模拟电子电路模电清华大学华成英半导体二极管和三极管PPT学习教案.pptx

会计学1模拟模拟(mn)电子电路模电清华大学华成电子电路模电清华大学华成英半导体二极管和三极管英半导体二极管和三极管第一页，共36页。1 1 半导体基础知识半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质二、杂质(zzh)(zzh)半导体半导体三、三、PNPN结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)及其单向及其单向导电性导电性四、四、PNPN结的电容结的电容(dinrng)(dinrng)效应效应第1页/共36页第二页，共36页。一、一、本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体 导电性介于导电性介于(ji y)导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净本征半导体是纯净(chnjng)的晶体结构的半导体。的晶体结构的半导体。1 1、什么、什么(shn me)(shn me)是半导体？什么是半导体？什么(shn me)(shn me)是本征是本征半导体？半导体？导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。电。半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构第2页/共36页第三页，共36页。2 2 2 2、本征半导体的结构、本征半导体的结构、本征半导体的结构、本征半导体的结构(jigu)(jigu)(jigu)(jigu)由于热运动，具有足够由于热运动，具有足够(zgu)能量的价电子挣脱共价键的束缚能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有自由电子的产生使共价键中留有一个空位置一个空位置(wi zhi)，称为空穴，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平动态平衡衡第3页/共36页第四页，共36页。两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电子和带正电子和带正电(zhngdin)的空穴均的空穴均参与导电，且运动方向相反。由参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很于载流子数目很少，故导电性很差。差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3 3 3 3、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子运载电荷的粒子(lz)称为载流称为载流子。子。温度升高，热运动加剧，载流子温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强浓度增大，导电性增强(zngqing)。热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。第4页/共36页第五页，共36页。二、杂质二、杂质二、杂质二、杂质(zzh)(zzh)(zzh)(zzh)半导体半导体半导体半导体 1.N 1.N 1.N 1.N型半导体型半导体型半导体型半导体磷（磷（P）杂质半导体主要杂质半导体主要(zhyo)靠多数靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。性可控。多数多数(dush)载载流子流子 空穴比未加杂质时的数目多了？空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？少了？为什么？第5页/共36页第六页，共36页。2.2.2.2.P P型半导体型半导体型半导体型半导体硼（硼（B）多数多数(dush)载流子载流子 P型半导体主要型半导体主要(zhyo)靠空穴导靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子(sho z)与多子变化的数目相同吗？少子(sho z)与多子浓度的变化相同吗？第6页/共36页第七页，共36页。三、三、三、三、PNPNPNPN结的形成结的形成结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)(xngchng)(xngchng)及其单向及其单向及其单向及其单向导电性导电性导电性导电性 物质因浓度差而产生(chnshng)的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴(kn xu)浓度浓度远高于远高于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。区的自由电子浓度降低，产生内电场。第7页/共36页第八页，共36页。PN PN 结的形成结的形成结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)因电场作用所产生的运动称为(chn wi)漂移运动。参与扩散(kusn)运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区区向向N 区运动。区运动。第8页/共36页第九页，共36页。PN结加正向电压结加正向电压(diny)导导通：通：耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PN结处于导结处于导通状态。通状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成利于漂移运动，形成(xngchng)漂移电流。由于电流很小，故可漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。近似认为其截止。PN PN 结的单向结的单向结的单向结的单向(dn(dn xinxin)导电性导电性导电性导电性必要吗？必要吗？第9页/共36页第十页，共36页。四、四、四、四、PN PN PN PN 结的电容结的电容结的电容结的电容(dinrng)(dinrng)(dinrng)(dinrng)效应效应效应效应1.势垒电容(dinrng)PN结外加电压变化(binhu)时，空间电荷区的宽度将发生变化(binhu)，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：结电容：结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！则失去单向导电性！第10页/共36页第十一页，共36页。问题问题问题问题(wnt)(wnt)(wnt)(wnt)n n为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？改善导电性能？改善导电性能？改善导电性能？n n为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是少子是少子是少子(sh(sh o zo z)是影响温度稳定性的主要因素是影响温度稳定性的主要因素是影响温度稳定性的主要因素是影响温度稳定性的主要因素？n n为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？第11页/共36页第十二页，共36页。2 2 半导体二极管半导体二极管一、二极管的组成一、二极管的组成(z chn)二、二极管的伏安特性及电流二、二极管的伏安特性及电流(dinli)方方程程三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数五、稳压五、稳压(wn y)二极管二极管第12页/共36页第十三页，共36页。一、二极管的组成一、二极管的组成一、二极管的组成一、二极管的组成(z(z chn chn)将将PN结封装，引出两个电极结封装，引出两个电极(dinj)，就构成了二极，就构成了二极管。管。小功率小功率(gngl)二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管第13页/共36页第十四页，共36页。一、二极管的组成一、二极管的组成一、二极管的组成一、二极管的组成(z(z chn chn)点接触型：结面积小，结点接触型：结面积小，结电容小，故结允许电容小，故结允许(ynx)的电流小，最高工作频率的电流小，最高工作频率高。高。面接触型：结面积大，面接触型：结面积大，结电容大，故结允许结电容大，故结允许(ynx)的电流大，最高的电流大，最高工作频率低。工作频率低。平面型：结面积可小、平面型：结面积可小、可大，小的工作频率可大，小的工作频率高，大的结允许的电高，大的结允许的电流大。流大。第14页/共36页第十五页，共36页。二、二极管的伏安特性及电流二、二极管的伏安特性及电流二、二极管的伏安特性及电流二、二极管的伏安特性及电流(dinli)(dinli)方程方程方程方程材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A开开启启(kiq)电电压压反向反向(fn xin)饱和电饱和电流流击穿击穿电压电压温度的温度的电压当量电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。第15页/共36页第十六页，共36页。第16页/共36页第十七页，共36页。利用利用利用利用MultisimMultisim测试测试测试测试(csh)(csh)二极管伏二极管伏二极管伏二极管伏安特性安特性安特性安特性第17页/共36页第十八页，共36页。从二极管的伏安特性可以从二极管的伏安特性可以从二极管的伏安特性可以从二极管的伏安特性可以(ky(ky)反映出：反映出：反映出：反映出：1.1.单向导电性单向导电性单向导电性单向导电性2.伏安特性伏安特性(txng)受温度影受温度影响响T（）在电流不变情况下管在电流不变情况下管(xi un)压降压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10第18页/共36页第十九页，共36页。三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路理想理想(lxing)二极管二极管近似近似(jn s)分析中分析中最常用最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成成线性关系线性关系应根据不同应根据不同(b tn)情况选择不同情况选择不同(b tn)的等效电路！的等效电路！1.将伏安特性折线化？100V？5V？1V？第19页/共36页第二十页，共36页。2.2.2.2.微变等效电路微变等效电路微变等效电路微变等效电路Q越高，越高，rd越小。越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻(dinz)，称为动态电阻(dinz)，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用(zuyng)小信号小信号(xnho)作作用用静态电流静态电流第20页/共36页第二十一页，共36页。四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数n n最大整流电流最大整流电流最大整流电流最大整流电流(dinli)IF(dinli)IF：最大平均值：最大平均值：最大平均值：最大平均值n n最大反向工作电压最大反向工作电压最大反向工作电压最大反向工作电压URUR：最大瞬时值：最大瞬时值：最大瞬时值：最大瞬时值n n反向电流反向电流反向电流反向电流(dinli)IR(dinli)IR：即：即：即：即ISISn n最高工作频率最高工作频率最高工作频率最高工作频率fMfM：因：因：因：因PNPN结有电容效应结有电容效应结有电容效应结有电容效应第四版第四版P20第21页/共36页第二十二页，共36页。讨论讨论讨论讨论(t(t oln)oln)：解决两个问题：解决两个问题：解决两个问题：解决两个问题n n如何如何如何如何(rh)(rh)判断二极管的工作状态？判断二极管的工作状态？判断二极管的工作状态？判断二极管的工作状态？n n什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？uD=ViRQIDUDV与与uD可比，则需图解可比，则需图解(tji)：实测特性实测特性 对对V和和Ui二极管二极管的模型的模型有什么不同？有什么不同？第22页/共36页第二十三页，共36页。五、稳压五、稳压五、稳压五、稳压(wn y)(wn y)二极管二极管二极管二极管1.伏安(f n)特性进入进入(jnr)稳压区的最小电稳压区的最小电流流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组结组成，反向击穿后成，反向击穿后在一定的电流范在一定的电流范围内端电压基本围内端电压基本不变，为稳定电不变，为稳定电压。