第1章电子线路基础——wangying2013

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1、1,电子电路基础,主讲教师：王莹 Wangying 北京邮电大学,电子电路基础教学网：http:/dzdl.ipchina.org ftp:/dzdl.ipchina.org,2,课程介绍,1. 课程的性质 是通信类专业的一门专业基础课。 2. 课程特点 非纯理论性课程，实践性很强，以工程实践的观点来处理电路中的一些问题（使用模型、近似）。 3. 学习内容 半导体器件、基本单元电路（双极型、FET)、反馈、运放、电流模、波形发生等。 4. 教学目标 能够对一般性的、常用的电子电路、集成电路进行分析和设计。注重更多地与实践接轨，在掌握经典的技术和方法的基础上，应用新技术、新方法来解决工程中的技术

2、难题。,3,课程介绍,5. 学习方法 重点掌握基本概念、基本电子电路的分析方法、设计方法 6. 成绩组成(TBD) 平时作业 15 %； EDA实践 5 % ； 期中考试：20； 期末考试：60 % 7. 教材 刘宝玲主编，电子电路基础，高教出版社， 8. 参考书 童诗白主编，模拟电子技术基础 第三版，高教出版社 谢嘉奎主编，电子线路基础（线性部分），高教出版社 康华光主编， 电子线路基础（模拟部分），高教出版社 9. 答疑 时间：待定；地点：待定； 电子电路基础教学网：http:/dzdl.ipchina.org ftp:/dzdl.ipchina.org,4,1904年，世界上第一只电子管

3、（真空二极管）在英国物理学家弗莱明的手下诞生。弗莱明获得了这项发明的专利权。人类第一只电子管的诞生，标志着世界从此进入了电子时代。 第一只电子管的诞生，标志着世界进入电子时代。,第一只电子管诞生：弗莱明,5,电子管之父-李德福雷斯特,真空三极管除了可以处于放大状态外，还可充当开关器件。电子管的这一特性被计算机研制者所利用，计算机的历史也由机械时代而跨进了电子时代。电子管的发明者就是李德福雷斯特（Lee de Forest，18731961）。 1907年，德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管的发明专利。 德福雷斯特是一位多产的发明家，一生获得了多达300余项专利。他的发明为他赢得“无线电之父

4、”、“电视始祖”和“电子管之父”的称号。,6,美国物理学家肖克利在1939年提出“利用半导体而不用真空管的放大器在原则上可行的”，布拉顿和巴丁在1947年12月23日的实验中，他们终于取得了意义重大的成功。,1948年6月30日，美国贝尔电话研究所正式宣布：世界上第一只晶体管研制成功。此后，许多科研人员又对晶体管的改进和半导体的研究做了大量工作，继而开发出许多品种的新型晶体管，如合金晶体管（1951年）、漂移晶体管（1955年）、台面晶体管（1956年），平面晶体管（1959年）、外延晶体管（1960年）、金属氧化物半导体晶体管（1962年）、功率晶体管（1962年）等。,晶体管之父威廉肖克利

5、,7,2000年的10月10日，Jack S. Kilby获得诺贝尔物理学奖。这个奖距离他的发明已经四十二年，但长时间正足以让深远影响充分显现。 1958年9月12日，美国德州仪器（TI公司）工程师基尔比发明第一颗积体电路IC。这个装置揭开二十世纪资讯革命的序幕，同时宣告矽器时代来临。1959年2月向美国专利局申报专利，将由元件组合的微型固体被叫做“半导体集成电路”，是一种用于无线电设备的“振荡器”。,集成电路：诺贝尔物理奖得主杰克基尔比,同时在硅谷的美国仙童公司也基本完成集成电路的发明。1959年7月30日，仙童公司的诺易斯也向美国专利局申请了发明专利。,8,9,半导体二极管图片,10,半导

6、体二极管图片,11,第一章 半导体基础及二极管电路,1.1 半导体的基本特性 1.2 半导体二极管的工作原理及特性 1.3 半导体二极管电路 1.4 计算机仿真例题,12,1.1 半导体的基本特性,半导体材料： 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体器件： 用半导体材料制成的器件 二极管、双极型三极管、场效应管、光电器件、集成电路等,13,现代电子学中，用的最多的半导体是硅（外层14个电子）和锗（外层32个电子），它们的最外层电子（价电子）都是四个。,1.1.1 本征半导体,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成

7、晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,14,硅和锗的共价键结构,+4表示除去价电子后的原子,共价键共 用电子对,一、共价键,在硅和锗晶体中，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,15,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，低温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,16,本征激发（热激发）在热和光作用下价电子获得了足够的能量，挣脱共价键的束缚，激发成为自由电子 电子空穴对

