半导体元件及其应用精选PPT.ppt

半导体元件及其应用2023/4/122023/4/12第1页，此课件共95页哦7.1.17.1.1半导体及其分类半导体及其分类导体：导体：容易导电的物质，金属一般都是导体。容易导电的物质，金属一般都是导体。绝缘体：绝缘体：不容易导电或完全不导电的物质，如橡皮、陶不容易导电或完全不导电的物质，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。瓷、塑料和石英。半导体：半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，如锗、硅、导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。砷化镓和一些硫化物、氧化物等。2023/4/122023/4/12第2页，此课件共95页哦特性：特性：1.热敏性：热敏性：半导体的电阻率随温度升高而显著减小。半导体的电阻率随温度升高而显著减小。常用于检测温度的变化。常用于检测温度的变化。对其他工作性能有不利的影响。对其他工作性能有不利的影响。2.光敏性：光敏性：在无光照时电阻率很高，但一有光照电阻在无光照时电阻率很高，但一有光照电阻 率则显著下降。率则显著下降。利用这个特性可以制成光敏元件。利用这个特性可以制成光敏元件。3.杂敏性杂敏性：在纯净的半导体中加入杂质，导电能力猛：在纯净的半导体中加入杂质，导电能力猛 增几万倍至百万倍。增几万倍至百万倍。2023/4/122023/4/12第3页，此课件共95页哦本征半导体：本征半导体：纯净的半导体纯净的半导体硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。在本征半导体中有电子和在本征半导体中有电子和空穴空穴2 2种载流子，而金属导体中只有电子一种载流子。种载流子，而金属导体中只有电子一种载流子。杂质半导体：杂质半导体：在纯净的半导体单晶体中有选择地掺入微量杂质元素，在纯净的半导体单晶体中有选择地掺入微量杂质元素，提高半导体的导电能力。提高半导体的导电能力。根据加入的杂质不同可以分为根据加入的杂质不同可以分为N N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体2023/4/122023/4/12第4页，此课件共95页哦1、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，成为自由电子子，成为自由电子 杂质原子提供杂质原子提供的多余电子的多余电子杂质原子失去一个杂质原子失去一个电子成为正离子电子成为正离子因为掺杂浓度远大因为掺杂浓度远大于本征半导体中载于本征半导体中载流子浓度，所以，流子浓度，所以，自由电子浓度远大自由电子浓度远大于空穴浓度。自由于空穴浓度。自由电子称为电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴），空穴称为称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。2023/4/122023/4/12第5页，此课件共95页哦2、P 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。可移动的空穴可移动的空穴杂质原电子接受一个杂质原电子接受一个电子成为负离子电子成为负离子P型半导体中空穴型半导体中空穴是多子，电子是是多子，电子是少子。少子。2023/4/122023/4/12第6页，此课件共95页哦漂移运动：漂移运动：在电场力的作用下，半导体中的载流子产生定向运动，形在电场力的作用下，半导体中的载流子产生定向运动，形成的电流叫漂移电流。电场越强，载流子漂移速度越高；载流成的电流叫漂移电流。电场越强，载流子漂移速度越高；载流子的浓度越大，参与漂移运动的载流子数目越多，漂移电流就子的浓度越大，参与漂移运动的载流子数目越多，漂移电流就越大。越大。扩散运动：扩散运动：当半导体受光照射或有载流子从外界注入时，半导当半导体受光照射或有载流子从外界注入时，半导体内载流子浓度分布不均匀。这时载流子从浓度高的区体内载流子浓度分布不均匀。这时载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动。载流子扩散运动所形成的电流域向浓度低的区域运动。载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。称为扩散电流。