《模拟电路与数字电路 教学课件 ppt 作者 林捷 杨绪业 第1章 半导体器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电路与数字电路 教学课件 ppt 作者 林捷 杨绪业 第1章 半导体器件（137页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第1章 半导体器件,1.1半导体基础知识,1.1.1本征半导体 1.1.2本征激发和两种载流子 1.1.3杂质半导体 1.1.4 PN结,自然界的物质，按照导电能力的强弱，可分为导体、半导体和绝缘体三类。,1.1.1本征半导体,将纯净的半导体经过一定工艺过程制成的单晶体，即被称为本征半导体。 本征半导体中的四价元素是靠共价键结合成分子的，图1.1所示为本征半导体硅和锗晶体的共价键结构平面示意图。,图1.1共价键结构平面示意图,1.1.2本征激发和两种载流子,晶体的共价键具有很强的结合力，在常温下，本征半导体内部仅有极少数的价电子可以在热运动的激发下，挣脱原子核的束缚而成为晶格中的自由电子，与此
2、同时，在共价键中将留下一个带正电的空位子，称为空穴，如图1.2所示。 热运动激发所产生的电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。 本征半导体因热运动而产生电子空穴对的现象称为本征激发。,图1.2本征激发示意图,热运动激发所产生的电子和空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。 本征半导体因热运动而产生电子空穴对的现象称为本征激发。,1.1.3杂质半导体,半导体的导电能力除了与温度有关外，还与半导体内部所含的杂质有关。 由于掺入半导体中的杂质不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两大类。,在本征半导体硅（或锗）中，掺入微量的五价元素，如磷（P），掺入的杂质并不改变本征半导体硅（或锗）的晶体结构
3、，只是半导体晶格点阵中的某些硅（或锗）原子被磷原子所取代。 五价元素的四个价电子与硅（或锗）原子组成共价键后，将多余一个价电子。,1. N型半导体,如图1.3所示，这一多余的电子不受共价键的束缚，只需获得较小的能量，就能挣脱原子核的束缚而成为自由电子。 于是，半导体中自由电子的数量增加。 自由电子导电成为此类杂质半导体的主要导电方式，故称它为电子型半导体，简称N型半导体。,图1.3 N型半导体的晶体结构,在本征半导体中掺入微量的三价杂质元素，如硼（B），杂质原子取代晶体中某些晶格上的硅（或锗）原子，三价元素的3个价电子与周围4个原子组成共价键时，缺少1个电子而产生了空位，如图1.4所示。 空穴
4、的数目远大于自由电子的数目，导电是以空穴载流子为主，故称空穴型半导体，简称P型半导体。,2. P型半导体,图1.4 P型半导体的晶体结构,1.1.4 PN结,1. PN结的形成,单个的P型半导体或N型半导体内部虽然有空穴或自由电子，人们利用特殊的掺杂工艺，在一块晶片的两边分别生成如图1.5（a）所示的N型半导体和P型半导体。 扩散运动的结果，使P型半导体的原子在交界处得到电子成为带负电的离子，N型半导体的原子在交界处失去电子成为带正电的离子，形成如图1.5（b）所示的空间电荷区。,图1.5 PN结的形成,由于空间电荷区在形成的过程中，移走的是载流子，留下的是不能移动的正、负离子，这种作用与电容
5、器存储电荷的作用相等效，因此，PN结也具有电容的效应，该电容称为PN结的结电容，PN结的结电容有势垒电容和扩散电容两种。,处于平衡状态下的PN结没有实用的价值，PN结的实用价值只有在PN结上外加电压时才能显示出来。,2. PN结的单向导电性,在PN结上外加正向电压时的电路如图1.6所示，处在这种连接方式下的PN结，称为正向偏置（简称正偏）。 由图1.6可见，当PN结处在正向偏置时，P型半导体接高电位，N型半导体接低电位。,（1） 外加正向电压,图1.6 PN结外加正向电压时导通,在PN结上外加反向电压时的电路如图1.7所示，处在这种连接方式下的PN结称为反向偏置（简称反偏）。 由图1.7可见，
