基本電子器件

基本電子器件第1頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)2.1.1本征半導(dǎo)體2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體2.1.3

PN結(jié)第2頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.1.1

本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體—導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導(dǎo)體—純凈的半導(dǎo)體。如硅、鍺單晶體。載流子

—自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。共價(jià)鍵—相鄰原子共有價(jià)電子所形成的束縛。第3頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型慣性核硅(鍺)的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)價(jià)電子自由電子(束縛電子)空穴空穴空穴可在共價(jià)鍵內(nèi)移動(dòng)第4頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體的特性：光敏性－－－光照影響熱敏性－－－溫度影響摻雜性－－－雜質(zhì)半導(dǎo)體第5頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子（多子）空穴為少數(shù)載流子（少子）第6頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一P型半導(dǎo)體+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子電子—少子第7頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一二、P型、N型半導(dǎo)體的簡化圖示負(fù)離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體第8頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.1.3PN結(jié)一、PN結(jié)(PNJunction)的形成1.載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散2.復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層)空間電荷區(qū)特點(diǎn):無載流子，阻止擴(kuò)散進(jìn)行，利于少子的漂移。內(nèi)建電場第9頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一3.擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流等于漂移電流，總電流I=0二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘?0頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向PN結(jié)移動(dòng),中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流IF。IF=I多子I少子

I多子2.外加反向電壓(反向偏置)

—reversebias

P

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使少子背離PN結(jié)移動(dòng)，空間電荷區(qū)變寬。IRPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流IRIR=I少子

01.外加正向電壓(正向偏置)

—forwardbias第11頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一三、PN結(jié)的伏安特性反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng)T=300(27C)：UT

=26mVOu

/VI

/mA正向特性反向擊穿加正向電壓時(shí)加反向電壓時(shí)i≈–IS第12頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.2

半導(dǎo)體二極管2.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型2.2.2二極管的伏安特性2.2.3二極管的主要參數(shù)2.2.4穩(wěn)壓二極管2.2.5二極管的應(yīng)用舉例第13頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管(Diode)符號：A(anode)C(cathode)分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型第14頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負(fù)極

引線集成電路中平面型PNP型支持襯底第15頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一第16頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一OuD/ViD/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)UUthiD急劇上升0U

Uth

UD(on)

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)

幾十

A

(鍺)U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)2.2.2二極管的伏安特性第17頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020第18頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一溫度對二極管特性的影響604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT

升高時(shí)，UD(on)以(22.5)mV/C下降第19頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.2.3二極管的主要參數(shù)1.

IF—

最大整流電流(最大正向平均電流)2.

URM—

最高反向工作電壓，為U(BR)/2

3.

IR

—

反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?4.

fM—

最高工作頻率(超過時(shí)單向?qū)щ娦宰儾?iDuDU(BR)IFURMO第20頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.2.4穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ/mAuZ/VOUZ

IZmin

IZmaxUZIZ

IZ特性第21頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一二、主要參數(shù)1.

穩(wěn)定電壓UZ

流過規(guī)定電流時(shí)穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2.穩(wěn)定電流IZ

越大穩(wěn)壓效果越好，小于Imin時(shí)不穩(wěn)壓。3.

最大工作電流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM第22頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一補(bǔ)充：發(fā)光二極管與光敏二極管一、發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導(dǎo)通電壓(12)V符號u/Vi

/mAO2特性第23頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.主要參數(shù)電學(xué)參數(shù)：IFM

，U(BR)

，IR光學(xué)參數(shù)：峰值波長P，亮度

L，光通量發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型：普通LED，不可見光：紅外光點(diǎn)陣LED七段LED,第24頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一第25頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一二、光敏二極管1．符號和特性符號特性uiO暗電流E=200lxE=400lx工作條件：反向偏置2.主要參數(shù)電學(xué)參數(shù)：暗電流，光電流，最高工作范圍光學(xué)參數(shù)：光譜范圍，靈敏度，峰值波長實(shí)物照片第26頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一補(bǔ)充：選擇二極管限流電阻步驟：1.設(shè)定工作電壓(如0.7V；2V(LED)；UZ)2.確定工作電流(如1mA；10mA；5mA)3.根據(jù)歐姆定律求電阻R=(UIUD)/ID(R要選擇標(biāo)稱值)第27頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一例1

畫出硅二極管構(gòu)成的橋式整流電路在ui

=15sint(V)作用下輸出uO的波形。(按理想模型)Otui

/V15RLV1V2V3V4uiBAuO2.2.5二極管應(yīng)用舉例第28頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一OtuO/V15Otui