7.1.2 PN结的形成结的形成载流子的漂移运动和扩散运动载流子的漂移运动和扩散运动2023/4/122023/4/12第7页，此课件共95页哦1 1、PNPN结的形成结的形成2023/4/122023/4/12第8页，此课件共95页哦2 2、PNPN结的单向导电性结的单向导电性2023/4/122023/4/12第9页，此课件共95页哦 PN 结结加正向电压（正向偏置加正向电压（正向偏置)：P 区接电压正极和区接电压正极和N 区接电区接电压负极。压负极。PN 结结加反向电压（反向偏置）加反向电压（反向偏置）：P 区接电压负极和区接电压负极和N 区接区接电压正极。电压正极。PNPN结单向导电性的结论：结单向导电性的结论：外加正向电压时，空间电荷区变窄，流过一个较外加正向电压时，空间电荷区变窄，流过一个较大的正向电流，即大的正向电流，即正向导通。正向导通。外加反向电压时，空间电荷区变宽，流过一个很外加反向电压时，空间电荷区变宽，流过一个很小的反向饱和电流，即小的反向饱和电流，即反向截止反向截止。2023/4/122023/4/12第10页，此课件共95页哦7.1.3 7.1.3 半导体二极管半导体二极管1、结构和类型、结构和类型阳极 N型锗片 阴极引线 引线阳极 阴极引线 引线 阳极a k阴极 阳极引线阳极引线 PN结结 金锑合金金锑合金 底座底座 阴极引线阴极引线(a)(a)触丝触丝 外壳外壳 铝合金铝合金小小球球 N型硅 PN P型支持衬底型支持衬底（c）阳极阳极a ka k阴极阴极（a）点接触型；（）点接触型；（b）面接触型；（）面接触型；（c）硅平面型；（）硅平面型；（d）符号）符号2023/4/122023/4/12第11页，此课件共95页哦二极管的伏安特性：分为三部分二极管的伏安特性：分为三部分正向特性正向特性：死区电压：死区电压Uth（硅：（硅：0.5V；锗；锗0.1V）反向特性反向特性：加反向电压，反向电流很小。：加反向电压，反向电流很小。反向击穿特性反向击穿特性：反向击穿电压：反向击穿电压UBR一般在几十伏以上。一般在几十伏以上。2023/4/122023/4/12第12页，此课件共95页哦2 2 2 2、二极管的主要参数、二极管的主要参数、二极管的主要参数、二极管的主要参数最大整流电流最大整流电流I IFMFM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。平均电流。最高反向工作电压最高反向工作电压 U UBRBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏。手册上给出的最高反向工二极管的单向导电性被破坏。手册上给出的最高反向工作电压作电压UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。2023/4/122023/4/12第13页，此课件共95页哦最大反向电流最大反向电流 IRM 反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅二极管的反向饱和电流一般为高反向电流越大。硅二极管的反向饱和电流一般为nA数数量级，而锗二极管的反向饱和电流一般为量级，而锗二极管的反向饱和电流一般为uA数量级。数量级。当二极管的工作频率超过这个数值时，二极管将当二极管的工作频率超过这个数值时，二极管将失去单向导电性。它主要由失去单向导电性。它主要由PN结的结电容和扩散电容结的结电容和扩散电容的大小来决定。的大小来决定。最高工作频率最高工作频率FM 2023/4/122023/4/12第14页，此课件共95页哦3 3、二极管的等效电路及应用、二极管的等效电路及应用理想二极管等效电路理想二极管等效电路 考虑正向压降的等效考虑正向压降的等效 2023/4/122023/4/12第15页，此课件共95页哦二极管单向限幅电路二极管单向限幅电路2023/4/122023/4/12第16页，此课件共95页哦二极管双向限幅电路二极管双向限幅电路2023/4/122023/4/12第17页，此课件共95页哦钳位电路钳位电路2023/4/122023/4/12第18页，此课件共95页哦a-+kuZ uZ iZ/mA uZ/V AC O稳定电压稳定电压UZ稳定电流稳定电流Iz动态电阻动态电阻rz最大工作电流最大工作电流IZM最大耗散功率最大耗散功率PZM电压温度系数电压温度系数稳压管二极管稳压管二极管通过规定测试电流时的电压工作电压等于稳定电压时的电流允许通过的最大电流IZM与对应的稳压电压乘积iZ2023/4/122023/4/12第19页，此课件共95页哦7.1.4 