6、当PN结处在反向偏置时，P型半导体接低电位，N型半导体接高电位。,（2） 外加反向电压,图1.7 PN结外加反向电压时截止,根据半导体材料的理论可得，加在PN结上的端电压v与流过PN结的电流i之间的关系为 令VT=kT/q，VT称为温度电压当量，在T=300K的常温下，温度电压当量VT26mV。 将温度电压当量的表达式代入式（1-1）中可得,3. PN结的电流方程,4. PN结的伏安特性曲线,由PN结的电流方程式（1-2）可得，当PN结外加正向电压vVT时，式（1-2）中的指数项远大于1，故iISevVT，即电流随电压按指数规律变化。 根据式（1-2）所作的曲线称为PN结的伏安特性曲线，如图1
7、.8所示。,图1.8PN结的伏安特性曲线,1.2半导体二极管,1.2.1半导体二极管的几种常见结构 1.2.2二极管的伏安特性 1.2.3二极管的主要参数 1.2.4二极管极性的简易判别法 1.2.5二极管的等效电路,将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线后就构成半导体二极管，简称二极管。 由P区引出的电极称为二极管的阳极（或正极），由N区引出的电极称为二极管的阴极（或负极），常用二极管的外形如图1.9所示。 常见的二极管的结构图和图形符号如图1.10所示，二极管在电路中用VD表示。,1.2.1半导体二极管的几种常见结构,图1.9二极管外形图,图1.10二极管的结构和图形符号,用实验的方法，在
8、二极管的阳极和阴极两端加上不同极性和不同数值的电压，同时测量流过二极管的电流值，就可得到二极管的伏安特性曲线。 该曲线是非线性的，如图1.11所示。,1.2.2二极管的伏安特性,图1.11二极管伏安特性曲线,当正向电压很低时，正向电流几乎为零，此时二极管呈现高电阻值，基本上还是处在截止的状态。 当正向电压超过如图1.11所示的二极管开启电压Von时，二极管才呈现低电阻值，处于正向导通的状态。,1. 正向特性,在分析PN结加上反向电压时，已知少数裁流子的漂移运动形成反向电流。 因少数载流子数量少，且在一定温度下数量基本维持不变。 因此，反向电压在一定范围内增大时，反向电流极微小且基本保持不变，等
9、于反向饱和电流IS。 二极管的特性曲线对温度很敏感。,2. 反向特性,二极管的参数是二极管电性能的指标，是正确选用二极管的依据。,1.2.3二极管的主要参数,1. 最大整流电流IF 2. 反向工作峰值电压VR 3. 反向峰值电流R 4. 最高工作频率fM,判别的方法是：利用万用表的R10挡或R100挡测量二极管的正、反向电阻。,1.2.4二极管极性的简易判别法,能够模拟二极管特性的电路称为二极管等效模型。 二极管的等效模型主要有伏安特性折线化和微变等效电路模型两类。 二极管的伏安特性曲线分析计算不方便，在一定的条件下，可以用折线替代曲线，实现二极管伏安特性曲线的折线化。 根据折线化的伏安特性曲
10、线所模拟的电路称为伏安特性曲线折线化等效电路，如图1.12所示。,1.2.5二极管的等效电路,图1.12伏安特性曲线折线化等效电路,图1.12（a）所示的折线化伏安特性表明二极管导通时的正向压降为零，截止时反向电流为零，称为理想二极管。 图1.12（b）所示的折线化伏-安特性表明二极管导通时的正向压降为一个常量Von，对于硅管Von0.7V，锗管Von=0.3V，截止时反向电流为零。 因而等效电路是理想二极管串联电压源Von。,图1.12（c）所示的折线化伏-安特性表明当二极管的正向电压v大于Von后，流过二极管的电流与电压成正比，比例系数为1/rVD，二极管截止时反向电流为零。 因而等效电路
11、是理想二极管串联电压源Von和电阻rVD，且rVD=V/I。 该模型也称为二极管微变等效电路模型。,*1.3半导体二极管的基本应用电路,1.3.1二极管整流电路 1.3.2桥式整流电路 1.3.3倍压整流电路 1.3.4限幅电路 1.3.5与门电路,二极管在电子电路中主要起整流、限幅、开关的作用。,1.3.1二极管整流电路,利用二极管的单向导电性可以将交流信号变换成单向脉动的信号，这种过程称为整流。 最简单的二极管整流电路如图1.13（a）所示。 输入、输出电压的波形如图1.13（b）所示。,图1.13二极管整流电路及波形图,1.3.2桥式整流电路,图1.14所示为桥式整流电路。 利用高等数学
