模电幻灯片第一章

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1、2019/4/23,电子电路基础,北京邮电大学 电子工程学院 信息与电子技术研究室：王卫东 Email： 课件下载网址：,2019/4/23,推荐教材,电子电路基础-刘宝玲-高等教育出版社 模拟电子技术基础（第四版）-华成英、童诗白高等教育出版社 电子技术基础（模拟部分第五版）-康华光高等教育出版社 电子线路（第五版）-谢嘉奎-高等教育出版社,2019/4/23,课程目的,学习常用半导体器件的外部特性，掌握放大、波形变换等单元电路的工作原理、性能特点、基本分析方法 培养对集成电路的运用能力和基本的工程估算能力,2019/4/23,考察方法,考试期中考试、期末考试 作业周三交作业 (请同学们注意

2、，在作业本上要写清自己的姓名、班级及学号) 实验虚拟仿真实验,2019/4/23,知识构架,第一章 半导体基础知识及二极管电路 第二章 双极型晶体管及其放大电路 第三章 场效应晶体管及其放大电路 第四章 小信号放大电路的频率特性 第五章 反馈放大电路 第六章 模拟集成电路及其应用 第七章 脉冲信号的产生与处理电路,2019/4/23,第一章 半导体基础知识及二极管电路,半导体的基本特性 半导体二极管的工作原理及特性 半导体二极管电路,2019/4/23,能力要求,理解半导体导电载流子的概念 理解PN结及二极管的单向导电性 掌握二极管的模型和伏安特性 熟悉基本的二极管参数,2019/4/23,1

3、.1 半导体的基本特性,物质根据导电能力(电阻率)的区分 导体 109cm （如塑料、陶瓷、天然矿物油、空气等） 半导体 10-3cm 109cm 常见的半导体材料： 硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs),某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。,2019/4/23,1.1 半导体的基本特性,半导体的特性： 半导体的电阻率可以随外界因素的变化而变化，主要表现为： 掺杂特性 热敏特性 光敏特性,2019/4/23,2019/4/23,1.1 半导体的基本特性,K,L,M等非外层电子数目满足,2019/4/23,1.1.1本征半导体,什么是本征半导体?

4、化学成分纯净的半导体 本征半导体的共价键结构 邻近原子的价电子形成共价键，价电子为这些邻近的原子所有，并被其束缚，在空间形成排列有序的晶体。,2019/4/23,1.1.1本征半导体,本征激发 当温度大于0K时，价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚，激发为自由电子。 电子-空穴对 价电子成为自由电子，原有共价键的位置留出一个呈正电性的空穴。 电子和空穴成对出现 载流子 运载电荷的粒子。,2019/4/23,1.1.1本征半导体,复合 当T0K时，半导体本征激发产生的游离自由电子回到空穴中的过程 热平衡状态 本征激发和复合在一定的温度下达到的动态平衡 温度一定时，载流子浓度一定,2019/4/

5、23,1.1.1本征半导体,载流子浓度 电子浓度n 空穴浓度p 本征载流子浓度: 本征半导体中电子和空穴的浓度，只和温度和材料有关 热平衡状态: n0=p0=ni n0p0=ni2,2019/4/23,1.1.1本征半导体,本征载流子浓度和温度的关系,本征载流子中载流子浓度与环境的温度密切相关，所以本征半导体工作具有热不稳定性,2019/4/23,1.1.2掺杂产生两种半导体,本征半导体的特点 电子浓度=空穴浓度 载流子浓度低，导电性差 温度稳定性差 杂质半导体 掺入某些微量元素，改善半导体的导电性 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体,本征半导体,N型半导体,P型半导体,掺杂,2019/4/2

6、3,1.1.2掺杂产生两种半导体,N型半导体：在本征半导体中掺入磷等五价元素 在N型半导体中，自由电子是多数载流子，主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。 提供自由电子的五价磷原子因带正电荷而称为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。 热平衡时自由电子浓度：,2019/4/23,N型半导体示意图,2019/4/23,1.1.2掺杂产生两种半导体,P型半导体：在本征半导体中掺入硼等三价元素 在P型半导体中，空穴是多数载流子，主要由杂质原子提供；自由电子是少数载流子，由热激发形成。 提供空穴的三价硼原子因带负电荷而称为负离子，因此三价杂质原子也称为受主杂质。,2019/4/23,P

