第1章常用半导体器件(基础知识、二极管、三极管)

2020/2/231电子技术基础FundamentalsofElectronicTechnique信息工程学院自动化系田建艳2020/2/232电子技术基础？“电子技术基础”是电类各专业的一门技术基础课。它是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科。根据学科内容大的方面来划分，分为：模拟电子技术（AnalogElectronicsTechnology)和数字电子技术（DigitalElectronicsTechnology）。根据自动化系的课程安排，将电子技术分为：基础、模电和数电三门课。2020/2/233电子技术难学吗？电子技术是一门实践性和应用性都很强的技术基础课。要求学生在学习时要很好地掌握基本概念、基本工作原理以及基本分析方法。总的要求是：熟练掌握基本概念，在定性分析的基础上作定量估算。2020/2/234课程主要内容、怎样安排？电子技术基础包括：第一章：常用半导体器件第二章：基本放大电路第三章：多级放大电路第四章：数制转换与编码第五章：逻辑门与逻辑代数基础第六章：门电路第一章~第三章20学时，第四章~第六章20学时共40学时1~8周周5学时第8周周日考试2020/2/235第一节：半导体基础知识第二节：半导体二极管第三节：晶体三极管第四节：场效应管第五节：集成电路中的元件第一章：常用半导体器件2020/2/236本章要求:半导体器件是构成电子电路的基本元件。具有体积小、重量轻、使用寿命长、功耗小等优点。半导体具有导电性、热敏性、光敏性、掺杂性。本章要求掌握常用半导体器件的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。2020/2/237导体(conductor)：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(insulator)：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(semiconductor)：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。Semiconductorsareaspecialclassofelementshavingaconductivitybetweenthatofagoodconductorandthatofaninsulator.2020/2/238第一节：半导体基础知识1、半导体（semiconductor）硅silicon、锗germanium；导电能力介于导体和绝缘体之间、光敏性、热敏性、掺杂性2、本征半导体（intrinsicsemiconductor）纯净的、结构完整的单晶体，如图所示。2020/2/2391.1.2本征半导体GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。硅和锗的最外层电子（价电子）都是四个。2020/2/2310本征半导体结构示意图共价键covalentbond束缚电子bondedelectron2020/2/2311本征半导体的导电机理在绝对温度T=0K和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子carrier），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下T=300K，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。载流子:自由电子和空穴2020/2/2312本征半导体：*本征激发:T=0K300K，热激发freeelectronhole2020/2/2313+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。本征半导体中电流：自由电子移动产生的电流和空穴移动产生的电流。2020/2/2314小结本征半导体：（1）两种载流子（carrier:自由运动的带电粒子）：自由电子freeelectrons（负电Negative）、空穴holes（正电Positive）、数目相等；（2）载流子的运动：扩散（diffusion）运动、漂移（drift）运动（3）自由电子和空穴均参与导电—导电特殊性本征半导体的导电能力差（4）载流子的浓度指数规律于温度，故其温度稳定性差，但可制作热敏器件。2020/2/23153、杂质（extrinsic）半导体Asemiconductormaterialthathasbeensubjectedtothedopingprocessiscalledanextrinsicsemiconductor.*根据掺入(doping)杂质元素不同，分为：N型(Ntype)半导体、P型(Ptype)半导体2020/2/2316N型半导体：掺五价元素（如磷）多子：电子少子：空穴多子：电子majority少子：空穴minorityDonorimpurities杂质2020/2/2317P型半导体：掺三价元素（如硼）多子：空穴少子：电子Acceptorimpurities杂质2020/2/2318－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体2020/2/2319Putverysimplyasemiconductormaterialisonewhichcanbe‘doped’toproduceapredominanceofelectronsormobilenegativecharges(N-type)；or‘holes’orpositivecharges(P-type).占优势、多余的简单地说又称或者可移动的总结：（1）多子、少子：（2）电中性：（3）多子和少子的浓度：2020/2/23204、PN结（junction）（1）形成采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。2020/2/2321PN结的形成:多子的扩散、少子的漂移名称：*PN结*空间电荷区*耗尽层*阻挡层*势垒区2020/2/2322PN结的单向导电性（1）外加正向电压（正向偏置、正偏）——导通（2）外加反向电压（反向偏置、反偏）——截止P区加正、N区加负电压。