12、求平均值的方法，可计算输出电压的脉动系数，计算的过程如下：,图1.14桥式整流电路及波形,1.3.3倍压整流电路,利用电容器存储电能的作用，由多个二极管和电容器可以获得几倍于输入电压的输出电压，这种电路称为倍压整流电路，如图1.15所示。,图1.15倍压整流电路,同理还可组成三倍压、四倍压的整流电路。 在图1.16所示的电路中，若输出信号是C1和C3两端电压的和，则输出电压为输入电压的三倍压，组成三倍压整流电路；若输出信号是C2和C4两端电压的和，则输出电压为输入电压的四倍压，组成四倍压整流电路。,图1.16三倍压、四倍压整流电路,1.3.4限幅电路,在电子电路中，为了保护电路不会因电压过高而
13、损坏，需要对输入电压进行限制，利用二极管限幅电路就可实现该目的。 二极管限幅电路及波形如图1.17所示。,图1.17限幅电路及波形,1.3.5与门电路,利用二极管通、断的开关特性，可以组成实现与逻辑函数关系的电路，该电路称为与门电路。 二极管与门电路如图1.18所示。 在规定高电压用1来表示，低电压用0来表示的前提下，上述的关系可表示成表1.1所示的真值表。,图1.18与门电路,【例1.1】求如图1.19所示电路的输出电压Vab的值。 解求Vab的关键点是判断二极管VD1和VD2的通、断状态。 二极管VD1和VD2的通、断状态可根据它们的偏置来判断，判断的方法是：先找出电路的最高和最低电位点，
14、观察这些点与二极管正极、负极的连接情况，即可确定二极管的偏置状态。,在图1.19所示的电路中，电源的正极接地，所以，接地点是电路的最高电位点；因二极管VD2的负极与电路的最低电位点-6V相接，所以，二极管VD2因正向偏置而导通，二极管VD1因反向偏置而截止，设二极管导通的电压为0.7V，则Vab=-6+0.7=-5.3V,图1.19例1.1,*1.4稳压管,1.4.1稳压管的结构和特性曲线 1.4.2稳压管的主要参数,1.4.1稳压管的结构和特性曲线,稳压管与二极管的外形相似，稳压管的特性曲线如图1.20（a）所示，常用的图符如图1.20（b）所示，稳压管在电路中用VDZ来表示。,图1.20稳
15、压管的特性曲线和符号,稳压管工作于反向击穿状态，击穿电压从几伏到几十伏，反向电流也比一般的二极管大。 能在反向击穿状态下正常工作而不损坏，是稳压管工作的特点，稳压管在电路中正确的连接方法如图1.21所示。,图1.21稳压管的连接,1.4.2稳压管的主要参数,1. 稳定电压VZ 2. 稳定电流Z 3. 额定功耗PZM 4. 动态电阻rd 5. 温度系数,1.5其他类型的二极管,1.5.1发光二极管 1.5.2光电二极管,1.5.1发光二极管,发光二极管包括可见光、不可见光、激光等不同的类型，这些二极管除了具有PN结的单向导电性外，还可以将电能转换成光能输出。 发光二极管的外形和符号如图1.22所
16、示。,图1.22发光二极管和符号,1.5.2光电二极管,光电二极管是一种远红外线接收管，它可将所接收到的光能转换成电能。 PN结型光电二极管充分利用PN结的光敏特性，将接收到光能的变化转换成电流的变化。 光电二极管的外形和符号如图1.23所示。,图1.23光电二极管,1.6晶体三极管,1.6.1晶体管的结构及类型 1.6.2三极管的电流放大作用 1.6.3三极管的共射特性曲线 1.6.4三极管的主要参数,晶体三极管又称双极型器件（用BJT表示），它的基本组成部分是两个靠得很近的，且背对背排列的PN结。 根据排列方式不同，分为PNP型和NPN型两种类型。,1.6.1晶体管的结构及类型,半导体二极管内部只有一个PN结，若在半导体二极管P型半导体的旁边，再加上一块N型半导体，由图1.24（a）可见，这种结构的器件内部有两个PN结，且N型半导体和P型半导体交错排列形成3个区，分别称为发射区、基区和集电区。 晶体三极管通常简称三极管或晶体管，三极管在电路中常用字母VT来表示。,图1.24（a）所示三极管的3个区分别由NPN型半导体材料组成
