1、數字電子技術數字電子技術（3 3）主主 講：吳玉新講：吳玉新手手 機機:時 間：間：2014-10-162014-10-16第1-2章 作業講評2Multisim軟件的安裝與使用1 1、安裝、安裝2 2、畫電路圖、畫電路圖3 3、邏輯形式轉換、邏輯形式轉換4 4、MultisimMultisim快速入門指南快速入門指南3補充知識：半導體器件一、半導體基礎知識一、半導體基礎知識二、半導體二極管二、半導體二極管三、雙極性三極管（三、雙極性三極管（BJTBJT）四、場效應管四、場效應管(MOS)(MOS)一、半導體基礎知識1 1、本征半導體、本征半

2、導體2 2、雜質半導體、雜質半導體3 3、PNPN結的形成及單向導電性結的形成及單向導電性4 4、PNPN結的電容效應結的電容效應1、本征半導體1.1 1.1 何為半導體？何為半導體？導電性能介于導體和絕緣體之間的物質就是半導體。導電性能介于導體和絕緣體之間的物質就是半導體。導體導體鐵、鋁、銅等金屬，鐵、鋁、銅等金屬，低價元素。低價元素。絕緣體絕緣體惰性氣體、橡膠、塑料等惰性氣體、橡膠、塑料等, ,高價元素。高價元素。半導體半導體硅（硅（SiSi）、鍺（）、鍺（GeGe），均為），均為四價元素。四價元素。 導電性是由原子結構決定的。導電性是由原子結構決定的。1.2 1.2 何為本征半導體？何為

3、本征半導體？本征半導體是本征半導體是純凈純凈的具有的具有晶體結構晶體結構的半導體。的半導體。導電性能導電性能無雜質無雜質穩定的結構穩定的結構1.3 本征半導體的結構自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。一定溫度下，自由電子與空穴對的一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。電子與空穴對的濃度加大。自由電子自由電子空穴空穴共價鍵共價鍵 由于熱運動，具有足由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電

4、子鍵的束縛而成為自由電子 自由電子的產生使共自由電子的產生使共價鍵中留有一個空位置，價鍵中留有一個空位置，稱為空穴稱為空穴動態平衡動態平衡1.4 本征半導體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。運載電荷的粒子稱為載流子。外加電場時，帶負電的自由電外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導電，子和帶正電的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于載流子且運動方向相反。由于載流子數目很少，故導電性很差。數目很少，故導電性很差。溫度升高，熱運動加劇，載流溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導電性增強。子濃度增大，導電性增強。熱力學溫度為熱力學溫度為0K0K時不導電。時不導電。為什么要將半導體變

5、成導電性很差的本征半導體？為什么要將半導體變成導電性很差的本征半導體？自由電子自由電子空穴空穴兩種載流子兩種載流子2、雜質半導體2.1 2.1 N型半導體型半導體空穴比未加雜質時的數目多空穴比未加雜質時的數目多了？少了？為什么？了？少了？為什么？雜質半導體主要依靠多數載雜質半導體主要依靠多數載流子導電。摻入雜質越多，流子導電。摻入雜質越多，多子濃度越高，導電性越強，多子濃度越高，導電性越強，實現導電性可控。實現導電性可控。+5自由電子自由電子施主原子施主原子多數載流子多數載流子磷（磷（P）2.2 P型半導體P P型半導體主要依靠空穴導型半導體主要依靠空穴導電，摻入雜質越多，空穴濃電，摻入雜質越

6、多，空穴濃度越高，導電性越強。度越高，導電性越強。在雜質半導體中，溫度變化在雜質半導體中，溫度變化時，載流子的數目變化嗎？時，載流子的數目變化嗎？少子與多子變化的數目相同少子與多子變化的數目相同嗎？少子與多子濃度的變化嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？相同嗎？+3受主受主原子原子空穴空穴多數載流子多數載流子硼（硼（B）3、PN結的形成及單向導電性3.1 3.1 擴散運動擴散運動物質因濃度差而產生的運動稱擴散運動，氣、液、固均有。物質因濃度差而產生的運動稱擴散運動，氣、液、固均有。N區自由電區自由電子濃度遠高子濃度遠高于于P區區P區空穴區空穴濃度遠高濃度遠高于于N區區擴散運動擴散運動 擴散運動使靠

