模拟电子技术基础_第1章_童诗白_华成英_第四版课件

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1、第1章 常用半导体器件,主要内容： 1 半导体基础知识 2 半导体二极管 3 晶体三极管 4 场效应管,导体:小于10-3cm。 物质按其导电性 绝缘体:大于108cm。 半导体: 介于两者之间。 常用的半导体有硅(Si)和锗(Ge)。,1 半导体基础知识,图1 Si和Ge的原子结构示意图,半导体的特性 掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，其 电阻率大大下降而导电能力显著增强。半导体二极 管、半导体三极管。 热敏特性：半导体的电阻率随着温度的上升而明 显下降，其导电能力增强。热敏电阻。 光敏特性：当受到光照时，半导体的电阻率随着 光照增强而下降，其导电能力增强。光电二极管、 光电三极管。,

2、1.1本征半导体 定义：纯净的具有晶体结构的半导体。 晶体结构 晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为 晶格。,图2 Si晶格,本征半导体的共价键结构 两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理 情况下达到电子饱和状态，形成稳定的化学结构叫 共价键。,图3 本征半导体共价键结构示意图,本征半导体中的两种载流子,价电子受热或受光照（即 获得一定能量）后，可挣 脱共价键的束缚，成为自 由电子（带负电），同时 共价键中留下一个带正电 的空穴。 在热激发下，本征半导体 中存在两种能参与导电的 载流子：电子和空穴。,图4 本征半导体中 自由电子和空穴,本征半导体的载流子的浓度,本征激发：半导体在热激

3、发下产生自由电子和空 穴对的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就 会填补空穴，使两者同时消失。 在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与 空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达 到动态平衡。即在一定温度下本征半导体的浓度是 一定的，并且自由电子与空穴浓度相等。 在常温下T=300K时，硅材料的本征载流子浓度,ni=pi=1.431010cm-3，锗材料的本征载流子浓度 ni=pi=2.381013cm-3。 1.2 杂质半导体 在本征半导体中掺入少量的杂质元素，就可得到 杂质半导体。 杂质半导体：N型半导体和P型半导体。 （1）N型半导体 在本征半导体中掺入五

4、价元素（磷、砷等）而 得到杂质半导体。,掺杂后，某些位置上的 硅原子被五价杂质原子（如磷 原子）取代。磷原子的5个价 电子中，4个价电子与邻近硅 原子的价电子形成共价键，剩 余价电子只要获取较小能量即 可成为自由电子。同时，提供电子的磷原子因带正 电荷而成为正离子。电子和正离子成对产生。上述 过程称为施主杂质电离。五价杂质原子又称施主杂 质。常温下施主杂质已被全部电离。,在N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓 度，称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。 N型半导体主要靠自由电子导电。 （2）P型半导体 在本征半导体中掺入三价元素（硼、铝等）而得 到的杂质半导体。,掺杂后，某些位置上的

5、硅原子被三价杂质原子（如硼 原子）取代。硼原子有3个价 电子，与邻近硅原子的价电子 构成共价键时会形成空穴， 导致共价键中的电子很容易 运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而 成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。上述过程 称为受主杂质电离。三价杂质原子又称受主杂质。常温下受 主杂质已被全部电离。,在P型半导体中，空穴是多子，自由电子是少子。 1.3 PN结 采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体 制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成PN 结。 （1）PN结的形成 扩散运动：物质总是由浓度高的地方向浓度低的 地方运动。,漂移运动：在电场力的作用下，载流子的运动。

6、,浓度差，于是P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散。,在一块本征半导体的两边掺以不同的杂 质，使其一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，则在它们交界处就出现了电子和空穴的,另一方面，随着扩散运动的 进行，扩散到P区的自由电子 与空穴复合，扩散到N区的空 穴与自由电子复合，P区一边,失去空穴留下负离子，N区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内建电场。内建电场方向由N区指向P区，它阻止多子扩散运动，而有利于P区和N区的少子漂移运动。随着扩散运动和漂移运动的进行，最后会达到一种动态平衡，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，形成PN结。,空间电荷区也称耗尽层，即在空间电荷