/V15第29頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一例2

分析簡單穩(wěn)壓電路的工作原理，

R為限流電阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRRUIUORRLILIRIZ第30頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.3雙極型晶體管2.3.1晶體三極管2.3.2晶體三極管的特性曲線2.3.3晶體三極管的主要參數(shù)第31頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一(SemiconductorTransistor)2.3.1晶體三極管一、結(jié)構(gòu)、符號和分類NNP發(fā)射極E基極B集電極C發(fā)射結(jié)集電結(jié)—基區(qū)—發(fā)射區(qū)—集電區(qū)emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型ECBECB第32頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一分類：按材料分：硅管、鍺管按功率分：小功率管<500mW按結(jié)構(gòu)分：NPN、PNP按使用頻率分：低頻管、高頻管大功率管>1W中功率管0.51W第33頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一二、電流放大原理1.三極管放大的條件內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)摻雜濃度高基區(qū)薄且摻雜濃度低集電結(jié)面積大外部條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏2.滿足放大條件的三種電路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共發(fā)射極共集電極共基極第34頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一3.三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程1)

發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入多子電子，形成發(fā)射極電流

IE。ICN多數(shù)向集電結(jié)方向擴(kuò)散形成ICN。IE少數(shù)與空穴復(fù)合，形成IBN。IBN基區(qū)空穴來源基極電源提供(IB)集電區(qū)少子漂移(ICBO)I

CBOIBIBN

IB+ICBO即：IB=IBN

–

ICBO2)電子到達(dá)基區(qū)后(基區(qū)空穴運(yùn)動(dòng)因濃度低而忽略)第35頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一ICNIEIBNI

CBOIB

3)

集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的載流子形成集電極電流ICICIC=ICN+ICBO第36頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一4.三極管的電流分配關(guān)系5.三極管的電流放大作用第37頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.3.2晶體三極管的特性曲線一、輸入特性輸入回路輸出回路與二極管特性相似第38頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一O特性基本重合(電流分配關(guān)系確定)特性右移(因集電結(jié)開始吸引電子)導(dǎo)通電壓UBE(on)硅管：(0.60.8)V鍺管：

(0.20.3)V取0.7V取0.2V第39頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一二、輸出特性iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321截止區(qū)：

IB0

IC=ICEO0條件：兩個(gè)PN結(jié)反偏截止區(qū)ICEO第40頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O246843212.放大區(qū)：放大區(qū)截止區(qū)條件：

發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏特點(diǎn)：

水平、等間隔ICEO第41頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O246843213.飽和區(qū)：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0條件：兩個(gè)PN結(jié)正偏特點(diǎn)：IC

IB臨界飽和時(shí)：

uCE

=uBE深度飽和時(shí)：0.3V(硅管)UCE(SAT)=0.1V(鍺管)放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)ICEO第42頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一三、溫度對特性曲線的影響(略)1.溫度升高，輸入特性曲線向左移。溫度每升高1C，UBE

(22.5)mV。溫度每升高10C，ICBO

約增大1倍。OT2>T1第43頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.溫度升高，輸出特性曲線向上移。iCuCE

T1iB=0T2>iB=0iB=0溫度每升高1C，

(0.51)%。輸出特性曲線間距增大。O第44頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.3.3晶體三極管的主要參數(shù)一、電流放大系數(shù)1.共發(fā)射極電流放大系數(shù)iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAIB=0O24684321—直流電流放大系數(shù)

—交流電流放大系數(shù)一般為幾十幾百Q(mào)第45頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一二、極間反向飽和電流（略）CB極間反向飽和電流

ICBOCE極間反向飽和電流ICEO第46頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一三、極限參數(shù)1.ICM

—集電極最大允許電流，超過時(shí)

值明顯降低。2.PCM—集電極最大允許功率損耗PC=iC

uCE。iCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作區(qū)第47頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.4場效應(yīng)管

引言2.4.1結(jié)型場效應(yīng)管2.4.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)2.4.2MOS場效應(yīng)管第48頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一引言場效應(yīng)管FET

(FieldEffectTransistor)類型：結(jié)型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)絕緣柵型IGFET(InsulatedGateFET)第49頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一特點(diǎn)：1.單極性器件(一種載流子導(dǎo)電)3.工藝簡單、易集成、功耗小、

體積小、成本低2.輸入電阻高

(1071015，IGFET可高達(dá)1015)第50頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.4.1結(jié)型場效應(yīng)管(略)1.結(jié)構(gòu)與符號N溝道JFETP溝道JFET第51頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.工作原理uGS

0，uDS

>0此時(shí)

uGD=UGS(off)；

溝道楔型耗盡層剛相碰時(shí)稱預(yù)夾斷。預(yù)夾斷當(dāng)uDS

，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。第52頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一3.轉(zhuǎn)移特性和輸出特性UGS(off)當(dāng)UGS(off)

uGS0時(shí),uGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VOO第53頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一一、增強(qiáng)型N溝道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)2.4.2MOS場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)與符號P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴(kuò)散的方法制作兩個(gè)N區(qū)在硅片表面生一層薄SiO2絕緣層SD用金屬鋁引出源極S和漏極DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GB耗盡層S—源極SourceG—柵極Gate

D—漏極DrainSGDB第54頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.工作原理1)uGS

對導(dǎo)電溝道的影響

(uDS=0)反型層(溝道)第55頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一1)uGS

對導(dǎo)電溝道的影響

(uDS=0)a.

