常用半导体器件课件.ppt

信息学院电子与控制工程系 主讲人：王彩红电话：18623717611办公室：6507 E-mail :hongcaiwang163,多媒体教学课件,模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronics华成英、童诗白主编,信息学院电子与控制工程系多媒体,1. 本课程的性质,是一门技术基础课,2. 特点,非纯理论性课程,实践性很强,以工程实践的观点来处理电路中的一些问题,3. 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理、特点及性能指标等。,4. 教学目标,能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。,绪论,1. 本课程的性质 是一门技术基础课2. 特点,5 该课程的学习方法,建立新概念。确立新的分析方法。重点掌握“基本概念、基本电路、基本分析 方法”。注意电路的基本定理、定律在模拟电路分 析中的应用。注重实验环节，先理论分析，后实践， 然 后再对实验的结果进行分析。,5 该课程的学习方法建立新概念。,6. 成绩评定标准,实验20 % 作业+考勤 10 % 期终考试70 %,7. 教学参考书,康华光主编，电子技术基础 模拟部分 第三版，高教出版社,童诗白主编，模拟电子技术基础 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 试题，华工出版社,前言,6. 成绩评定标准实验20 %,课外阅读教材：,1.谢自美 电子线路设计.实验.测试 华中理工大学出版社。2.毕满清 电子技术实验与课程设计 机械工业出版社。3.高伟涛 Pspice8.0电路设计实例精粹 国防工业出版社 。4.李东生 Protel99SE电路设计技术入门 电子工业出版社。5.刘君华 虚拟仪器图形化编程语言 西安电子科技大学出版社。6.张易知 虚拟仪器的设计与实现 西安电子科技大学出版社。,课外阅读教材：1.谢自美 电子线路设计.实验.测试,第三版童诗白,目录,第三版童诗白目录1 常用半导体器件2 基本放大电路3,电子系统,由基本电路组成的具有特定功能的电路整体。,信号,信号是信息的载体。,声音信号传达语言、音乐或其它信息。,图像信号传达人类视觉系统能接受的图像信息。,电子系统与信号,绪论,电子系统 由基本电路组成的具有特定功能的电路整体。信号,模拟信号和数字信号,绪论,0f(t)t模拟信号 在时间和幅度是上都是连续变化的,数字信号,数字信号只存在高低两种电平的相互转化。,0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0,0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0,0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0,数字信号 数字信号只存在高低两种电平的相互转化。0,一、电子技术：无确切定义。因为近年来它发展迅猛，分支庞杂。有种说法为“凡是研究含有电子器件的电路、系统及应用的学科”。,二、发展历程： 以电子器件的更新换代为标志！ 电子学近百年发展史上三个重要里程碑：1904年电子管发明（真正进入电子时代）1948年晶体管问世60年代集成电路出现(SSI、MSI、LSI、VLSI),一、电子技术：二、发展历程：,1第一代电子器件电子管 1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）等发明了电子管，是电子学发展史上第一个里程碑。用电子管可实现整流、稳压、检波、放大、振荡、变频、调制等多种功能电路。 电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。,1第一代电子器件电子管,2第二代电子器件晶体管 1948年，肖克利（W.Shckly）等发明了半导体三极管，其性能明显优于电子管，从而大大促进了电子技术的应用与发展。晶体管的发明是电子学历史上的第二个里程碑。 尽管晶体管在体积、重量等方面性能优于电子管，但由成百上千只晶体管和其他元件组成的分立电路体积大、焊点多，可靠性差。,2第二代电子器件晶体管,3第三代电子器件集成电路 1958年，基尔白等提出将管子、元件和线路集成封装在一起的设想，三年后，集成电路实现了商品化。 当前，单个芯片可集成器件成千上万个，例如，CPU芯片P6内部就封装了550万只晶体管。集成电路的发展促进了电子学、特别是数字电路和微型计算机的发展，人类社会开始迈进信息时代。 集成电路按集成度可分作 (1)小规模集成电路（SSI）102 (2)中规模集成电路（MSI）103 (3)大规模集成电路（LSI）105 (4)超大规模集成电路(VLSI)105 当前，微电子已成为最具有发展前途的产业，微电子技术水平已成为衡量一个国家技术水平的重要标志。,常用半导体器件课件,国防工业、军事工业、兵器工业：各种武器控制（火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置）、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。我国嵌入式计算机最早用于导弹控制。,国防工业、军事工业、兵器工业：各种武器控制（火炮控制、导弹控,信息家电、民用设备：各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒，数码相机，VCD、DVD音响设备，可视电话，家庭网络设备，洗衣机，网络冰箱，网络空调，智能玩具，其他消费类电子产品等。,信息家电、民用设备：各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒，,工业：各种智能测量仪表、智能卡、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、智能机器人、智能传感器、机电一体化机械设备、车载导航器、汽车电子设备、车辆与交通工程等。,工业：各种智能测量仪表、智能卡、数控装置、可编程控制器、控制,商业：各类收款机、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备、智能金融器具、远程教育。,商业：各类收款机、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机,办公自动化：复印机、打印机、传真机、扫描仪、其他计算机外围设备、掌上电脑、激光照排系统、安全监控设备、媒体手机、移动电话、寻呼机、个人数字助理（PDA）、变频空调设备、通信终端、程控交换机、网络浏览器、网络设备（路由器、交换机、Web server、网络接入盒等）、网络工程、录音录象及电视会议设备、数字音频广播系统等。,办公自动化：复印机、打印机、传真机、扫描仪、其他计算机外围设,医疗保健设备：各种医疗电子仪器，X光机、超声诊断仪、计算机断层成像系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、远程医疗、专家系统等。其他领域：农业技术、光学系统、气象预报、卫星通信网、数字通信、移动数据库、语音处理。,医疗保健设备：各种医疗电子仪器，X光机、超声诊断仪、计算机断,绪论,电学电路模电数电半导体器件高频、通信微机绪论,第三版童诗白,第一章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 晶体三极管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6集成电路中的元件,第三版童诗白第一章 常用半导体器件 1.1 半导体基础知识,第三版童诗白,本章重点和考点：,1.二极管的单向导电性、稳压管的原理。,2.三极管的电流放大原理，如何判断三极管的管型 、管脚和管材。,3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。,本章教学时数：10学时,第三版童诗白本章重点和考点：1.二极管的单向导电性、稳压管的,第四版童诗白,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？,3.什么是N型半导体？什么是P型半导体？当两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？它为什么具有单向性？在PN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？,1.为什么采用半导体材料制作电子器件？,第四版童诗白本章讨论的问题：2.空穴是一种载流子吗？空穴导电,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体 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。,一、导体、半导体和绝缘体,PNJunction,1.1 半导体的基础知识1.1.1 本征半导体 导体：自,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,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。,光敏器件,二极管,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体,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。,价电子,共价键,图 1.1.1本征半导体结构示意图,二、本征半导体的晶体结构,当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全纯净的、,图 1.1.2本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子,空穴,若 T ，将有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。