8、由热激发而产生的自由电子和空穴对 自由电子由热激发从共价键中逃逸的价电子 空穴共价键中的空位。 空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,二、本征激发产生两种载流子,17,两种载流子：自由电子和空穴 载流子浓度：单位体积载流子数 电子浓度：ni 空穴浓度：pi 本征半导体中：ni=pi,复合自由电子和空穴在运动中可能释放能量，重新结合而同时消失 动态平衡在一定温度下，电子-空穴对的热激发和复合达到动态平衡,18,两种载流子参与导电 半导体是双极性导电机构，而且其电阻率的温度系数是负的，这就是半导体导电与金属导电的根本不同点。,本征载流子浓度与温度的关系曲线,由于硅的原

9、子核外有3层电子，锗的原子核外有4层电子，因此硅中价电子挣脱共价键的束缚所需要的能量比锗大得多，所以在相同的温度时，锗晶体中有更多的价电子能激发为自由电子。因此锗的本征载流子的浓度比硅大。,思考：为什么锗的本征载流子的浓度比硅大？,19,本征半导体中载流子的浓度，除与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高，基本上按照指数规律增加，因此本征半导体载流子的浓度对温度十分敏感。 半导体中载流子的数量强烈地依赖于环境温度，这是半导体器件工作时热不稳定性的根本原因。 常温下，由热激发产生的电子-空穴数量与原子密度相比是很少的，所以本征半导体的导电能力很差。,20,在本征半导体

10、中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 载流子：电子，空穴,1.1.2 掺杂产生两种半导体,N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。主要载流子为电子（多数载流子） P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。主要载流子为空穴（多数载流子）,21,一、 N型半导体,掺杂浓度NDni 杂质电离产生自由电子，不能移动的正离子 室温下，杂质几乎全部电离 载流子来源 杂质电离产生的自由电子 热激发产生电子-空穴对 在N型半导体中 自由电子是多数载流子，它主要由杂质原

11、子提供； 空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,22,N型半导体,硅原子,磷原子,多余电子,23,二、 P型半导体,掺杂浓度NA 杂质电离产生空穴，不能移动的负离子 载流子来源 杂质电离产生空穴 热激发产生电子-空穴对 在P型半导体中 空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成； 自由电子是少数载流子，由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。,24,P型半导体,硅原子,空穴,硼原子,空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动,25,杂质半导体的示意表示法,26,杂质对半导体导

12、电性的影响,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n0 = p0 =ni =1.51010/cm3 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n0=51016/cm3 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3,27,非常重要的公式,当半导体处于平衡状态时 (1.1.1) 其中： 即无论掺杂程度如何，在一定温度的平衡状态下，平衡载流子浓度的乘积保持一定，它等于该温度下本征载流子浓度ni的平方。 看例题1.1.1(自学),多子浓度取决于掺杂浓度,少子浓度取决于温度,28,载流子的

13、扩散运动,载流子的漂移运动,载流子的扩散运动及扩散电流 扩散：载流子（电子或空穴）浓度有差异时，浓度高处的载流子向浓度低处的运动,载流子的漂移运动及漂移电流 漂移：载流子（电子或空穴）在电场（可以是外加或内建）的作用下沿电场方向的运动,1.1.3 半导体中载流子两种运动产生的两种电流,29,1.2 半导体二极管的工作原理及特性,1.2.1 PN结及其单向导电性 在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,30,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,一、PN结的形成动态平衡下的PN结,31,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,内电场越强

14、，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,32,最终扩散和漂移这一对相反的运动达到动平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,33,对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 PN结的形成主要原因： 浓度差多子的扩散运动形成空间电荷区形成内电场,接触电位差（电位壁垒或势垒） 室温下（T=300K）Ge：0.20.3V Si：0.60.7V 势垒宽度与掺杂浓度成反比,34,二、 PN结的单向导电性,当外加电压使PN结的P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； 反之称为加反向电压，简称反

15、偏。,35,1、加正向偏置电压时的特性,PN结加正向电压时 外加电压与势垒电压方向相反，合成电场减小，空间电荷区变窄，扩散运动加强，形成大的正向扩散电流 扩散电流随着外加电压的增大而急速上升。 正偏时PN结表现为一个阻值很小的电阻。,36,2、外加反向偏压时的特性,当外加电压使PN结中N区的电位高于P区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 外加电压与内建电场的方向一致，合成电场增大，空间电荷区加宽 阻碍扩散运动，扩散电流趋近于零 少子的漂移电流为支配电流 本征激发产生，与温度有关，几乎与所加反向电压的大小无关， T一定，少子浓度一定电流值趋于恒定，称为反向饱和电流。 PN结加反向电压时呈现高电阻

16、 很小的反向漂移电流,37,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,38,上节内容回顾,两种载流子本征半导体导电率很低，不易控制 自由电子和空穴 两种杂质半导体导电性能主要由多子决定 N型半导体：多子：自由电子；少子：空穴 P型半导体：多子：空穴；少子：自由电子 两种运动导致两种电流 扩散运动扩散电流（载流子浓度不均匀） 漂移运动漂移电流（电场作用） PN结的基本特性单向导电特性 正偏：呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； 反偏：呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,39,1.2.2 二极管的结构与类型,在PN结上加上引线和封装，就成为一个