7.1.4 半导体三极管半导体三极管2023/4/122023/4/12第20页，此课件共95页哦N+NP集电结Jc发射结Je发发发发射射射射极极极极e e集集集集电电电电极极极极c c基极基极基极基极b b发射区发射区发射区发射区集电区集电区集电区集电区基区基区基区基区P+发射区发射区发射区发射区N基区基区基区基区P集电区集电区集电区集电区发发发发射射射射极极极极e e基极基极基极基极b b集集集集电电电电极极极极c c三极管结构示意图及电路符号三极管结构示意图及电路符号NPNNPN管管管管PNP管管结构示意图：结构示意图：结构示意图：结构示意图：电路符号：电路符号：2023/4/122023/4/12第21页，此课件共95页哦从结构看：从结构看：从电路符号看：从电路符号看：无论是无论是NPNNPN还是还是PNPPNP管，都有两个管，都有两个管，都有两个管，都有两个PNPN结，三个区，三结，三个区，三结，三个区，三结，三个区，三个电极。个电极。个电极。个电极。除了发射极上的箭头方向不同外，其他都相同，但箭除了发射极上的箭头方向不同外，其他都相同，但箭头方向都是由头方向都是由P P指向指向N N，即，即PNPN结的正向电流方向。结的正向电流方向。三极管的工作状态及其外部工作条件三极管的工作状态及其外部工作条件发射结发射结正正偏，集电结偏，集电结反反偏：偏：放大模式放大模式 发射结发射结正正偏，集电结偏，集电结正正偏：偏：饱和模式饱和模式 发射结发射结反反偏，集电结偏，集电结反反偏：偏：截止模式截止模式（最常用）（最常用）（用于开关电路中）（用于开关电路中）2023/4/122023/4/12第22页，此课件共95页哦总结总结:在放大电路中三极管主要工作于在放大电路中三极管主要工作于放大状态放大状态，即要求，即要求，发射结正偏发射结正偏(正偏压降近似等于其正偏压降近似等于其PNPN结的导通压结的导通压降），降），集电结反偏集电结反偏（反偏压降远远大于其导通电反偏压降远远大于其导通电压才行）。压才行）。对对对对NPNNPN管各极电位间要求管各极电位间要求：对对对对PNP管各极电位间要求管各极电位间要求管各极电位间要求管各极电位间要求：V VeV Vb V Vb V Vc2023/4/122023/4/12第23页，此课件共95页哦 三极管特性三极管特性具有正向受控作用具有正向受控作用 在放大状态下的三极管输出的集电极电流在放大状态下的三极管输出的集电极电流IC ，主要受正，主要受正向发射结电压向发射结电压VBE的控制，而与反向集电结电压的控制，而与反向集电结电压VCE近似无关。近似无关。注意注意：NPN型管与型管与PNP型管工作原理相似，但由于它们形成型管工作原理相似，但由于它们形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流方向相反，加在各电流的载流子性质不同，结果导致各极电流方向相反，加在各极上的电压极性相反。极上的电压极性相反。V1NPP+PNN+V2V2V1+-+-+-+-+-+IEICIBIEICIB2023/4/122023/4/12第25页，此课件共95页哦IEnICBOIBnICnIEICIBJeJe正偏，以扩散运动为主正偏，以扩散运动为主JcJc反偏，以漂移运动为主反偏，以漂移运动为主+-iB UBBiC-+UCCRbRc+-UBE+-UCEU1三极管的电流放大原理三极管的电流放大原理三极管的电流放大原理三极管的电流放大原理发射极电流反向饱和电流集电极电流基极电流2023/4/122023/4/12第27页，此课件共95页哦晶体管的电流分配关系：晶体管的电流分配关系：1)1)直流电流放大系数：直流电流放大系数：I IC C/I/IB B 2)2)交流电流放大系数：交流电流放大系数：IC/IB 电流放大系数代表基极电流对集电极电流的控制作用，电流放大系数代表基极电流对集电极电流的控制作用，越大，控制作越大，控制作用越强。小信号放大电路中，直流放大系数与交流放大系数相差很小。用越强。小信号放大电路中，直流放大系数与交流放大系数相差很小。晶体管的放大作用：晶体管的放大作用：本质就是它对电流的控制作用本质就是它对电流的控制作用2023/4/122023/4/12第28页，此课件共95页哦2、晶体三极管伏安特性曲线、晶体三极管伏安特性曲线 伏安特性曲线是三极管通用的曲线模型，它适用于任何工作模式。伏安特性曲线是三极管通用的曲线模型，它适用于任何工作模式。(三极管有三极管有三种组态三种组态，以共发射极为例），以共发射极为例）IB=f(UBE)UCE=常数常数IC=f(UCE)IB=常数常数共发射极共发射极输入特性输入特性：输出特性输出特性：+-TUCEIBUBEIC+-2023/4/122023/4/12第29页，此课件共95页哦3 3 3 3、三极管的主要参数、三极管的主要参数、三极管的主要参数、三极管的主要参数1 1、共发射极电流放大系数、共发射极电流放大系数 和共基极电流放大系数和共基极电流放大系数 （线性工作（线性工作区）区）2 2、集、集-基极反向饱和电流基极反向饱和电流I ICBOCBO指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时产生的电流指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时产生的电流3 3、集、集-射极反向饱和电流射极反向饱和电流I ICEOCEO=（1+1+）ICBO4 4、集、集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压U U(BR)CEO(BR)CEO是基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的集电极电流是基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的集电极电流4 4、集电极最大允许耗散功率、集电极最大允许耗散功率P PCMCM=I=IC C*U*UCECE2023/4/122023/4/12第37页，此课件共95页哦三极管工作于放大区三极管工作于放大区：具有电流放大作用，是放大电路的核心：具有电流放大作用，是放大电路的核心元件。元件。三极管工作于饱和区与截止区三极管工作于饱和区与截止区：具有开关作用：具有开关作用饱和等效 截止等效4 4 4 4、三极管的等效电路及应用、三极管的等效电路及应用、三极管的等效电路及应用、三极管的等效电路及应用2023/4/122023/4/12第38页，此课件共95页哦7.2 三极管单管放大电路三极管单管放大电路 放大元件集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。集电极电阻，将变化的电流转变为变化的压耦合电容，隔离直流的联系，传送交流基极偏置电阻2023/4/122023/4/12第39页，此课件共95页哦静态：确定静态工作点，即静态：确定静态工作点，即静态：确定静态工作点，即静态：确定静态工作点，即QQ点点点点动态：放大电路性能指标动态：放大电路性能指标动态：放大电路性能指标动态：放大电路性能指标输入信号为输入信号为0，只有直流电源作用，各处电压和电流，只有直流电源作用，各处电压和电流都是直流量。各种量表达为：都是直流量。各种量表达为：代表输入输出特性曲线上的一个点代表输入输出特性曲线上的一个点2023/4/122023/4/12第40页，此课件共95页哦名 称静态值交流分量总电压或总电流直流电源瞬时值有效值瞬时值平均值电动势电压基极电流集电极电流发射极电流集-射极电压基-射极电压基极电源集电极电源发射极电源放大电路中电压和电流的符号放大电路中电压和电流的符号2023/4/122023/4/12第41页，此课件共95页哦7.2.2 静态分析静态分析(1)(1)用放大电路的直流通路确定静态值用放大电路的直流通路确定静态值静态时的集电极电流静态时的集电极电流静态时的集静态时的集射极电压射极电压2023/4/122023/4/12第42页，此课件共95页哦(2)(2)用图解法确定静态值用图解法确定静态值用图解法确定放大电路的静态工作点用图解法确定放大电路的静态工作点 非线性部分线性部分线性部分2023/4/122023/4/12第43页，此课件共95页哦7.2.3 共发射极基本放大电路的动态分析共发射极基本放大电路的动态分析1 1、三极管微变等效电路模型、三极管微变等效电路模型等效参数等效参数2023/4/122023/4/12第44页，此课件共95页哦三极管简化微变等效电路三极管简化微变等效电路 2023/4/122023/4/12第45页，此课件共95页哦（1）输入回路输入回路iBuBE当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。uBE iB对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。2023/4/122023/4/12第46页，此课件共95页哦（2）输出回路输出回路iCuCE即：输出端相当于一个受即：输出端相当于一个受ib 控制的控制的电流源。电流源。近似平行近似平行 iC uCE2023/4/122023/4/12第47页，此课件共95页哦ubeibuceicrbe ibibbcecbe输出回路忽略了输出回路忽略了r rcece的作用。的作用。2023/4/122023/4/12第48页，此课件共95页哦短路短路短路短路置零置零RB+VCCRCC1C2T2 2、共射极放大电路的微变等效电路分析、共射极放大电路的微变等效电路分析2023/4/122023/4/12第49页，此课件共95页哦2023/4/122023/4/12第50页，此课件共95页哦RO=RCRi=Rbrberbe（Rb rbe）放大倍数放大倍数 输入阻抗和输出阻抗输入阻抗和输出阻抗 2023/4/122023/4/12第51页，此课件共95页哦共集放大电路共集放大电路 7.2.4 共集电极放大电路共集电极放大电路射极输出器射极输出器2023/4/122023/4/12第52页，此课件共95页哦1、静态分析、静态分析2023/4/122023/4/12第53页，此课件共95页哦2、动态分析、动态分析射极输出器的微变等效电路射极输出器的微变等效电路2023/4/122023/4/12第54页，此课件共95页哦电压放大倍数射极跟随器，无电压放大，但是有电流和功率放大。射极跟随器，无电压放大，但是有电流和功率放大。2023/4/122023/4/12第55页，此课件共95页哦输入电阻（高）输出电阻（低）Rs为信号源内阻为信号源内阻2023/4/122023/4/12第56页，此课件共95页哦2023/4/122023/4/12第57页，此课件共95页哦7.3场效应晶体管基本放大器场效应晶体管基本放大器7.3.1 绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应晶体管按其导电类型，可分为N沟道(电子导电)和P沟道(空穴导电)两种。2023/4/122023/4/12第58页，此课件共95页哦N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的特性曲线管的特性曲线夹断电压：使导电沟道消失，UGS 0VT1导通，导通，T2截止截止iL=ic1;ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLiL=ic2因此，不需要隔直电容。因此，不需要隔直电容。静态分析：静态分析：ui=0V T1、T2均不工作均不工作 uo=0VT T1 1、T T2 2两个晶体管都只在半个周期内工作，称为两个晶体管都只在半个周期内工作，称为乙类放大乙类放大。2023/4/122023/4/12第89页，此课件共95页哦乙类放大的输入输出波形关系乙类放大的输入输出波形关系:ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL交越失真交越失真死区电压死区电压uiuououo tttt交越失真：交越失真：输入信号输入信号 ui在过零前在过零前后，输出信号出现的失真便为交后，输出信号出现的失真便为交越失真。越失真。2023/4/122023/4/12第90页，此课件共95页哦ui-USCT1T2uo+USCRLiL(1)静态电流静态电流 ICQ、IBQ等于零；等于零；(2)每管导通时间等于半个周期每管导通时间等于半个周期；(3)存在交越失真。存在交越失真。乙类放大的特点：乙类放大的特点：2023/4/122023/4/12第91页，此课件共95页哦最大输出功率及效率的计算最大输出功率及效率的计算假设假设 ui 为正弦波且幅度足够大，为正弦波且幅度足够大，T1、T2导通导通时均能饱和，此时输出达到最大值。时均能饱和，此时输出达到最大值。ULmax最大输出功率为：最大输出功率为：iL-VCCRLuiT1T2UL+VCCU Ucemcem为最大的输出电压幅度为最大的输出电压幅度U UcemcemV VCCCC，R RL L上的交流输出功率上的交流输出功率P Po o2023/4/122023/4/12第92页，此课件共95页哦效率为：效率为：在理想情况下，最大效率为在理想情况下，最大效率为=78.5%=78.5%2023/4/122023/4/12第93页，此课件共95页哦2）.OCL功率放大电路功率放大电路2023/4/122023/4/12第94页，此课件共95页哦3).甲乙类甲乙类OTL功率放大电路功率放大电路OTL 互补对称输出级互补对称输出级2023/4/122023/4/12第95页，此课件共95页哦