于本本征征半半导导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体型半导体(b)P 型半导体型半导体图图 杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法2021/9/1227第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为 P 型型半半导导体体，另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为 N 型型半半导导体体，两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成成了了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。PNPN结结图图 PN 结的形成结的形成一、一、PN 结的形成结的形成1.1.3PN结结2021/9/1228第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.扩散运动扩散运动2.扩扩散散运运动动形成空间电荷区形成空间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载载流流子子的的扩扩散散运运动。动。PN 结结，耗耗尽层。尽层。PN（动画1-3）2021/9/1229第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件3.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场Uho空空间间电电荷荷区区正正负负离离子子之之间间电电位位差差 Uho 电电位位壁壁垒垒；内电场内电场；内电场阻止多子的扩散内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4.漂移运动漂移运动内内电电场场有有利利于于少少子子运运动动漂漂移。移。少少子子的的运运动动与与多多子子运运动动方方向向相反相反 阻挡层阻挡层2021/9/1230第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件5.扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡 扩散运动扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，随着内电场的增强，漂移运动漂移运动逐渐增加；逐渐增加；当当扩扩散散电电流流与与漂漂移移电电流流相相等等时时，PN 结结总总的的电电流流等等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。于零，空间电荷区的宽度达到稳定。对称结对称结即即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PN不对称结不对称结2021/9/1231第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性1.PNPN结结结结 外加正向电压时处于导通状态外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。图图 1.1.6PN2021/9/1232第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的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，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2.PN PN 结结结结外加反向电压时处于截止状态外加反向电压时处于截止状态(反偏反偏)反反向向接接法法时时，外外电电场场与与内内电电场场的的方方向向一一致致，增增强强了了内内电场的作用；电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不不利利于于扩扩散散运运动动，有有利利于于漂漂移移运运动动，漂漂移移电电流流大大于于扩扩散电流，电路中产生反向电流散电流，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。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。2021/9/1233第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件耗尽层耗尽层图图 1.1.7PN 结加反相电压时截止结加反相电压时截止 反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随着温度升高，随着温度升高，IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS2021/9/1234第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件 当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时，回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向电流，向电流，PN 结处于结处于 导通状态导通状态；当当 PN 结结反反向向偏偏置置时时，回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小，几乎等于零，几乎等于零，PN 结处于结处于截止状态截止状态。（动画1-4）（动画1-5）综上所述：综上所述：可见，可见，PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。2021/9/1235第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件IS：反向饱和电流：反向饱和电流UT：温度的电压当量：温度的电压当量在常温在常温(300 K)下，下，UT 26 mV三、三、PN 结的电流方程结的电流方程PN结所加端电压结所加端电压u与流过的电流与流过的电流i的关系为的关系为公式推导过程略公式推导过程略2021/9/1236第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件四、四、PN结的伏安特性结的伏安特性i=f(u)之间的关系曲线。之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/mAu/V正向特性正向特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性图图 1.1.10PN结的伏安特性结的伏安特性反向击穿反向击穿齐纳击穿齐纳击穿雪崩击穿雪崩击穿2021/9/1237第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件五、五、PN结的电容效应结的电容效应当当PN上的电压发生变化时，上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量结中储存的电荷量将随之发生变化，使将随之发生变化，使PN结具有电容效应。结具有电容效应。电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容1.势垒电容势垒电容Cb是由是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。结的空间电荷区变化形成的。(a)PN 结加正向电压结加正向电压（b)PN 结加反向电压结加反向电压-N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+-UV2021/9/1238第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件空空间间电电荷荷区区的的正正负负离离子子数数目目发发生生变变化化，如如同同电电容容的的放电和充电过程。放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：势垒电容的大小可用下式表示：由由于于 PN 结结 宽宽度度 l 随随外外加加电电压压 u 而而变变化化，因因此此势势垒垒电电容容 Cb不不是是一一个个常常数数。其其 Cb=f(U)曲线如图示。曲线如图示。：半导体材料的介电比系数；：半导体材料的介电比系数；S：结面积；：结面积；l：耗尽层宽度。：耗尽层宽度。OuCb图图 1.1.11（b)2021/9/1239第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件2.扩散电容扩散电容 Cd Q是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在在某某个个正正向向电电压压下下，P 区区中中的的电电子子浓浓度度 np(或或 N 区区的的空空穴穴浓浓度度 pn)分布曲线如图中曲线分布曲线如图中曲线 1 所示。所示。x=0 处处为为 P 与与 耗耗尽层的交界处尽层的交界处当当电电压压加加大大，np(或或 pn)会会升升高高，如曲线如曲线 2 所示所示(反之浓度会降低反之浓度会降低)。OxnPQ12 Q当当加加反反向向电电压压时时，扩扩散散运运动动被被削削弱弱，扩散电容的作用可忽略。扩散电容的作用可忽略。Q正正向向电电压压变变化化时时，变变化化载载流流子子积积累累电电荷荷量量发发生生变变化化，相相当当于于电电容容器器充充电电和和放电的过程放电的过程 扩散电容效应。扩散电容效应。图图 1.1.12PNPN 结结2021/9/1240第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件综上所述：综上所述：PN 结总的结电容结总的结电容 Cj 包括势垒电容包括势垒电容 Cb 和扩散电容和扩散电容 Cd 两部分两部分。Cb 和和 Cd 值值都都很很小小，通通常常为为几几个个皮皮法法 几几十十皮皮法法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。有些结面积大的二极管可达几百皮法。当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为用，即可以认为 Cj Cd；在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。2021/9/1241第一章常用半导体器件第一章常用半导体器件作业：作业：2021/9/1242