7、型半导体示意图,2019/4/23,1.1.2掺杂产生两种半导体,杂质对半导体导电性的影响 掺杂对本征半导体的导电性有很大影响 T=300K时，本征硅的电子和空穴浓度： n = p = 1.5*1010/cm3 掺杂后N型半导体中自由电子浓度： n = 5*1016/cm3 掺杂后N型半导体中空穴浓度： p = 4.5*103/cm3 本征硅的原子浓度 4.96*1022/cm3 浓度基本上依次相差106/cm3,2019/4/23,1.1.3半导体中载流子的两种运动,载流子在半导体中的运动 载流子的扩散运动 热平衡状态：温度不变，且无其他激发，载流子浓度分布均匀 非热平衡状态： 若半导体某部

8、分受到光照，或者从某一区域注入载流子，使载流子浓度分布不均匀，热平衡状态被破坏 载流子的扩散运动形成扩散电流,2019/4/23,1.1.3半导体中载流子的两种运动,载流子在半导体中的运动 载流子的漂移运动 原因：载流子在电场作用下产生定向运动 载流子的漂移运动形成漂移电流，电场越强，电流越大 半导体相当于一个电阻，称为体电阻，电阻值取决于掺杂浓度、半导体的形状、温度等,载流子的漂移运动,外电路的电流空穴漂移电流电子漂移电流,2019/4/23,1.2半导体二极管的工作原理及特性,半导体二极管是利用杂质半导体制成的，其核心器件是PN结,本征半导体,掺杂,N型半导体,P型半导体,PN结,掺入五价

9、杂质元素， 电子是多数载流子， 空穴是少数载流子,热激发产生电子-空穴对，直至热平衡；载流子：电子和空穴,掺入三价杂质元素， 空穴是多数载流子， 电子是少数载流子,2019/4/23,1.2.1PN结及其单向导电性,P区,N区,空穴,负离子,正离子,自由电子,空间电荷区,内建电场E,低电势,高电势,PN结的形成,P,N,P,P,P,P,N,P,P,N,P,P,N,P,P,P,N,P,P,N,P,N,P,N,P,N,N,N,N,P,N,P,N,N,N,内建电场阻止多子扩散,内建电场促使少子漂移,动态平衡情况下的PN结,2019/4/23,1.2.1PN结及其单向导电性,动态平衡情况下的PN结 若

10、T不变，交界面两侧空间电荷量，空间电荷区宽度，内建电场E等参数维持不变，漂移与扩散运动达到动态平衡 空间电荷区内仍然存在载流子，但浓度远小于中性区内载流子浓度,2019/4/23,1.2.1PN结及其单向导电性,接触电势差V（电位势垒，势垒） 由于PN结内电荷和内建电场的存在，空间电荷区形成的电位差称为接触电位差 在室温下，硅的电位差：0.60.8V 锗的电位差：0.20.3V 温度升高，电位差减小；温度每升高1，电位差大约下降22.5mV,掺杂浓度,本征浓度,2019/4/23,1.2.1PN结及其单向导电性,势垒宽度WD (1)动态平衡时 (2)掺杂浓度与势垒宽度成反比,势垒区的宽度主要分

11、布在掺杂浓度较低的一侧,2019/4/23,1.2.1PN结及其单向导电性,PN结加正向电压的导电情况 P区的电位高于N区的电位，PN结正偏 E外与E内方向相反，削弱了内电场的作用 阻挡层内合成电场减小 多子扩散运动加强 空间电荷区变窄 形成正向电流，方向P-N E外越大，电流越大 PN结呈现低阻性,2019/4/23,1.2.1PN结及其单向导电性,PN结加反向电压时的导电情况 N区的电位高于P区的电位，PN结反偏 E与E方向相同，加强了内电场的作用 阻挡层内合成电场增大 空间电荷区变宽 漂移电流大于扩散电流,在一定温度下，本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流恒定，基本上与所

