《模拟电子电路第一章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子电路第一章（106页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第一章 半导体器件基础, 1.1 半导体的基础知识, 1.2 半导体二极管, 1.3 双极型晶体管, 1.4 场效应晶体管,2,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 导体、半导体和绝缘体,自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,3,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。比如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。(光敏性/热敏性)用于制造光/热敏元件,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使
2、它的导电能力明显改变。(渗杂性),4,1.1.2 本征半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,5,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,在硅和锗本征半导体中，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。下面看硅和锗的共价键结构图形。,6,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子称为慣性核,7,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，常温下束缚电子很难脱
3、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。,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。,8,本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使少数一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,9,本征半导体的导电机理,自由电子,空穴,束缚电子,10,本征半导体的导电机理,空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷
4、的移动，因此可以认为空穴是载流子。,11,本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。即成对产生的电子和空穴。,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,12,1.1.3 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。,13,N型半导
5、体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,14,N型半导体,多余电子,磷原子,15,N型半导体,N型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,16,P型半导体,在硅或锗晶体
6、中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,17,空穴,P型半导体,硼原子,18,总 结,1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,19,杂质半导体的示意表示法,20,1.2
7、 半导体二极管,1.2.1 PN 结的形成,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。,21,P型半导体,N型半导体,空间电荷区：耗尽区,PN结处载流子的运动,扩散运动（即载流子由浓度高地方向浓度低的地方运动，称为扩散运动）,22,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,23,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，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。,24,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,25,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空
8、间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,请注意,26,1.2.2 PN结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P区加正、N区加负电压。,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N区加正电压。,27,PN结正向偏置,P,N,+,_,正向外电场作用下，P区的空穴进入PN节，中和了部分负离子，N区的电子进入PN节，中和了部分正离子，这样PN节（耗尽区）变薄，内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。,28,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向
9、电流。,29,PN节电流方程：,u:PN节所加的电压 UT:给定常数，一般在T=300K， UT26mv Is:反向饱和电流,30,1.2.4 半导体二极管,1、基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型 （整流电流较小，极间电容较小，频率较高）,31,面接触型,32,2、伏安特性,死区电压Uth 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。此时正向电流比较大,反向击穿电压U(BR),1正向特性 2反向特性 3反向击穿特性,33,3、主要参数,（1）最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,（2）反向击
10、穿电压VBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VWRM一般是VBR的一半。,34,（3）反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、保护等。下面介绍两个交流参数。,35,（4）微变电阻 rD,vD,rD是二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD
11、是对Q附近的微小变化量的电阻。,36,（5）二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,37,( 1）二极管的等效模型分析方法1.理想模型(当电源电压远远大于管压降),iD,vD,4、二极管的分析方法,38,2.恒压降模型（认为二极管导通，其管压降恒定）,vD,iD,Uon0.7,39,3.折线等效（认为二极管导通后的管压降随着二极管的电流增加而增加，既等效死区电压电阻）,vD,iD,rd,一般来说，电阻rd固定取值200欧姆,Uth=0.5v,40,（4）小信号模型：如果二极管在它的V-I特性的,某一小范围内工作，例如静态工作点Q（此时有,uD
12、=UD、iD=ID）附近工作，则可把V-I特性看成,一条直线，其斜率的倒数就是所求的小信号模型,的微变电阻rd。,41,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图所示。,特殊二极管包括稳压管、光电二极管、 发光二极管等，下面着重介绍稳压二极管。,特殊二极管,42,1.2.5稳压二极管,U,UZ,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,43,稳压二极管的参数,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,44,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmian。,（5）最大允
13、许功耗,45,1.2.6 光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,46,1.2.7发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,47,二极管应用：,整流,逻辑门 电平移动，稳压管特性,限幅,48,1.3 双极型晶体管,1.3.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,49,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,50,半导体二极管图片,51,发射结,集电结,52,1.3.2 电流放大原理,EB,RB,Ec,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P
14、区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,53,EB,RB,Ec,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,54,IB=IBE-ICBOIBE,55,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,NPN：,PNP:,硅：,锗：,56,NPN型三极管,PNP型三极管,IE=IC+IB,57,1.3.3 特性曲线,IC,实验线路,58,（1）输入特性,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V
15、。,59,（2）输出特性,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,60,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,61,此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,62,（3）主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,1.电流放大倍数,共基直流电流放大倍数：,63,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则共射交
16、流电流放大倍数为：,共基交流电流放大倍数,64,例：UCE=6V时：IB=40A, IC=1.5mA； IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,65,2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,66,3.集-射极反向截止电流ICEO,67,B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区，形成IBE。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流 IBE。,集电结反偏有ICBO,68,4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,所以集电极电流应为：IC= IB+ICEO,而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,