7、近接觸面擴散運動使靠近接觸面P區的空穴濃度降低，靠近接區的空穴濃度降低，靠近接觸面觸面N區的自由電子濃度降低，產生內電場。區的自由電子濃度降低，產生內電場。3.2 PN結的形成 由于擴散運動使由于擴散運動使P P區與區與NN區的交界面缺少多數載流子，區的交界面缺少多數載流子，P P區出現負離子區，區出現負離子區，NN區出現正離子區，構成不能移動的空區出現正離子區，構成不能移動的空間電荷區，形成內電場，內電場使空穴從間電荷區，形成內電場，內電場使空穴從NN區向區向P P區，自由區，自由電子由電子由P P區向區向NN區運動，從而阻止擴散運動的進行。區運動，從而阻止擴散運動的進行。漂移運動漂移運動因

8、電場作用所產因電場作用所產生的運動稱為漂生的運動稱為漂移運動。移運動。 參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，達到動參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，達到動態平衡，就形成了態平衡，就形成了PN結。結。3.3 PN結的單向導電性PN結加正向電壓導通：結加正向電壓導通： 耗盡層變窄，擴散運動耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，加劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，形成擴散電流，PN結處于導結處于導通狀態。通狀態。PN結加反向電壓截止：結加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴散耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形運動，有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，成漂移電流。由于

9、電流很小，故可近似認為其截止。故可近似認為其截止。必要嗎？必要嗎？4、PN結的電容效應4.1 4.1 勢壘電容勢壘電容 PN結外加電壓變化時，空間電荷區的寬度將發生變化，有電荷積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。4.2 4.2 擴散電容擴散電容 PN結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。PN結電容：結電容：Cj=Cb+Cd 結電容不是常量！若結電容不是常量！若PN結外加電壓頻率高到一定程結外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向導電性！度，則失去單向導電性！思考問題1 1、為什么將自然

10、界導電性能中等的半導體材料制成本征、為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，改善導電性能？半導體，導電性能極差，又將其摻雜，改善導電性能？2 2、為什么半導體器件的溫度穩定性差？是多子還是少子、為什么半導體器件的溫度穩定性差？是多子還是少子是影響溫度穩定性的主要因素？是影響溫度穩定性的主要因素？二 、半導體二極管1 1、 二極管的組成二極管的組成2 2、二極管的伏安特性及電流方程、二極管的伏安特性及電流方程3 3、二極管的等效電路、二極管的等效電路4 4、二極管的主要參數、二極管的主要參數1、二極管的組成 將將PNPN結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管

11、。結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。小功率小功率二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩壓穩壓二極管二極管發光發光二極管二極管1、二極管的組成（a）點接觸型）點接觸型 結面積小，結結面積小，結電容小，故結允電容小，故結允許的電流小，最許的電流小，最高工作頻率高。高工作頻率高。（b）面接觸型）面接觸型 結面積大，結結面積大，結電容大，故結允電容大，故結允許的電流大，最許的電流大，最高工作頻率低。高工作頻率低。（c）平面型）平面型 結面積可小結面積可小可大，小的工作可大，小的工作頻率高，大的結頻率高，大的結允許的電流大。允許的電流大。2、二極管的伏安特性及電流方程二極管的電流與其端電壓的關系稱為

12、伏安特性。二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。材料材料開啟電壓開啟電壓導通電壓導通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅Si0.5V0.5-0.8V1 A以下鍺Ge0.1V0.1-0.3V幾十 A擊穿擊穿電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流開啟開啟電壓電壓i=f(u)mV26U)(1(T常溫下TUuseIi溫度的電壓當量溫度的電壓當量2、二極管的伏安特性及電流方程從二極管的伏安特性可以反映出：從二極管的伏安特性可以反映出：2.1 2.1 單向導電性單向導電性TUusTeIiUu，則若正向電壓正向特性為正向特性為指數曲線指數曲線反向特性為橫軸的平行線反向特性為橫軸的平行線2.2 2.2 伏安特性受溫度

13、影響伏安特性受溫度影響溫度T=在電流不變情況下管壓降u =反向飽和電流Is ,UBR 溫度T=正向特性左移，反向特性下移sTIiUu，則若反向電壓) 1(TUuseIi3、二極管的等效電路將伏安特性折線化將伏安特性折線化理想理想二極管二極管導通時導通時i與與u成線性關系成線性關系理想開關理想開關導通時導通時UD=0，截止時截止時Is=0近似分析近似分析中最常用中最常用導通時導通時UD=Uon截止時截止時Is=0應該根據不同情況選擇不同的等效電路應該根據不同情況選擇不同的等效電路!4、二極管的主要參數1 1、最大整流電流、最大整流電流I IF F：最大平均值：最大平均值2 2、最大反向工作電壓、最大反向工