第1讲 半导体基本器件精选PPT.ppt

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1、第1讲 半导体基本器件第1页，此课件共86页哦学习目的学习目的 计算机硬件，建立在数字电路的基础上，而模拟电路是数字电路的基础。学习这门课，可以加深对计算机硬、软件的认识。在计算机的自动控制领域，外部驱动电路也需要模拟电路的知识。第2页，此课件共86页哦什么是模拟电路：什么是模拟电路：模拟信号：在时间上和数值上连续的信号。数字信号：在时间上和数值上不连续的（即离散的）信号。uu模拟信号波形数字信号波形tt对模拟信号进行传输、处理的电子线路称为模拟电路。对数字信号进行传输、处理的电子线路称为数字电路。第3页，此课件共86页哦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

2、体结构的半导体导体：自然界中很容易体：自然界中很容易导电的物的物质称称为导体，金属一体，金属一般都是般都是导体。体。绝缘体：有的物体：有的物质几乎不几乎不导电，称，称为绝缘体，如橡皮、体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。陶瓷、塑料和石英。半半导体：另有一体：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，如体，如锗、硅、砷化、硅、砷化镓和一和一些硫化物、氧化物等。些硫化物、氧化物等。1.1 半导体（晶体结构）半导体（晶体结构）第4页，此课件共86页哦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：自然界中很容易导电的物质称为

3、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。1.1 半导体（晶体结构）半导体（晶体结构）第5页，此课件共86页哦1.1.1 本征半导体本征半导体 1.1 半导体（晶体结构）半导体（晶体结构）+4+4+4+4+4+4+4+4+4 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。提纯：99.999%（十亿分之一）硅、锗的晶体结构 第6页，此课件共86页哦 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。自由电子和空穴

4、使本征半导体具有导电能力，但很微弱。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴本征半本征半导体体中的两种载流子中的两种载流子1.1.1 本征半导体本征半导体 1.1 半导体（晶体结构）半导体（晶体结构）第7页，此课件共86页哦1.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.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。4.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。小结小结第8页，此课件共86页哦1.1.2杂质

5、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1.N 型半导体型半导体(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。第9页，此课件共86页哦 本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自由电子浓度远大于空穴的浓度。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。1.1.2杂质半导体杂质半导

6、体1.N 型半导体型半导体(Negative)第10页，此课件共86页哦+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1.1.2杂质半导体杂质半导体1.N 型半导体型半导体(Negative)第11页，此课件共86页哦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，如硼、镓、铟等，即构成如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。型半导体。空空穴穴浓浓度度大大于于电电子子浓浓度度，空空穴穴为为多多数数载载流流子子，电子为少数载流子。电子为少数载流子。1.1.2杂质半导体杂质半导体2.P 型半导体型半导体(Positive)第12页，此课件共8

7、6页哦+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3受主受主原子原子空穴空穴1.1.2杂质半导体杂质半导体2.P 型半导体型半导体(Positive)第13页，此课件共86页哦 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。PNPN结结PN 结的形成：结的形成：1.1.3PN结结第14页，此课件共86页哦 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空间电荷区区PN1.扩散运动扩散运动2.扩扩散散运运动动形形成空间电荷区成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。PN 结，耗尽层。PN1.1.3P

8、N结结第15页，此课件共86页哦3.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场空间电荷区正负离子之间产生电位差，形成内电场，阻止多子的扩散 阻挡层。4.漂移运动漂移运动电场有利于少子运动漂移。少子的运动与多子运动方向相反PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场 阻挡层阻挡层1.1.3PN结结第16页，此课件共86页哦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使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。PN1.1.3PN结结第17页，此课件共86页哦1.1.4 PN 结的单向导电性结的单

9、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。空间电荷区变空间电荷区变窄，有利于扩窄，有利于扩散运动，电路散运动，电路中有较大的正中有较大的正向电流。向电流。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VRIPN第18页，此课件共86页哦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)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流产生反向电流 I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小

10、。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。1.1.4 PN 结的单向导电性结的单向导电性第19页，此课件共86页哦1956年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖晶体管的发明晶体管的发明1956年诺贝尔物理学奖授予贝尔电话实验室的肖克利、巴丁、布拉坦,以表彰他们对半导体的研究和晶体管效应的发现。晶体管的发明是20世纪中叶科学技术领域有划时代意义的一件大事。对人类社会的经济和文化产生不可估量的影响。第20页，此课件共86页哦1.2 二极管及其基本电路二极管及其基本电路一个PN结就可以构成一个二极管。要了解二极管的特性，就要分析它的电流与电压的关系。nPN结的伏安特性：第21页，此课件共86页哦1.2