12、加的反向电压大小无关，这个电流称为反向饱和电流IS,2019/4/23,1.2.1PN结及其单向导电性,PN结的重要特性：单向导电性 PN结正偏时呈低阻，反偏时呈高阻 PN结具有单向导电性,2019/4/23,1.2.2二极管的结构和类型,在PN结上加上引线和封装即为二极管 分类：点接触型、面接触性、平面型 (1)点接触型二极管,二极管的电路符号,点接触型二极管的PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,2019/4/23,1.2.2二极管的结构和类型,(2)面接触型二极管,(3)平面型二极管,面接触型二极管PN结面积大，用于低频大电流整流电路。,平面型用于集成电路制造工艺，PN结面

13、积可大可小，用于整流和开关电路,2019/4/23,1.2.3二极管的伏安特性,二极管的电流方程,室温下： 硅Is0.1微安 锗Is几十微安,式中Is为反向饱和电流， VD为PN结两端的电压降，VT=kT/q为温度的电压当量，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度 室温下，T=300K， VT =26mV T=290K， VT =25mV,2019/4/23,1.2.3二极管的伏安特性,二极管的电流方程 正向时 反向时 伏安特性曲线 非线性，不符合欧姆定律,二极管的伏安特性曲线,注意：非线性模型的线性化问题,2019/4/23,1.2.4二极管的反向击穿特性,PN结加反向电压时 外加

14、电压有一部分降落到PN结区，PN结内电场方向相同，加强了内电场，PN结呈现高阻性，iD基本上为常数。 若反向电压vD过大，流过PN结的电流iD急剧增加，直至发生击穿 电击穿可逆，可制成稳压管 齐纳击穿 雪崩击穿 热击穿 不可逆，毁坏二极管,2019/4/23,1.2.4二极管的反向击穿特性,电击穿：雪崩击穿 产生条件 掺杂浓度较低的PN结 反向电压足够大 产生机理 对于掺杂浓度低的PN结，空间电荷区足够宽 随场强增大，少子在电场中的漂移速度加快，发生碰撞电离，引起连锁反应 击穿电压V(BR)6V 雪崩击穿电压具有正温度系数,2019/4/23,1.2.4二极管的反向击穿特性,电击穿：齐纳击穿

15、产生条件 掺杂浓度很高的PN结 反向电压足够大 产生机理 对于掺杂浓度很高的PN结，空间电荷区较窄； 随场强加大，这个场强可能把空间电荷区中的原子的价电子直接从共价键拉出，形成大量电子-空穴对 击穿电压V(BR)6V 齐纳击穿电压具有负温度系数,2019/4/23,1.2.4二极管的反向击穿特性,热击穿 产生条件 PN结产生的热量无法及时散出 产生机理 PN结功耗过大，结温过高，产生热击穿，使PN结损坏 避免方法 限制iD，加散热片等,2019/4/23,1.2.4二极管的温度特性,温度对反向特性的影响 温度升高，反向电流IS增加，二极管温度每上升10，反向电流将增加约一倍。 原因：热激发产生

16、的载流子增加，IS增加 温度对正向特性的影响 温度升高时，正向电流增大；若电流iD保持恒定，则二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降vD大约减小2.5mV，即具有负的温度系数,的变化较小,2019/4/23,1.2.4二极管的电容效应,PN结具有一定的电容效应，包括两方面： 势垒电容CT 势垒区电荷量Q随外加电压变化的电容效应 扩散电容CD 中性区内非平衡载流子随外加电压变化的电容效应,电容公式C=Q/U,2019/4/23,1.2.4二极管的电容效应,PN结的总电容 Cj=CT+CD 正偏时，扩散电容起主要作用 反偏时，势垒电容起主要作用 Cj是一个非线性电容 频率升高时将破坏单向导电性,2019/4/23,总结：二极管的四大特性,单向导电性 反向击穿特性 齐纳击穿