7、区能参与 导电的载流子已耗尽完毕；空间电荷区又称势垒区 ，势垒高度为U。 PN结动态平衡时,PN结形成过程总结,（2）PN结的单向导电性,PN结加正向电压 PN外加正向电压时， 内建电场被削弱，势 垒高度下降，空间电 荷区宽度变窄，这使 得P区和N区能越过势 垒的多数载流子数量大大增加，而反方向的漂移电 流要减小，扩散电流起主导作用。流过PN结的电流 随外加电压U的增加而迅速上升，PN结正向导通。,PN结加反向电压,PN结加反向电压时， 内建电场被增强，势垒 高度升高，空间电荷区 宽度变宽。这就使得多 子扩散运动很难进行， 扩散电流趋于零；而少子漂移运动处于优势，形成 微小的反向的电流。,流过

8、PN结的电流称为反向饱和电流(即IS)，PN结 呈现为大电阻。由于IS很小,可忽略不计,所以该状态 称为：PN结反向截止。 总结 PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电 流， PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的 反向饱和电流IS，考虑到IS0，则认为PN结截止。,（3）PN结的伏安特性,PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系为：,（1.1.2),式中Is为反向饱和电流，q为电子电量，k为波尔兹曼常数，T为热力学温度。将式（1.1.2）中的kT/q用UT取代，则得,（1.13）,常温下，T=300K时，UT26mV。,PN结外加电压时，当u0时，i随u按指数规律变化，称为正向特性

9、；当u小于0时，i-Is，称为反向特性。如反向电压超过一定的数值U（BR）后，反向电流急剧增加，称为反向击穿。,齐纳击穿：高掺杂 反向击穿 雪崩击穿：低掺杂 （4）PN结电容效应 势垒电容Cb 当PN结外加电压变 化时，空间电荷区的宽 度将随之变化，即耗尽 层的电荷量也将发生变 化，这种现象等效的电容，我们就称为势垒电容。,扩散电容Cd PN结加正向电压时， P区的空穴注入到N区， 同时，N区的电子注入 到P区，称为非平衡少 子。靠近耗尽层的非平 衡少子浓度高，远离交界面的地方浓度低，形成一 定的浓度梯度。当外加电压变化时，非平衡少子的 浓度也会发生变化，这个电容效应称为扩散电容。,2 半导体

10、二极管,将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成 半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为 阳极，由N区引出的电极为阴极。,（1）二极管常见结构,点接触型：结面积小，电容小，适用于高频工作 常见结构 面接触型：结面积大，电容大，适用于低频。 平面型：结面积可大可小。,图 二极管的符号,（2）二极管的伏安特性 二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。 二极管的伏安特性与PN结近似（区别：二极管,存在半导体体电阻、引线电阻和表面漏电流）。 在近似分析时，任然用PN结的电流方程式描述 二极管的伏安特性。,正向特性：实测二极管的伏安特性发现，存在开启 电压

11、（死区电压）Uon，只有当加正向电压大于开启 电压时，电流才从零随端电压指数规律增加。导通 电压硅管0.6-0.8，锗管0.1-0.2。 反向特性：存在反向饱和电流Is和击穿电压U(BR)。 温度特性：环境温度升高时，二极管的正向特性曲 将左移，反向特性曲线将下移。,温度对二极管伏安特性的影响,（3）二极管的主要参数 （1）最大整流电流IF 最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。 （2）最高反向工作电压UR UR是二极管工作时允许外加的最大反向电压， 通常为反向击穿电压U（BR)的一半。 （3）反向饱和电流IS 它是指管子没有击穿时的反向电流值。其值愈