11、.1 二极管分析方法（简化模型）二极管分析方法（简化模型）1、理想型（电源电压很高时）2、恒压降模型（简单，较准确）3、折线型（更真实一些）第22页，此课件共86页哦1.2.2 二极管电路：（简化模型）二极管电路：（简化模型）例1：E=5V，R=5K，分别用3种模型求：I=？nI=（5-0.7）/5K=0.86mA （恒压降型）nI=5V/5K=1mA (理想型)nI=（5-0.7）/（5K+0.2K)=0.83mA（折线型）第23页，此课件共86页哦1.2.3 二极管电路：二极管电路：（整流）（整流）例2：最经济的功率调节，常用于电热毯、电饭锅等。第24页，此课件共86页哦1.2.3 二极管

12、电路二极管电路：（限幅）：（限幅）例3：已知E1=5V，求：uO 第25页，此课件共86页哦1.2.3 二极管电路二极管电路：（开关）：（开关）例4：开关电路：00055055第26页，此课件共86页哦1.2.4 特殊二极管：稳压二极管特殊二极管：稳压二极管特点：利用反向击穿电压比较恒定工作。应用：小功率系统，或在大系统中起基准作用(P499、P500)。第27页，此课件共86页哦1.2.4 特殊二极管：稳压二极管特殊二极管：稳压二极管已知V2=10V，D1稳压6V，D2稳压8V，求输出。第28页，此课件共86页哦1.2.4 特殊二极管：变容二极管特殊二极管：变容二极管PN结是有电容效应的，变

13、容二极管充分利用了这一点，用外加电压控制电容值。典型运用：调谐器。第29页，此课件共86页哦1.2.4 特殊二极管：肖特基二极管特殊二极管：肖特基二极管特点：电容效应小。应用：高频第30页，此课件共86页哦1.2.4 特殊二极管：光电（敏）二极管特殊二极管：光电（敏）二极管特点：强度电流随光照强度的增加而上升。应用：光信号转为电信号，如路灯控制。第31页，此课件共86页哦1.2.4 特殊二极管：发光二极管特殊二极管：发光二极管特点：通电发光，效率很高。应用：电器指示灯、数码显示、大型显示屏等。目前，半导体发光技术前景广阔。第32页，此课件共86页哦1.2.4 特殊二极管：激光二极管特殊二极管：

14、激光二极管特点：能产生单波长的激光。典型应用：激光头。第33页，此课件共86页哦1.3 三极管及放大电路三极管及放大电路 晶体二极管是最简单的半导体器件，但三极管的运用更为广泛，功能也更多。第34页，此课件共86页哦1.3.1 晶体三极管的结构晶体三极管的结构晶体三极管有两种主要结构：晶体三极管有两种主要结构：NPN型 PNP型 第35页，此课件共86页哦1.3.2 工作原理工作原理 发射结正偏，E区大量电子进入B区，一部分与B区空穴复合。进入B区的电子被Vcc吸引，进入C区，形成电流。第36页，此课件共86页哦1.3.2 工作原理工作原理有：说明三极管有放大能力。第37页，此课件共86页哦1

15、.3.3 特性曲线特性曲线 对三极管的电流与电压的分析：输入特性 输出特性 第38页，此课件共86页哦1.3.4 小信号模型小信号模型 输入等效为一个电阻：输出等效为一个受控电流源：等效后，电路成为我们熟悉的电阻、电源模型，就可以用电路分析的理论来求解三极管电路。第39页，此课件共86页哦1.3.5 三极管电路分析三极管电路分析三极管电路分析三步走：1、求直流工作点 2、交流等效电路 3、求交流放大电路第40页，此课件共86页哦1.3.5 直流工作点直流工作点为什么要提供直流电源？1、合适的工作点。2、提供能量。为什么要直流分析？检验工作点是否合适。要点：电容开路第41页，此课件共86页哦1.

16、3.5 直流工作点直流工作点例1：如下图，已知三极管 =80，试求:（1）静态工作点 、和 第42页，此课件共86页哦1.3.5 直流工作点直流工作点饱和：最大Ic=Vcc/Rc 检验工作点是否合适：不合适的情况：过大（小于1V），过小（接近电源电压）第43页，此课件共86页哦1.3.5 交流等效电路交流等效电路目的：分析交流电路是否能正常工作 求放大倍数交流等效电路要点：1、电容短路 2、直流电源短路 3、三极管等效第44页，此课件共86页哦1.3.5 交流放大倍数交流放大倍数 通过交流等效电路分析：第45页，此课件共86页哦1.3.5 练习练习已知三极管 =70，试求:（1）静态工作点 、