P区加负、N区加正电压。2020/2/2323PN结加正向电压时导通2020/2/2324PN结加反向电压时截止2020/2/2325PN结的伏安特性PN结的电流方程：(1)正向特性、(2)反向特性、(3)反向击穿)1e(TSUuIiT=300K时，UT约为26mV2020/2/2326PN结的伏安特性(1)正向特性(2)反向特性(3)反向击穿齐纳击穿（高掺杂）雪崩击穿（高反压）2020/2/2327PN结的电容效应：P16（1）势垒电容Cb：等效电容随反向电压变化——变容二极管（2）扩散电容Cd：扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同。PN结的结电容Cj——高频考虑PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd2020/2/2328第二节：半导体二极管*PN结（PNjunction）的形成（多子扩散与少子漂移达到动态平衡；名称：PN结、空间电荷区、耗尽层、阻挡层、势垒区）*PN结的单向导电性（正偏低阻导通、反偏高阻截止）2020/2/2329图1.2.1二极管的几种外形1、半导体二极管（Diode）的外形与结构----P182020/2/2330图1.2.2二极管的几种常见结构(a)点接触型;(b)面接触型;(c)平面型;(d)二极管的符号2020/2/23312、半导体二极管伏安特性(1)正向导通、(2)反向截止、(3)反向击穿开启电压Uon:死区电压硅管0.5V,锗管0.1V导通电压U:硅管0.6~0.8V,锗管0.1~0.3V——P19表1.2.1温度对二极管伏安特性的影响:温度每升高1℃，正向压降减小2~2.5mV温度每升高10℃，反向电流约增大一倍2020/2/23323、二极管的主要参数*主要参数：IF、UR、IR、fM(P20)4、二极管的等效电路2020/2/23335、二极管的应用*应用：限幅、整流、门电路例1:P68例2:补充（见下页）例3:P69RUo2VDUD=0.7V2020/2/2334补充：RUo6VD112VD22020/2/2335RuiuoVRD正弦波的峰值Vim大于VRuitVRuo2020/2/2336(1)输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL2020/2/2337桥式整流电路+-u2正半周时电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo2020/2/2338桥式整流电路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时电流通路2020/2/2339u20时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:AD1RLD3Bu20时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:BD2RLD4A输出是脉动的直流电压！u2t桥式整流电路输出波形tuou2D4D2D1D3RLuoAB2020/2/23406、稳压二极管:Zenerdiode2020/2/2341图1.2.11稳压管稳压电路稳压管：工作在反向击穿状态稳压管稳压电路：串、反、并KCL、KVLP24参数返回UZ2020/2/23427、发光二极管(用于显示)LED:light-emittingdiodes发光二极管包括:可见光,不可见光,激光可见光发光二极管:红,绿,黄,橙等开启电压大:红1.6~1.8V绿2V2020/2/2343P27例1.2.3电路图2020/2/2344ATmega16单片机的封装与引脚ATmega16单片机的封装有两种：40引脚的PDIP和44引脚的TQFP。D端口A端口C端口B端口2020/2/2345RESETMCUPB0/XCK/T01PB1/T12PB2/INT2/AIN03PB3/OC0/AIN14PB4/SS5PB5/MOSI6PB6/MISO7PB7/SCK8RST9VCC10GND11XTAL212XTAL113PD0/RXD14PD1/TXD15PD2/INT016PD3/INT117PD4/OC1B18PD5/OC1A19PD6/ICP120PD7/OC221PC0/SCL22PC1/SDA23PC2/TCK24PC3/TMS25PC4/TDO26PC5/TDI27PC6/TOSC128PC7/TOSC229AVCC30GND31PA0/ADC040AREF32PA7/ADC733PA6/ADC634PA5/ADC535PA4/ADC436PA3/ADC337PA2/ADC238PA1/ADC139AVRM16U0PB0PB1PB2PB3PB4PB5MOSIPB6MISOPB7SCKPD0RXDPD1TXDPD2PD3PD4PD5PD6PD7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7XTAL2XTAL1.+5V510Ωx2....发光二极管：导通电压1.6V、正向电流5~20mA才能发光。单片机输出低电平0.7V，输出电流20mA。135~540Ω510Ω×22020/2/2346RESETMCUPB0/XCK/T01PB1/T12PB2/INT2/AIN03PB3/OC0/AIN14PB4/SS5PB5/MOSI6PB6/MISO7PB7/SCK8RST9VCC10GND11XTAL212XTAL113PD0/RXD14PD1/TXD15PD2/INT016PD3/INT117PD4/OC1B18PD5/OC1A19PD6/ICP120PD7/OC221PC0/SCL22PC1/SDA23PC2/TCK24PC3/TMS25PC4/TDO26PC5/TDI27PC6/TOSC128PC7/TOSC229AVCC30GND31PA0/ADC040AREF32PA7/ADC733PA6/ADC634PA5/ADC535PA4/ADC436PA3/ADC337PA2/ADC238PA1/ADC139AVRM16U0PB0PB1PB2P