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1、模拟电子技术基础,第1章 半导体器件,第2章 放大电路,第3章 放大电路的负反馈,第4章 集成运算放大器及其应用,第5章 低频功率放大电路,第6章 正弦波信号振荡电路,第7章 直流稳压电源,第8章 模拟电子电路的读图,第一章 半导体器件,1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4 场效应管,1.1 半导体的基本知识,半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。,1.1.1 半导体的特征,导体 自然界中很容易导电的物质称为导体， 金属一般都是导体。 =109/cm 如：橡胶，塑料,半导体
2、：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质， 如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。所以称它们为4 价元素,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,热敏特性温度每升高8，导电能力增强一倍,光敏特性有无光线照射，导电能力相差上千倍,掺杂特性在本征硅中掺入亿分之一的硼，可使其导电能力增强两万倍以上。,1热激发产生自由电子和空穴,1.1.2 本征半导体,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 纯度达99.9999999% “
3、9个9” 林兰英在T=0K（-273oC）时半导体不导电，如同绝缘体一样。在物理结构上呈单晶体状态.,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,硅晶体的空间排列,硅,锗,四价元素,室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。,每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。,共有：一会儿绕着我转，一会儿绕着它转。,当温度 T
4、 = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,图 1.1.1 本征半导体结构示意图,本征半导体：,完全纯净，结构完整的半导体晶体。,纯净：晶体中只有Si一种原子。,结构完整：结构为四面体没有缺陷。,无杂质,稳定的结构,图 1.1.2 本征半导体中的 自由电子和空穴,自由电子,空穴,若 T ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。(这种现象称为本征激发或热激发）,T ,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,本征半导体中的载流子,载流子：能运载电荷的粒子。,蹦出多少自由电子，就有多少空穴。,自由电子在电场的作用下，定
5、向移动形成的电流称为漂移电流。,两种载流子：自由电子(带负电荷)，空穴(带正电荷)。,在电场的作用下，电子形成电子电流，空穴形成空穴电流。虽然两种载流子的运动方向相反，但因它们所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向是相同的，它们的和即是半导体中的电流。,（与自由电子的运动不同）,2空穴的运动,带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。,半导体导电靠自由电子和空穴，这就是半导体的导电机构，也是半导体的特殊性质。,本征半导体的特点:,自由电子数=空穴数。温度越高,数量越多。,热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失
6、，称为复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。,本征载流子的浓度为：,ni、pi分别表示电子和空穴的浓度(个/cm3)。下标i表示相应的本征载流子浓度。T为热力学温度(K)；k为玻耳兹曼常数(8.6310-5ev/k)；EGO为热力学零度时破坏共价键所需要的能量，又称为禁带宽度，k1是与半导体材料有关的常数。,（了解一下，不作要求）,T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.431010/cm3,本征锗的电子和空穴浓度: n = p =2.381013/cm3,3.在纯净半导体中掺入某些微量杂质，其导电能力将大大增强,1.1.3 杂质半导体,本征半导体的自由电子
7、和空穴两种载流子总是成对出现的，对外呈电中性，导电能力很低。 如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)就会使半导体的导电性能发生显著变化。,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。,杂质半导体,N 型半导体,P 型半导体,N型半导体的结构,自由电子,多数载流子（简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,1. N型半导体(Negative),在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。,本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键
8、，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。 自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。,N型半导体,+5,多一个价电子,掺杂,（2） P型半导体（ Positive）,+4,空穴,自由电子,多数载流子（简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。,空穴浓度多于电子浓度，即 p n。,说明：,1.掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。,3. 杂质半导体（无论是P型半导体还是N型半导体）总体上保持电中性，对外不显电性。,4. 杂质半导体
9、的表示方法如下图所示。,2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(a)N 型半导体,(b) P 型半导体,图 杂质半导体的的简化表示法,。,杂质半导体的导电性能,在杂质半导体中，多子是由杂质原子提供的，而由本征激发产生的少子浓度则因与多子复合机会的增多而大大减少。,举例:本征半导体中,问:若有1万个自由电子,有多少个空穴?,问:若加100万个磷原子,有多少自由电子、空穴?,答:1万个空穴。,答:不到101万个自由电子。,因为自由电子和空穴还要复合,这时空穴就不是1万个,只有100个，104104=106102。,杂质半导体中多子越多,则少子就越少。,结论:多
10、子、少子都参加导电。,多数载流子的数量取决于所掺杂质的多少，与温度基本无关。,少数载流子的数量取决于温度,温度升高,少数载流子呈指数上升。,漂移运动。扩散运动。,1PN结的形成,1.1.4 PN结及其单向导电性,在一块完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结，PN结是构成各种半导体器件的基础。,P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于交界面两侧多子和少子的浓度有很大的差别，N区的电子必然向P区运动，这种由于浓度差引起的运动称为扩散运动。,PN 结中载流子的运动,1. 扩散运动,2. 扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴
11、浓度差形成多数载流子的扩散运动。, PN 结，耗尽层。,耗尽层,图1.1.5 PN结的形成,3. 空间电荷区产生内电场,空间电荷区,空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4. 漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,5. 扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小； 随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。,对称结：正离子区宽度=负离子区宽度,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,不对称结：,多子扩散,形成空间电荷区产生内
12、电场,少子漂移,促使,阻止,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,2PN结的单向导电性,P区接电源正极，N区接电源负极(正向偏置)。外电场与内电场相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏，外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区，抵消一部分空间电荷，于是整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多子的扩散运动加强,形成较大的扩散电流，PN结导通，这时PN结呈现的电阻很低，叫“正向电阻”。如图1.1.6所示。,(1)外加正向电压(正向偏置),图 1.1.6,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,(2)外加反向电压(反向偏置),P区接电源的负极,N区接电源正
13、极(称反向偏置),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I ；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,图 1.1.7PN 结加反相电压时截止,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高， IS 将急剧增大。,当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流， PN 结处于 导通状态； 当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。,（动画1-4）,（动画1-5）,综上所述：,可见， PN 结具有单向导电性。,IS
14、 ：反向饱和电流UT ：温度的电压当量,PN 结的电流方程,PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为,公式推导过程略,（了解一下，不作要求）,在常温(300 K)下， UT 26 mV,PN结的伏安特性,i = f (u )之间的关系曲线。,正向特性,反向特性,图 1.1.10PN结的伏安特性,反向击穿齐纳击穿雪崩击穿,（了解一下，不作要求）,PN结的电容效应,当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。,电容效应包括两部分,势垒电容,扩散电容,1. 势垒电容Cb,是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。,(a) PN 结加正向电压,（b) PN 结加反
15、向电压,空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。,（了解一下，不作要求）,2. 扩散电容 Cd,是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。,综上所述：,PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。,Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。,在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。,（了解一下，不作要求）,一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。,1.2 半导体二极管,1.2.1 二极管的结构及符号,1、构成：,2、符号：,VD,（1） 点接触型二极管:(锗管多),PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,