17、和 ；（2）画出交流等效电路；（3）电压放大倍数；第46页，此课件共86页哦1.3.6 稳定工作点电路稳定工作点电路前面介绍的电路简单，但温度升高后，工作点无法稳定。第47页，此课件共86页哦1.3.6 稳定工作点电路稳定工作点电路为了稳定工作点，增加了三个元件：Re、Ce、Rb1Re的作用是通过反馈稳定工作点Ce的作用是对Re交流短路，称旁路电容。Rb1的作用是稳定基极（B）的电压。第48页，此课件共86页哦条件条件条件条件：I2IB，则与温度基本无关。调节过程：1.3.6 基极分压式射极偏置电路基极分压式射极偏置电路第49页，此课件共86页哦1.3.6 稳定工作点电路稳定工作点电路对于电阻

18、并联电路，其中一个远大于另一个电阻时，并联结果约为小电阻。第50页，此课件共86页哦1.3.6 稳定工作点电路分析稳定工作点电路分析三极管电路分析三步走：1、求直流工作点 2、交流等效电路 3、求交流放大电路第51页，此课件共86页哦1.3.6 直流工作点直流工作点例1：如下图，已知三极管 =100，试求:（1）静态工作点 、和 第52页，此课件共86页哦1.3.6 直流工作点直流工作点第53页，此课件共86页哦1.3.6 交流等效电路交流等效电路目的：分析交流电路是否能正常工作 求放大倍数交流等效电路要点：1、电容短路 2、直流电源短路 3、三极管等效第54页，此课件共86页哦1.3.6 交

19、流放大倍数交流放大倍数 通过交流等效电路分析：=第55页，此课件共86页哦如无旁路电容（或不完全旁路）：如无旁路电容（或不完全旁路）：等效电路图等效电路图1.3.6 交流放大倍数交流放大倍数 第56页，此课件共86页哦1.3.7共集电极电路（射级输出器）共集电极电路（射级输出器）对电源来说，输出电阻越小越好，对负载来说，电阻越大，分得电压越高（不一定功率越大）。第57页，此课件共86页哦1.输入电阻:三极管的实际性能，还与输入、输出电阻有很大关系。三极管在电路中会有两个角色，对信号源来说，它是负载，对下级电路来说，它又是信号源。上图是简化出的信号与负载的电路，可以看出，RL上的实际电压，是与R

20、S分压的结果，当然希望RL越大越好。1.3.7共集电极电路（射级输出器）共集电极电路（射级输出器）第58页，此课件共86页哦Ri上图是信号接三级管的实际电路，RB一般比rbe大得多，Ri近似等于rbe，在1K左右，比较低，并不理想。1.3.7共集电极电路（射级输出器）共集电极电路（射级输出器）第59页，此课件共86页哦当信号源有内阻时：Ri为放大电路的为放大电路的输入电阻输入电阻求求Ui.UO.Ui.Us.1.3.7共集电极电路（射级输出器）共集电极电路（射级输出器）第60页，此课件共86页哦2.输出电阻对于负载而言，放大器的输出电阻Ro越小，放大器带负载能力越强，因此总希望Ro越小越好。上式

21、中Ro在几千欧到几十千欧，一般认为是较大的，也不理想。1.3.7共集电极电路（射级输出器）共集电极电路（射级输出器）第61页，此课件共86页哦基本共集放大电路:C1Rb+VCCC2RL+Re+RS+一、电路的组成一、电路的组成信号从基极输入，从发射极输出1.3.7共集电极电路（射级输出器）共集电极电路（射级输出器）第62页，此课件共86页哦1.3.7 共集电极电路分析共集电极电路分析1.求直流工作点：第63页，此课件共86页哦2.求电压放大倍数：1.3.7 共集电极电路分析共集电极电路分析第64页，此课件共86页哦3.求输入电阻：1.3.7 共集电极电路分析共集电极电路分析第65页，此课件共8

22、6页哦4.求输出电阻：1.3.7 共集电极电路分析共集电极电路分析第66页，此课件共86页哦电压放大倍数小于1，但约等于1，即电压跟随。输入电阻较高。输出电阻较低。射极跟随器具有较高的输入电阻和较低的输出电阻，常用作多级放大器的第一级或最末级，也可用于中间隔离级。用作输入级时，其高的输入电阻可以减轻信号源的负担，提高放大器的输入电压。用作输出级时，其低的输出电阻可以减小负载变化对输出电压的影响，并易于与低阻负载相匹配，向负载传送尽可能大的功率。射极输出器的特点与用途：射极输出器的特点与用途：第67页，此课件共86页哦例例：图示电路，已知UCC=12V，RB=200k，RE=2k，RL=3k，R