,T ,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,三、本征半导体中的两种载流子,（动画1-1）,（动画1-2）,+4+4+4+4+4+4+4+4+4图 1.1.2本征半导,四、本征半导体中载流子的浓度,在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。,本征半导体中载流子的浓度公式：,T=300 K室温下,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: n = p =2.381013/cm3,ni=pi=K1T3/2 e -EGO/(2KT),本征激发,复合,动态平衡,四、本征半导体中载流子的浓度在一定温度下本征半导体中载流子的,1. 半导体中两种载流子,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. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。,4. 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。,5. 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,1. 半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴 2,1.1.2杂质半导体,杂质半导体有两种,N 型半导体,P 型半导体,一、 N 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。,1.1.2杂质半导体杂质半导体有两种N 型半导体P 型半导,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，即 n p 。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)。,5 价杂质原子称为施主原子。,本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某,+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子,二、 P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。,空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,3 价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,图 1.1.4P 型半导体,二、 P 型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在,说明：,1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3. 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。,2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(a)N 型半导体,(b) P 型半导体,图 杂质半导体的的简化表示法,说明：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少,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。,PN结,图 PN 结的形成,一、PN 结的形成,1.1.3PN结,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体,PN 结中载流子的运动,耗尽层,空间电荷区,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,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。,（动画1-3）,PN 结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1. 扩散运动,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区,内电场,Uho,空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4. 漂移运动,内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,阻挡层,3. 空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间,5. 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。,对称结,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,不对称结,5. 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,二、 PN 结的单向导电性,1. PN结 外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置，简称正偏。,内电场方向,耗尽层,I,图 1.1.6,二、 PN 结的单向导电性1. PN结 外加正向电压时处于导,在 PN 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 R。,2. PN 结外加反向电压时处于截止状态(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；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，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。,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电,耗尽层,图 1.1.7PN 结加反相电压时截止,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。,耗尽层图 1.1.7PN 结加反相电压时截止 反向电,当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态； 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。,（动画1-4）,（动画1-5）,综上所述：,可见， PN 结具有单向导电性。,（动画1-4） （动画1-5）综上所述：可见， P,IS ：反向饱和电流UT ：温度的电压当量在常温(300 K)下， UT 26 mV,三、 PN 结的电流方程,PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为,公式推导过程略,IS ：反向饱和电流三、 PN 结的电流方程PN结所加端电压,四、PN结的伏安特性,i = f (u )之间的关系曲线。,正向特性,击穿电压U(BR),反向特性,图 1.1.10PN结的伏安特性,反向击穿齐纳击穿雪崩击穿,四、PN结的伏安特性i = f (u )之间的关系曲线。,五、PN结的电容效应,当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散电容,1. 势垒电容Cb,是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。,(a) PN 结加正向电压,（b) PN 结加反向电压,五、PN结的电容效应当PN上的电压发生变化时，PN 结中,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。,势垒电容的大小可用下式表示：,由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 u 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。, ：半导体材料的介电比系数；S ：结面积；l ：耗尽层宽度。,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过,2. 扩散电容 Cd,是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。,在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pn)分布曲线如图中曲线 1 所示。,x = 0 处为 P 与 耗尽层的交界处,当电压加大，np (或 pn)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。,当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。,正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应。,图 1.1.12,2. 扩散电容 CdQ是由多数载流子在扩散过程中积累而引,综上所述：,PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。,Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 几十皮法， 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 Cj Cb。,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 Cj Cd；,在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。,综上所述：PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩,