模拟集成电路基础

《模拟集成电路基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟集成电路基础（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、制作：路 勇(第一、二、三、四、七章)李金平（第八章）祁 英（第六章）张玉慧（第五章）1999年12月 第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章绪 论绪 论1.1904年发明了真空二极管 第一代电子器件诞生。2.1948年研制出晶体三极管 第二代电子器件出现。3.50年代末研制出集成电路 第三代电子器件出现。4.近几十年来集成电路发展成小规模、中规模、大规模及超 大规模（几十平方毫米的片子上，可集成上百万个元件）5.电子技术学科可划分为两类：(1).模拟电子技术：可细分为高频、低频，主要研究对模拟信 号的处理。(2).数字电子技术：研究逻辑电路，对数字信号进行处理。电子技术与日常生活息

2、息相关、其发展随器件的发展经历了 以下几个阶段：第一章 晶体二极管及其应用半导体的基础知识PN结与晶体二极管光电二极管和发光二极光二极管的应用第一节第二节第三节第四节一、半导体的特性： 1.什么是导体、绝缘体、半导体： (1).导体：导电性能良好的物质。(3).半导体：导电能力介于导体和半导体之间。第一节 半导体基础知识2.半导体的特性：(1).掺杂特性。(掺入杂质则导电率激增)(2).热敏特性。(温增则导电率显增)(3).光敏特性。(光照可增加导电率、产生电动势)导电率为105s.cm-1 量级，如：金、 银、铜、铝。(2).绝缘体：几乎不导电的物质。导电率10-22-10-14 s.cm-

3、1 量级，如：橡胶、云母、 塑料等。导电率为10-9-102 s.cm-1 量级，如：硅、锗、 砷化镓等。二、本征半导体 ： (一)硅和锗晶体的共价健结构1.硅和锗均为4价元素。2.晶体中晶格决定原子间按一定规律排列得紧密。（四面体结构）3.外层电子成为共价键。+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体：完全纯净、结构完整的半导体晶体。（二）两种载流子电子和空穴T=300K 时: 少数载流子获得能量,从价带导 带自由电子，(本正激发)自由电子 导带禁带Eg价带空穴载流子的能带图T=0K 时: 价电子被束缚在价带内，晶体中 无自由电子.1.电子空穴对： 电子和空穴是成对产生的.价电子在原位置

4、留下空位空穴。两种载流子电子和空穴2.自由电子载流子： 在外电场作用下形成电子流（在 导带内运动）， 方向与电场方向相反。外电场E 的方向电子流空穴流E载流子的能带图3.空穴载流子：在外电场作用下形成空穴流（在价 带内运动），方向与电场方向相同4.漂移运动： 载流子在电场作用下的定向运动。导带禁带价带自由电子空穴（三）载流子的浓度 ni=A0T3/2e- EG /2kT (1-1) A 0与材料有关的常数。 EG禁带宽度。T绝对温度。 K玻尔兹曼常数。 ni 与温度T和禁带宽度EG有关。本征半导体 中电子的浓度本征半导体 中空穴的浓度p(空穴浓度):表示单位体积的空穴数。 (pi)n(电子浓度

5、):表示单位体积的自由电子数。（ni）当材料一定时：载流子的浓度主要取决于温度；温度增加使导电能力激增。且温度可人为控制 。(四)载流子的产生与复合 ni（电子浓度）：是动态平衡值。 g(载流子的产生率):每秒成对产生的电子空 穴的浓度。 R(载流子的复合率)：每秒复合的载流子的浓 度。 当g=R时：R=rnipi (1-2) 其中r是和材料有关的系数三、杂质半导体3.在N型半导体中： 自由电子为多数载流子 空穴为少数载流子+4+4+4+4+5+4+4+4+4（一）N型半导体1.在四价元素中掺入五价元 素砷，五价元素与周围四个 原子形成共价健，余下一个 电子成为自由电子。2.砷原子贡献一个电子

6、（在电场 作用下成为自由电子） 施主杂质（正离子）杂质半导体3.在P型半导体中： 空穴为多数载流子 自由电子为少数载流子+4+4+4+4+3+4+4+4+4（二）P型半导体1.在四价元素中掺入三价元素铟： 三价元素与周围四个原子形成共价 健，因缺少一个电子形成“空穴” 。2.铟原子在电场作用下接受一个电子受主杂质（负离子） 在杂质半导体中，尽管杂质含量很少，但提供的载流子以数量计算仍远大于本征半导体中载流子的数量。例如：T=300k时，锗本征半导ni=2.5*1013/cm3,锗原子密度为 4.4*1022/cm3,若掺入砷原子是锗原子密度的万分之一。 则施主杂质浓度为： ND=10-4*4.

7、4*1022=4.4*1018/cm3 （比ni大十万倍）（三）、杂质半导体的载流子浓度在杂质型半导体中：多子浓度比本征半导体的浓度大得多；载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使导电能力激增 。结 论半导体的热敏性；半导体的掺杂特性；半导体的光敏性特性；是可人为控制的。结论第二节 PN 结与晶体二极管(1).两种半导体结合后，由于浓度差产 生载流子的扩散运动 结果产生空 间电荷区耗尽层（多子运动）。+PN载流子要从浓度大 区域向浓度小的区域 扩散,称载流子的扩散 的运动(2).空间电荷区产生建立了内电场 产生载流子定向运动（漂移运动）(3).扩散运动产生扩散电流；漂移运动 产生漂移电流。动

8、态平衡时：扩散电流=漂移电流。 PN结内总电流=0。 PN结的宽度一定 。把载流子在电场作 用下的定向移动称 为漂移运动一.PN结的基本原理： （一）.PN结的形成：当扩散运动内电场漂移运 动扩散运动动态平衡。自由电子空穴+PN+(2).接触电位 V决定于材 料及掺杂浓度：硅： V=0.7锗： V=0.2+PNPN结的接触电位V(二)PN结的接触电位：(1).内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V(又称为位垒)。(3).其电位差用 表示+(1).Uq(V-U)位垒高度 耗尽层变薄扩散运动(多子) 扩散电流1.PN结加正向电压时： ( 内电场)与U方向相反+PN+Q(V-U)扩散

9、U（三）PN结的单向导电性 (2).位垒高度 漂移运动 （少子） 漂移电流(3).正向电流决定于扩散电流。 此时PN结导通。I漂移(1).Uq(V-U)位垒高度 耗尽层变薄扩散运动(多子) 扩散电流2.PN结加反向电压时： ( 内电场)与U方向相同+PN+Q(V+U)扩散U(2).位垒高度 漂移运动 （少子） 漂移电流(3).反向电流决定于漂移电流 此时PN结截止。I漂移Is 饱和电流; UT=kT/q 为温度电压当量。k 波尔兹曼常数； (T=300k;时 UT=26mv)二.PN结的电流方程：由半导体物理可推出：当加正向电压时：当加正向电压时： I-Is 当加正向电压时：I随U，呈指数规率

10、。PN符号结构IUIsPN结的理想特性三.二极管的结构与伏安特性：(一) . 二极管的结构：如图所示。(二).理想伏安特性：二极管两端电压与流过电流之间关系：当加反向电压时： I=Is ，基本不变。1.正向起始部分有门限电压： 硅：Ur=0.5-0.6v; 锗：Ur=0.1-0.2v2.加反向电压时，相同温度下： Is硅(nA,10-9)EG(Ge)3.当反压大时，反向击穿，击穿 电压为UB(三).实测伏安特性 ：IIsU硅管的伏安特性0Ur与理想的伏安特性的差别：IU锗管的伏安特性Is0UrUB 正向电压时：(1).OQ斜率的倒数是正向电阻R。(2).R与Q有关，Q不同,R也不同(3).反向

11、电压时：I很小，R很大。IDUD D0IUQUDID为非线性电阻：用静态电阻和动态电阻描述(一).直流电阻：四.晶体二极管的电阻：定义为：R=UD/ID; 工作点tg= ID/ UD=1/R二极管的正 向伏安特性(2).MN的斜率: tg= I/ U=-1/ RL0UIIDED DRLUDEDMED/ RLN(1).MN为直流负载线。UD=ED-IDRL; ID=f(UD) 两条曲线的交点为静态工作点Q：(二).静态工作点：Q(3).直流电阻: R=UD/IDQUDID 作Q的切线，则有: r=U/I; 或r=dU/dI 因为： I=Ise U/ nUT; 交流电导： g=dI/dU=I/(n

12、UT) 交流电阻：r=1/g= nUT/I 若n=1,室温下：UT=26mv 交流电阻：r=26mv/ ID(mA)UEDDRLiDIQ0UU I(三).交流电阻： 二极管工作时既有直流，又有交流。(三).交流电阻：(一).反向击穿现象: 反向电压超过一定值时导致二极管击穿，分为电击穿热击穿 1.电击穿: (1).雪崩击穿：当U，载流子获得能量高速运动，产生碰撞 电离，形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流I。(2).齐钠击穿：当U，强电场直接破坏共价键。将电子拉出 来，形成大量载流子,使反向电流I。 2.热击穿: 当U，时,耗散功率超过PN结的极限值,使温度升高,导致PN 结过热烧毁.五.PN

13、结的反向击穿和稳压二极管 ： 稳压管工作在反向击穿状态： 反压UUZ时:反向电流 I, UZ稳 定。 最大工作电流 IZmax，取决于最大 耗散功率。2.特点：(1).工作在反向工作区。 (2).工作电压要超过反向击穿电压 。UI0UZIZUZ稳压管符号:1.原理：(二).稳压二极管：(一).势垒电容CT: 把PN结看成平板电容器，加正向电压或反向电压时像电容的充放电。（此电容效应为势垒电容） (二).扩散电容CD: 扩散电容是由载流子在扩散过程中的积累引起的电容。 （三）变容二极管： 利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。 符号六.晶体二极管的电容和变容二极管：二.发光

14、二极管： 定义：当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光。 类型：发光的颜色有红，黄，绿，蓝，紫。 用途：主要用于显示。第三节 光电二极管与发光二极管符号符号光电器件可分为两大类： 1.光敏器件：把光能转变成电能的器件。2.发光器件：光辐射器件，把电能转变成光能的器件。一.光电二极管： 定义：有光照射时，就有电流产生的二极管。 类型：有PN结型，PIN结型，雪崩型。 用途:光电池（光电二极管其PN结工作在反向偏置状态）第四节 二极管的应用一.整流电路： 把交流变成直流的电路。 （一）半波整流： 输入交流电压： e2=Em2sint 经整流， 直流输出电压为：（平均值 ）=Em2/=0.318Em2 =0.45E2 E2为e2的有效值优点：电路简单 缺点：输出直流 电压低（二）全波整流 输入交流电压：e2=Em2sint 经整流后，直流输出电压为半波的两倍：Udc=Udc(半)=0.9E2E2为e2的有效值优点：输出电压高 缺点：变压器需要 抽头（三）桥式整流 ： 输入交流电压：e2=Em2sint 经整流直流输出电压： U