第1章半导体分立器件课件.ppt
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1、(1-1)概概 述述电子技术:电子技术:研究电子器件、电子电路和研究电子器件、电子电路和 系统及其应用的技术。系统及其应用的技术。电子技术电子技术模拟电子技术模拟电子技术数字电子技术数字电子技术(1-2):tt(1-3)第一章第一章 半导体分立器件及其基本电路 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识与与PNPN结结 1.2 半导体二极管半导体二极管及其应用电路及其应用电路 1.3 放大电路的基本概念及其性放大电路的基本概念及其性 能指标能指标 1.4 三极管三极管及其放大电路及其放大电路1.61.6 多级放大电路多级放大电路(1-4)1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体:
2、导体:自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体,金属,金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体:绝缘体:有的物质几乎不导电,称为有的物质几乎不导电,称为绝缘体绝缘体,如橡,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体:半导体:另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为体之间,称为半导体半导体,如锗、硅、砷化镓,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。1.1 半导体的基本知识与半导体的基本知识与PN结结(1-5)半导体半导体的导电具有不同于其它物质的特点。的导电具有不同于其它物质的特点。 当受外界热
3、和光的作用时,它的导电能当受外界热和光的作用时,它的导电能 力明显变化。力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使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。它的导电能力明显改变。外激发控制外激发控制掺杂质控制掺杂质控制结构:半导体结构:半导体晶体晶体。导电性:导电可控性导电性:导电可控性(1-6) 1. 1.本征半导体本征半导体本征半导体的结构特点本征半导体的结构特点:GeSi现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。的最外层电子(价电子)都是四个。本征半导体:本征半导体:完全纯净的、结构完整的
4、半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。(1-7)硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共价键,共共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为价键中,称为束缚电子束缚电子,(1-8)+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子(1-9)半导体的导电机理半导体的导电机理+4+4+4+4空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补,这样的结果来填补,这样的结果相当于空穴的迁移,相当于空穴的迁移,空穴的迁移相当于正空穴的迁移相当于正电荷的移动,因此可电荷的移动,因
5、此可以认为空穴是载流子。以认为空穴是载流子。 自由电子自由电子和和空穴称为空穴称为半导体载流子。半导体载流子。(1-10)(1-11)3. 3. 光敏性、热敏性,载流子的浓度越高。本征半光敏性、热敏性,载流子的浓度越高。本征半导体的导电能力越强,这是半导体的一大特点。导体的导电能力越强,这是半导体的一大特点。2.2.本征半导体的导电能力取决于自由电子、空穴本征半导体的导电能力取决于自由电子、空穴( (载载流子流子) )的浓度。的浓度。1.1.本征半导体中电流本征半导体中电流( (载流子移动载流子移动) )由两部分组由两部分组成:成: (1)(1)自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。
6、 (2) (2) 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理(1-12) 2. 2.杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑ti),自由自由电子浓度远大于空穴浓度。电子浓度远大于空穴浓度。自由电子自由电子称为称为多数载流子多数载流子(多多子子),),空穴空穴称为称为少数载流子少
7、数载流子(少子少子)。)。 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼(或铟在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼(或铟yin),空穴是多子,电子是少子空穴是多子,电子是少子。N 型半导体型半导体 (电子型半导体)(电子型半导体)P 型半导体型半导体(空穴型半导体)(空穴型半导体) Si Si Si Sip+多多余余电电子子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴(1-15)(1-16)一一.PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上,分别制造在同一片半导体基片上,分别制造P 型半导型半导
8、体和体和N 型半导体,经过载流子的型半导体,经过载流子的运移运移,在它们的,在它们的交界面处就形成的空间电荷区就为交界面处就形成的空间电荷区就为PN 结。结。1.12 PN结及其单向导电性结及其单向导电性扩散运动扩散运动: :物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动, ,即由于浓度差产生的运动即由于浓度差产生的运动. .漂移运动漂移运动: :在电场力作用下在电场力作用下, ,少数载流子的运动少数载流子的运动. .(1-17)二二. PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结外加上正向电压结外加上正向电压 (正向偏置正向偏置): PN 结外加反向电压结外加反向电压
9、(反向偏置反向偏置):P 区加正电压、区加正电压、N 区加负电压。区加负电压。P区加负电压、区加负电压、N 区加正电压。区加正电压。(1-18)PN 结外加上正向电压结外加上正向电压 (正向偏置正向偏置)(1-19)PN 结外加上反向电压结外加上反向电压 (反向偏置反向偏置)(1-20)PN结具有单向导电性定义结具有单向导电性定义u1.当PN结外加正向电压时,有较大的正向电流,呈现一低电阻特性, PN结导通;u2.当PN结外加反向电压时,电流很小,呈现一高电阻特性, PN结截止。(1-21)半导体二极管图片1.2 半导体二极管半导体二极管及其应用电路及其应用电路(1-22)(1-23)(1-2
10、4)一、基本结构一、基本结构PN 结加上管壳和引线,就成为半导体二极管。结加上管壳和引线,就成为半导体二极管。(1) 点接触型二极管点接触型二极管(2) 面接触型二极管面接触型二极管PN二极管的电路符号:二极管的电路符号:(a)(a)点接触型点接触型 (b)(b)面接触型面接触型正正( (阳阳) )极极负负( (阴阴) )极极+ +- -(1-25) 二、伏安特性二、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压UBR(1-26)三、主要参数三、主要参数1. 最大整流电流最大整流