压。2.主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ/IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！流的限流电阻！限流电阻限流电阻斜率？斜率？第23页/共36页第二十四页，共36页。1.3 1.3 晶体晶体(jngt)(jngt)三极三极管管一、晶体管的结构一、晶体管的结构(jigu)和符和符号号二、晶体管的放大二、晶体管的放大(fngd)原理原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数五、主要参数第24页/共36页第二十五页，共36页。一、晶体管的结构一、晶体管的结构一、晶体管的结构一、晶体管的结构(jigu)(jigu)和符号和符号和符号和符号多子多子(du z)浓度高浓度高多子多子(du z)浓度很低，且浓度很低，且很薄很薄面积大面积大晶体管有三个极、三个区、两个晶体管有三个极、三个区、两个PN结。结。小功率小功率管管中功率管中功率管大功率管大功率管为什么有孔？为什么有孔？第25页/共36页第二十六页，共36页。二、晶体管的放大二、晶体管的放大二、晶体管的放大二、晶体管的放大(fngd)(fngd)原理原理原理原理 扩散扩散(kusn)运动形成发射极电流运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流，漂移运动形成集电极电流IC。少数少数(shosh)载流子的载流子的运动运动因发射区多子浓度高使大量电因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴基区空穴的扩散的扩散第26页/共36页第二十七页，共36页。n n电流电流(dinli)(dinli)分配：分配：IEIEIBIBICICn n IE IE扩散运动形扩散运动形成的电流成的电流(dinli)(dinli)n n IB IB复合运动形复合运动形成的电流成的电流(dinli)(dinli)n n IC IC漂移运动形漂移运动形成的电流成的电流(dinli)(dinli)穿透电流穿透电流集电结反向集电结反向(fn xin)电流电流直流电流放直流电流放大系数大系数交流交流(jioli)电流电流放大系数放大系数为什么基极开路集电极回路会为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？有穿透电流？第27页/共36页第二十八页，共36页。三、晶体管的共射输入三、晶体管的共射输入三、晶体管的共射输入三、晶体管的共射输入(shr)(shr)特性和输出特特性和输出特特性和输出特特性和输出特性性性性为什么为什么UCE增大增大(zn d)曲线曲线右移？右移？对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性的一条输入特性(txng)曲线可以取代曲线可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性的所有输入特性(txng)曲线。曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什么为什么UCE增大到一定值曲线右增大到一定值曲线右移就不明显了？移就不明显了？1.输入特性第28页/共36页第二十九页，共36页。2.2.2.2.输出特性输出特性输出特性输出特性是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条(y tio)iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变化很变化很大？为什么进入放大状态曲线大？为什么进入放大状态曲线(qxin)几乎是横轴的平行线？几乎是横轴的平行线？饱和饱和(boh)区区放大区放大区截止区截止区第29页/共36页第三十页，共36页。晶体管的三个工作晶体管的三个工作晶体管的三个工作晶体管的三个工作(gngzu)(gngzu)区域区域区域区域 晶体管工作在放大(fngd)状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC。状态状态uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBE第30页/共36页第三十一页，共36页。四、温度四、温度(wnd)对晶体管特对晶体管特性的影响性的影响第31页/共36页第三十二页，共36页。五、主要参数五、主要参数五、主要参数五、主要参数 直流参数直流参数：、ICBO、ICEOc-e间击穿间击穿(j chun)电压电压最大集电最大集电极电流极电流(dinli)最大集电极耗散最大集电极耗散(ho sn)功率，功率，PCMiCuCE安全工作区安全工作区 交流参数：交流参数：、fT（使1的信号频率）极限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO第32页/共36页第三十三页，共36页。讨论讨论讨论讨论(t(t oln)oln)一一一一由图示特性由图示特性(txng)求出求出PCM、ICM、U（BR）CEO、。2.7uCE=1V时的时的iC就是就是(jish)ICMU（BR）CEO第33页/共36页第三十四页，共36页。讨论二：利用讨论二：利用讨论二：利用讨论二：利用(lyng)Multisim(lyng)Multisim测试晶体管的测试晶体管的测试晶体管的测试晶体管的输出特性输出特性输出特性输出特性第34页/共36页第三十五页，共36页。n n利用利用利用利用MultisimMultisim分析图分析图分析图分析图示电路在示电路在示电路在示电路在V2V2小于何值小于何值小于何值小于何值时晶体管截止时晶体管截止时晶体管截止时晶体管截止(jizh(jizh)、大于何值、大于何值、大于何值、大于何值时晶体管饱和。时晶体管饱和。时晶体管饱和。时晶体管饱和。讨论讨论(toln)三三 以以V2作为作为(zuwi)输入、输入、以节点以节点1作为作为(zuwi)输出，输出，采用直流扫描的方法可得！采用直流扫描的方法可得！约小于约小于0.5V时时截止截止约大于约大于1V时饱时饱和和 描述输出电压与输出电描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。称为电压传输特性。第35页/共36页第三十六页，共36页。