當(dāng)UGS=0

，DS間為兩個(gè)背對背的PN結(jié)；b.當(dāng)0<UGS<UGS(th)(開啟電壓)時(shí)，GB間的垂直電場吸引P區(qū)中電子形成離子區(qū)(耗盡層)；c.當(dāng)uGS

UGS(th)

時(shí)，襯底中電子被吸引到表面，形成導(dǎo)電溝道。uGS

越大溝道越厚。第56頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2)

uDS

對

iD的影響(uGS>UGS(th))

DS間的電位差使溝道呈楔形，uDS，靠近漏極端的溝道厚度變薄。預(yù)夾斷(UGD=

UGS(th))：漏極附近反型層消失。預(yù)夾斷發(fā)生之前：uDSiD。預(yù)夾斷發(fā)生之后：uDSiD不變。第57頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一3.轉(zhuǎn)移特性曲線2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)開啟電壓O第58頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一4.輸出特性曲線可變電阻區(qū)uDS<uGSUGS(th)uDSiD

，直到預(yù)夾斷飽和(放大區(qū))uDS，iD

不變（恒流）uDS加在耗盡層上，溝道電阻不變截止區(qū)uGS

UGS(th)

全夾斷iD=0

iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止區(qū)飽和區(qū)可變電阻區(qū)放大區(qū)恒流區(qū)OuGS↑

→iD↑（放大，壓控）第59頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一二、耗盡型N溝道MOSFET（略）SGDB

Sio2

絕緣層中摻入正離子在uGS=0時(shí)已形成溝道；在DS間加正電壓時(shí)形成iD，uGS

UGS(off)

時(shí)，全夾斷。第60頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一二、耗盡型N溝道MOSFET輸出特性uGS/ViD/mA轉(zhuǎn)移特性IDSSUGS(off)夾斷電壓飽和漏極電流當(dāng)uGS

UGS(off)

時(shí)，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO第61頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一三、P溝道MOSFET增強(qiáng)型耗盡型SGDBSGDB第62頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一N溝道增強(qiáng)型SGDBiDP溝道增強(qiáng)型SGDBiD2

–2OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN溝道耗盡型iDSGDBP溝道耗盡型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5FET符號、特性的比較第63頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN溝道結(jié)型SGDiDSGDiDP溝道結(jié)型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5V第64頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.4.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)開啟電壓UGS(th)(增強(qiáng)型)

夾斷電壓

UGS(off)(耗盡型)指uDS=某值，使漏極電流iD為某一小電流時(shí)的uGS

值。UGS(th)UGS(off)2.飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應(yīng)管，當(dāng)uGS=0時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。IDSSuGS/ViD/mAO第65頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一1.運(yùn)放的電壓傳輸特性：2.6

集成器件第66頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一2.理想運(yùn)算放大器：開環(huán)電壓放大倍數(shù)AV=∞差摸輸入電阻rid=∞輸出電阻r0=0為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū)，給運(yùn)放電路引入負(fù)反饋：運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（U+=U-）虛斷（i+=i-=0）3.線性區(qū)第67頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一小結(jié)第2章第68頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一一、兩種半導(dǎo)體和兩種載流子兩種載流子的運(yùn)動(dòng)電子—自由電子空穴—價(jià)電子兩種半導(dǎo)體N型(多電子)P型(多空穴)二、二極管1.特性—單向?qū)щ娬螂娮栊?理想為0)，反向電阻大()。第69頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一iDO

uDU(BR)IFURM2.主要參數(shù)正向—最大平均電流IF反向—最大反向工作電壓U(BR)(超過則擊穿)反向飽和電流IS(受溫度影響)IS第70頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一3.二極管的等效模型理想模型(大信號狀態(tài)采用)正偏導(dǎo)通電壓降為零相當(dāng)于理想開關(guān)閉合反偏截止電流為零相當(dāng)于理想開關(guān)斷開UD(on)=(0.60.8)V估算時(shí)取0.7V硅管：鍺管：(0.10.3)V0.2V導(dǎo)通壓降：第71頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一4.特殊二極管工作條件主要用途穩(wěn)壓二極管反偏穩(wěn)壓發(fā)光二極管正偏發(fā)光光敏二極管反偏光電轉(zhuǎn)換第72頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一三、兩種半導(dǎo)體放大器件雙極型半導(dǎo)體三極管(晶體三極管

BJT)單極型半導(dǎo)體三極管(場效應(yīng)管

FET)兩種載流子導(dǎo)電多數(shù)載流子導(dǎo)電晶體三極管1.形式與結(jié)構(gòu)NPNPNP三區(qū)、三極、兩結(jié)2.特點(diǎn)基極電流控制集電極電流并實(shí)現(xiàn)放大第73頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一放大條件內(nèi)因：發(fā)射區(qū)載流子濃度高、

基區(qū)薄、集電區(qū)面積大外因：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏3.電流關(guān)系IE=IC+IBIC=

IB

IE=(1+)

IB

第74頁，共81頁，2023年，2月20日，星期一4.特性iC

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