11、电流 IFM二极管长期使用时,允许流过二极管的最大二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。正向平均电流。2. 反向击穿电压反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电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,甚至流剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至过热而烧坏。过热而烧坏。(1-27) 指管子不被反向击穿所允许指管子不被反向击穿所允许外加的电压。一般手册上给出外加的电压。一般手册上给出的的U UDRMDRM约为击穿电压的一半。约为击穿电压的一半。3.3.最高反向工作电压最高反向工作电压U UDRMDRM(1-28)4.4.最大反向电流最大反
12、向电流I IRMRM: 管子在常温下承受最高反向工管子在常温下承受最高反向工作电压作电压U UDRMDRM时的反向饱和电流,时的反向饱和电流,其值愈小,则管子的单向导电性其值愈小,则管子的单向导电性愈好。由于温度增加,愈好。由于温度增加,I IRMRM会急剧会急剧增加,所以在使用二极管时增加,所以在使用二极管时要注要注意温度的影响。意温度的影响。(1-29)四四. . 二极管的模型二极管的模型1.1.理想模型理想模型: :具有这种理想特性的二具有这种理想特性的二极管也叫做理想二极管。即:二极管极管也叫做理想二极管。即:二极管在正向导通时在正向导通时相当于开关闭和,死区相当于开关闭和,死区电压电
13、压=0 =0 ,正向压降,正向压降=0=0,二极管反向二极管反向截止时截止时相当于开关断开。相当于开关断开。等效电路等效电路(1-30)2.2.恒压降模型恒压降模型. .二极管在正向导通时,二极管在正向导通时,其管压降为恒定值,硅管的管压降约为其管压降为恒定值,硅管的管压降约为0.6-0.7V0.6-0.7V,锗管的管压降约为,锗管的管压降约为0.2-0.3V0.2-0.3V。等效电路等效电路反向截止反向截止(1-31)D6V12V3k BAUAB+1.2.2 二极管应用电路二极管应用电路(1-32)定量分析:定量分析:判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的
14、,若二极管是理想的,(1-33)例例1:D6V12V3k BAUAB+(1-34)V sin18itu t (1-35)RLuiuouiuott二极管的应用电路二极管的应用电路2 2:二极管半二极管半波整流波整流(1-36)1. 稳压二极管稳压二极管UIIZIZmax UZ IZ稳压稳压误差误差曲线越陡,曲线越陡,电压越稳电压越稳定。定。+-UZ动态电阻:动态电阻:ZZIUZrrz越小,稳压越小,稳压性能越好。性能越好。1.2.3 特殊二极管特殊二极管(1-37)(4)稳定电流稳定电流IZ(5)最大允许功耗)最大允许功耗maxZZZMIUP稳压二极管的参数稳压二极管的参数:(1)稳定电压稳定电
15、压 UZ(2)电压温度系数电压温度系数 U(%/) 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。(3)动态电阻)动态电阻ZZIUZr(1-38)稳压二极管的稳压原理稳压二极管的稳压原理:输入变化时输入变化时: : IZUIIZIZmax UZUZioUUDZUDZIRIRUOU负载变化时负载变化时: :R R作用作用? ?iRuoiZDZRiLuiRLioUUDZUDZIRIRUOUoLURoLUR(1-39)负载电阻负载电阻 。要求要求当输入电压由正常值发当输入电压由正常值发生生 20%波动时,负载电压基本不变。波动时,负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举
16、例:uoiZDZRiLiuiRLmaxmin10V, 20mA, 5mAzzzUII稳压管的技术参数稳压管的技术参数: k2LR解:令输入电压达到上限时,流过稳压管的电解:令输入电压达到上限时,流过稳压管的电流为流为Izmax 。求:求:电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。max25mAZzLUiIR1.22510izuiR UR方程方程1(1-40)令输入电压降到下限令输入电压降到下限时,流过稳压管的电时,流过稳压管的电流为流为Izmin 。min10mAZzLUiIR101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2,可解得:,
17、可解得:k50V7518.R,.ui(1-41)2. 发光二极管发光二极管有正向电流流过有正向电流流过时,发出一定波长时,发出一定波长范围的光,目前的范围的光,目前的发光管可以发出从发光管可以发出从红外光到可见波段红外光到可见波段的光,它的电特性的光,它的电特性与一般二极管类似。与一般二极管类似。阳极阳极阴极阴极(1-42)3. 光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加阳极阳极阴极阴极(1-43). .半导体的基本知识与半导体的基本知识与PNPN结结(1-44)1. 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NP
18、N型型PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型1.4 三极管及其放大电路三极管及其放大电路1.4.1 1.4.1 三极管三极管(1-45)BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区:较薄,基区:较薄,掺杂浓度低掺杂浓度低集电区:集电区:面积较大面积较大发射区:掺发射区:掺杂浓度较高杂浓度较高(1-46)BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结(1-47)BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管三极管的符号三极管的符号EEBRBRCIBICIE(1-50)(1-51)共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输
19、出回路输出回路ICEBmA AVUCEUBERBIBECV+常常数数 CE)(BEBUUfIIB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1VO(1-53)UCE 1VIB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE =0.5VIB=020 A40 A60 A80 A100 A常常数数 B)(CECIUfI36IC(mA )1234UCE(V)912O放大区放大区(1-55)O BCII_ BCII (1-57)53704051BC.II 400400605132BC .II (1-58)ICBO A+EC AICEOIB=0+(1-59)(1-60)ICM
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