12、小，说明二极管的单向导电性愈好。,（4）最高工作频率fM fM是二极管工作的上限截止频率。,（4）二极管的等效电路 能够模拟二极管的等效电路称为二极管的等效电路，也成为二极管的等效模型。,图a 所示的折线化表明二极管导通时正向压降为零，截止时反向电流为零，成为理想二极管。 图b 表明二极管导通时正向压降为一个常量Uon，截止时反向电流为零。 图c 表明二极管正向电压U大于Uon后其电流I与U成线性,关系，直线斜率为1/rD。二极管截止时反向电流为 零。 三个模型中，图a误差最大，图c误差最小，图b 应用最普遍。,例：求电流I,例：求开关断开和闭合时电阻R上的电压U0。,二极管的微变等效电路,二

13、极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效为一个微变电阻rd，且rd=D/iD。,（5） 稳压二极管 稳压管是一种面接触型二极管。这种管子的杂质浓度比较大，容易发生反向击穿，其击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化，从而达到稳压的目的。稳压管工作于反向击穿区，广泛用于稳压电源与限幅电路。,稳压管的伏安特性,稳压管的主要参数,稳定电压Uz：Uz是在规定电流下稳压管的反向击 穿电压。 稳定电流IZ：它是指稳压管工作在稳压状态时， 稳压管中流过的电流，有最小稳定电流IZmin和最大 稳定电流IZmax之分。 额定功耗PZM:等于稳压的稳定电压Uz与最大稳定 电流IZmax的乘积。 动态电

14、阻rz：是稳压管工作在稳压区时，端电压变 化量与其电流变化量之比。,温度系数：表示温度每变化1。C时，稳压管的 变化量。,（6）其它类型二极管,发光二极管：在正向导通其正向电流足够大时， 便可发出光，光的颜色与二极管的材料有关。广 泛用于显示电路。,发光二极管符号,光电二极管：光电二极管是远红外接收管，是一 种将光能转换为电能的器件。光电二极管工作于 反偏状态。其反向电流与光照度E成正比关系。 广泛用于遥控、报警等。,例：限幅电路中VD二极管的正向导通电压忽略不记，求uO(t)并画出波形。,解：uO(t)取决于VD 是否导通,什么时候导通。,晶体三极管中有两种不同的载流子参与导电，又 称为双极

15、型晶体管（BJT），又称为半导体三极管 ，简称晶体管。,3 晶体三极管,（1）晶体三极管结构及类型,三极管是通过在一块 硅片上制造出三个掺杂的 区域，并形成两个PN 结，就构成晶体三极管。,发射区：掺杂浓度最大，引出的电极称为发射极。 基区：掺杂浓度最小，且很薄，引出的电极称为基极。 集电区：发射极面积大，引出的电极称为集电极。,（2）晶体管的电流放大作用 放大是对模拟信号的基本处理。晶体管是放大电 路的核心元件，它能够控制能量的转换，将任何输入 的微小信号不失真的放大输出。,晶体管的符号,要实现三极管的电流放大作用，首先要给三极管 各电极加上正确的电压。三极管实现放大的外部条 件是：其发射结

16、必须加正向电压（正偏），而集电 结必须加反向电压（反偏）。,一 、晶体管内部载流子的流动,晶体管内部载流子运动与外部电流（u=0）,NPN管为例,（1）发射区向基区发射自由电子，形成发射极电 流IE。 （2）自由电子在基区与空穴复合，形成基极电流IB。 （3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子， 形成集电极电流IC。,二 、晶体管的电流分配关系,从外部看,三、晶体管的电流放大系数,表示，受发射结电压控制的电流IB 对集电极正向受控电流ICn的控制能力。,若有输入电压uI作用，则晶体管的基极电流和集 电极电流都将在直流的基础上叠加一个动态电流， 记为ic和iB。 ic和iB之比称为共射交流电流,式中ICEO称为穿透电流，物理意义是，当基极开路 时，在集电极电源VCC作用下的集电极与发射极之 间形成的电流，而ICBO是发射极开路时，集电极的 反向饱和电流。一般情况下， 所以,放大系数，记作，即：,在交流小信号的情况下，通常可以做如下近