《第1讲 半导体基本器件优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1讲 半导体基本器件优秀PPT.ppt（86页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第1讲 半导体基本器件现在学习的是第1页，共86页学习目的学习目的 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。现在学习的是第2页，共86页什么是模拟电路：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。现在学习的是第3页，共86页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
2、纯净的具有晶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，金属一般都体，金属一般都是是导体。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、陶体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。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之体之间，称称为半半导体，如体，如锗、硅、砷化、硅、砷化镓和一些硫化物、和一些硫化物、氧化物等。氧化物等。1.1 半导体（晶体结构）半导体（晶体结构）现在学习的是第4页，共86页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
3、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。1.1 半导体（晶体结构）半导体（晶体结构）现在学习的是第5页，共86页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 现在学习的是第6页，共86页 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
4、位空穴。自由电子和空穴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）现在学习的是第7页，共86页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。小结小结现在学习的是
5、第8页，共86页1.1.2杂质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。现在学习的是第9页，共86页 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
6、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)现在学习的是第10页，共86页+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)现在学习的是第11页，共86页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，如如硼、镓、铟等，即构成硼、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，电电子子为少数载流子。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
7、体(Positive)现在学习的是第12页，共86页+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)现在学习的是第13页，共86页 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结结现在学习的是第14页，共86页 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
8、数载流子的扩散运动。PN 结，耗尽层。PN1.1.3PN结结现在学习的是第15页，共86页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结结现在学习的是第16页，共86页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结结现
9、在学习的是第17页，共86页1.1.4 PN 结的单向导电性结的单向导电性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现在学习的是第18页，共86页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
10、，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。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现在学习的是第19页，共86页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。现在学习的是第20页，共86页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
11、分析它的电流与电压的关系。nPN结的伏安特性：现在学习的是第21页，共86页1.2.1 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）现在学习的是第22页，共86页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）现在学习的是第23页，共86页1.2.3 二极管电路：二极管电路：（整流）（整流）例
12、2：最经济的功率调节，常用于电热毯、电饭锅等。现在学习的是第24页，共86页1.2.3 二极管电路二极管电路：（限幅）：（限幅）例3：已知E1=5V，求：uO 现在学习的是第25页，共86页1.2.3 二极管电路二极管电路：（开关）：（开关）例4：开关电路：00055055现在学习的是第26页，共86页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)。现在学习的是第27页，共86页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。
13、现在学习的是第28页，共86页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。现在学习的是第29页，共86页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：高频现在学习的是第30页，共86页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。现在学习的是第31页，共86页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
14、显示、大型显示屏等。目前，半导体发光技术前景广阔。现在学习的是第32页，共86页1.2.4 特殊二极管：激光二极管特殊二极管：激光二极管特点：能产生单波长的激光。典型应用：激光头。现在学习的是第33页，共86页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。现在学习的是第34页，共86页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 现在学习的是第35页，共86页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V
15、cc吸引，进入C区，形成电流。现在学习的是第36页，共86页1.3.2 工作原理工作原理有：说明三极管有放大能力。现在学习的是第37页，共86页1.3.3 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 现在学习的是第38页，共86页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。现在学习的是第39页，共86页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、求交流放大电路现在学习的是第40页，共86页1.3.5
16、 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：电容开路现在学习的是第41页，共86页1.3.5 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 现在学习的是第42页，共86页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）现在学习的是第43页，共86页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、三极管等效现在学习
17、的是第44页，共86页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：现在学习的是第45页，共86页1.3.5 练习练习已知三极管 =70，试求:（1）静态工作点 、和 ；（2）画出交流等效电路；（3）电压放大倍数；现在学习的是第46页，共86页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。现在学习的是第47页，共86页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。现在学习的是第48页，共8
18、6页条件条件条件条件：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现在学习的是第49页，共86页1.3.6 稳定工作点电路稳定工作点电路对于电阻并联电路，其中一个远大于另一个电阻时，并联结果约为小电阻。现在学习的是第50页，共86页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、求交流放大电路现在学习的是第51页，共86页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 现在学习的是第52页，共86页1.3.6 直流工作点直流工作点现在
19、学习的是第53页，共86页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、三极管等效现在学习的是第54页，共86页1.3.6 交流放大倍数交流放大倍数 通过交流等效电路分析：=现在学习的是第55页，共86页如无旁路电容（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 现在学习的是第56页，共86页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）。现在学习的是第
20、57页，共86页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RS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）现在学习的是第58页，共86页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）现在学习的是第59页，共86页当信号源有内阻时：Ri为放大电路的输为放大电路
21、的输入电阻入电阻求求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）现在学习的是第60页，共86页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）现在学习的是第61页，共86页基本共集放大电路: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）现在学习的是第62页，共86页1.3.7
22、共集电极电路分析共集电极电路分析1.求直流工作点：现在学习的是第63页，共86页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现在学习的是第64页，共86页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现在学习的是第65页，共86页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现在学习的是第66页，共86页电压放大倍数小于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
23、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：现在学习的是第67页，共86页例例：图示电路，已知UCC=12V，RB=200k，RE=2k，RL=3k，RS=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现在学习的是第68页，共86页解：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现在学习的是第69页，共86页例题：分析下图射极输出器例题：分析下图射极输出器现在学习的是第70
24、页，共86页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现在学习的是第71页，共86页 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现在学习的是第72页，共86页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
25、大电路现在学习的是第73页，共86页注意：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现在学习的是第74页，共86页直接耦合直接耦合: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现在学习的是第75页，共86页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
26、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现在学习的是第76页，共86页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现在学习的是第77页，共86页N N沟道增强型沟道增强型M
27、OSMOS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现在学习的是第78页，共86页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。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现在学习
28、的是第79页，共86页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现在学习的是第80页，共86页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、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)。现在学习的是第81页，共86页VDD+uO iDT+uIVGGRGSDGRD与
29、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现在学习的是第82页，共86页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现在学习的是第83页，共86页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&现在学习的是第84页，共86页例题：场效应管电路分析例题：场效应管电路分析现在学习的是第85页，共86页例题：场效应管电路分析例题：场效应管电路分析现在学习的是第86页，共86页