23、S=100，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。例题：分析下图射极输出器例题：分析下图射极输出器第68页，此课件共86页哦解：解：（1）用估算法计算静态工作点例题：分析下图射极输出器例题：分析下图射极输出器第69页，此课件共86页哦例题：分析下图射极输出器例题：分析下图射极输出器第70页，此课件共86页哦多级放大电路的组成多级放大电路的组成多级放大电路的组成多级放大电路的组成1.3.8 组合放大电路组合放大电路第71页，此课件共86页哦 阻容耦合阻容耦合:各极之间通过耦合电容连接。优点：各级静态工作点互不影响，可以单独调整到合适位置；且不存在零点漂移问题。缺点：不能

24、放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号；由于需要大容量电容，因此不能在集成电路中采用。1.3.8 组合放大电路组合放大电路第72页，此课件共86页哦阻容耦合多级放大电路的计算阻容耦合多级放大电路的计算（1）静态分析：各级单独计算。（2）动态分析电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。1.3.8 组合放大电路组合放大电路第73页，此课件共86页哦注意：计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放大倍数时，其负载电阻就是第二级的输入电阻。阻容耦合多级放大电路的计算阻容耦合多级放大电路的计算1.3.8 组合放大电路组合放大电路第74页，此课件共86页哦直

25、接耦合直接耦合:优点：能放大低频（直流）信号；且由于没有耦合电容，故 非常适宜于大规模集成。缺点：各级静态工作点互相影响；且存在零点漂移问题。1.3.8 组合放大电路组合放大电路第75页，此课件共86页哦中频段中频段中频段中频段：电压放大倍数近似为常数。低低低低频频频频段段段段：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。高高高高频频频频段段段段：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。放大电路的频率响应放大电路的频率响应第76页，此课件共86页哦1.4 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路1.场效应管是

26、压控元件；2.栅极几乎不取用电流，输入电阻高；3.一种载流子导电，噪声小，受温度及辐射影响小；4.制造工艺简单，利于大规模集成；5.存放管子应将栅源极短路，焊接时烙铁外壳应良好接地，防止静电击穿管子；6.跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低第77页，此课件共86页哦N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管:1.4.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管DSG衬底N沟道增强型场效应管的符号 N沟道P型硅衬底N+N+源极S栅极G漏极DSiO2绝缘层金属铝N沟道绝缘栅型场效应管的结构第78页，此课件共86页哦增强型场效应管不存在原始导电沟道，UGS=0时场效应管不能导通，ID=0

27、。UGS0时会产生垂直于衬底表面的电场。P型衬底与绝缘层的界面将感应出负电荷层，UGS足够大时，积累的负电荷使两个N+区沟通，形成导电沟道，漏、源极之间有ID出现。使管子转为导通的临界栅、源电压称为开启电压VT。1.4.1 N沟道增强型场效应管的特性曲线沟道增强型场效应管的特性曲线第79页，此课件共86页哦耗尽型场效应管存在原始导电沟道，UGS=0时漏、源极之间就可以导电。1.4.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管DSG衬底N沟道耗尽型场效应管的符号第80页，此课件共86页哦1.4.2 N沟道耗尽型场效应管的特性曲线沟道耗尽型场效应管的特性曲线 耗尽型场效应管存在原始导电沟道，UGS=0时漏

28、、源极之间就可以导电。UGS0时沟道内感应出的负电荷增多，沟道加宽，沟道电阻减小，ID增大。UGS达到一定负值时，沟道内载流子全部复合耗尽，沟道被夹断，ID=0，这时的UGS称为夹断电压UGS(off)。第81页，此课件共86页哦VDD+uO iDT+uIVGGRGSDGRD与双极型三极管对应关系b G,e S,c D 为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：N 沟道增强型 MOS 场效应管组成的放大电路。(UT：开启电压：开启电压)基本共源放大电路基本共源放大电路:1.4.3 场效应管电路分析场效应管电路分析第82页，此课件共86页哦场效应管放大电路的静态工作点：场效应管放大电路的静态工作点：场效应管放大电路的静态工作点：场效应管放大电路的静态工作点：1.4.3 场效应管电路分析场效应管电路分析第83页，此课件共86页哦场效应管放大电路的微变等效电路分析法：场效应管放大电路的微变等效电路分析法：1.4.3 场效应管电路分析场效应管电路分析RGRG1RG2RDRLGDS+iU&+gsU&+oU&gsmUg&第84页，此课件共86页哦例题：场效应管电路分析例题：场效应管电路分析第85页，此课件共86页哦例题：场效应管电路分析例题：场效应管电路分析第86页，此课件共86页哦