模拟电路基础.ppt

现在学习的是第1页，共29页授课学时授课学时：64 64 学分学分：4 4授课时间授课时间：周二：周二5 56 6节；周五节；周五5 56 6节节授课地点授课地点：清水河校区：清水河校区A202A202网络资源网络资源：电子科技大学互动教学空间：电子科技大学互动教学空间(教师社区教师社区)网络网络学堂光电信息学院模拟电路基础（吴援明）学堂光电信息学院模拟电路基础（吴援明）作业作业：每周一次；提交方式：网络学堂或作业本：每周一次；提交方式：网络学堂或作业本考试方式考试方式：开卷：开卷成绩构成成绩构成：平时（：平时（1010分）分）+期中（期中（3030分）分）+期末（期末（6060分）分）现在学习的是第2页，共29页教教 材材：吴援明，唐军，吴援明，唐军，模拟电路分析与设计基础模拟电路分析与设计基础，科学出版社，科学出版社，2006.82006.8辅导材料辅导材料：吴援明，唐军，曲健，吴援明，唐军，曲健，模拟电路分析与设计基础学习指模拟电路分析与设计基础学习指导书导书，科学出版社，科学出版社，2007.82007.8参考资料参考资料：Donald A.Neamen,Donald A.Neamen,Electronic Circuit Analysis and Electronic Circuit Analysis and DesignDesign(Second Edition).(Second Edition).清华大学出版社影印本清华大学出版社影印本现在学习的是第3页，共29页目标目标：系统地掌握模拟电路的基础知识；系统地掌握模拟电路的基础知识；提高自主学习能力；提高自主学习能力；养成勤于思考、善于思考、乐于思考的习惯，改善思维能力养成勤于思考、善于思考、乐于思考的习惯，改善思维能力。现在学习的是第4页，共29页要求要求：口头和书面流利、清晰地表述知识结构（基本概念和主要的口头和书面流利、清晰地表述知识结构（基本概念和主要的分析方法）、重点内容、难点内容。分析方法）、重点内容、难点内容。理解并灵活运用基本概念阐述电路的工作原理和主要的分析理解并灵活运用基本概念阐述电路的工作原理和主要的分析方法。方法。自主学习为主，结合教师的讲解和任务要求，提高学习效自主学习为主，结合教师的讲解和任务要求，提高学习效率，改进学习方法，改善学习效果。率，改进学习方法，改善学习效果。改善思维能力（记忆、理解、应用、分析、评价、创新）改善思维能力（记忆、理解、应用、分析、评价、创新）。现在学习的是第5页，共29页第一章第一章 半导体材料及二极管半导体材料及二极管现在学习的是第6页，共29页概述概述 n半导体半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的物体导电性能介于导体与绝缘体之间的物体n半导体材料半导体材料：SiSi和和GeGenPNPN结二极管结二极管 形成过程形成过程 伏安特性伏安特性 应用电路应用电路 几种特殊的二极管几种特殊的二极管现在学习的是第7页，共29页1.1 1.1 半导体材料及其特性半导体材料及其特性 n半导体材料半导体材料：族元素硅（族元素硅（SiSi）、锗（）、锗（GeGe）III-VIII-V族元素的化合物砷化嫁（族元素的化合物砷化嫁（GaAsGaAs）等。）等。导电性能会随温度、光照或掺入某些杂质导电性能会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。而发生显著变化。本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体现在学习的是第8页，共29页1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体n本征半导体本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体。纯净的具有晶体结构的半导体。n晶格晶格在本征在本征SiSi和和GeGe的单晶中，原子在空间形成排列的单晶中，原子在空间形成排列整齐的空间点阵整齐的空间点阵。共价键结构共价键结构 本征激发本征激发 本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子 本征浓度本征浓度现在学习的是第9页，共29页1.1.共价键结构共价键结构n共价键共价键图图1.1 1.1 单晶单晶SiSi和和GeGe的共价键结构示意图的共价键结构示意图 现在学习的是第10页，共29页2.2.本征激发本征激发n自由电子自由电子n空穴空穴 原子因失去一个价电子而带原子因失去一个价电子而带正电，这个带正电的正电，这个带正电的“空位空位”叫空穴。叫空穴。n本征激发本征激发 半导体在外界）热或光或其半导体在外界）热或光或其他）激发下，产生他）激发下，产生自由电子自由电子空穴对空穴对的现象。的现象。图图1.2 1.2 本征激发示意图本征激发示意图 现在学习的是第11页，共29页3.3.本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为运载电荷的粒子称为载载流子流子。导体导电只有一导体导电只有一种载流子，即自由电子种载流子，即自由电子导电。导电。图图1.3 1.3 电子与空穴的运动电子与空穴的运动现在学习的是第12页，共29页n空穴导电空穴导电：当有电场作用时，价电子定向填补空位，当有电场作用时，价电子定向填补空位，使空位作相反方向的移动，这与带正电荷的粒子作使空位作相反方向的移动，这与带正电荷的粒子作定向运动的效果完全相同。定向运动的效果完全相同。为了区别于为了区别于自由电子自由电子的运动，我们就把的运动，我们就把价电子价电子的运动虚拟为空穴运动（方向相反），认为空穴是一的运动虚拟为空穴运动（方向相反），认为空穴是一种带正电荷的载流子种带正电荷的载流子 。现在学习的是第13页，共29页4.本征浓度本征浓度n载流子复合载流子复合：自由电子与空穴在热运动中相遇，使自由电子与空穴在热运动中相遇，使自由电子空穴对消失的现象。自由电子空穴对消失的现象。n载流子的动态平衡载流子的动态平衡：在一定温度下，单位时间内本在一定温度下，单位时间内本征激发所产生地自由电子空穴对的数目与复合而消失征激发所产生地自由电子空穴对的数目与复合而消失的自由电子空穴对的数目相等，就达到了载流子的动的自由电子空穴对的数目相等，就达到了载流子的动态平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。态平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。现在学习的是第14页，共29页本征载流子的浓度本征载流子的浓度322gEkTiinpBT e（1.11.1）现在学习的是第15页，共29页1.2.2 1.2.2 杂质半导体杂质半导体n杂质半导体杂质半导体 掺入杂质的半导体称为杂质半导体。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。N N型半导体型半导体 P P型半导体型半导体 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度现在学习的是第16页，共29页1.N1.N型半导体型半导体n掺入少量的掺入少量的族元素族元素（如磷、砷、锑等）后，（如磷、砷、锑等）后，形成的杂质半导体称为形成的杂质半导体称为N N型半导体型半导体。n多出一个价电子只能位多出一个价电子只能位于共价键之外，成为于共价键之外，成为“自由电子自由电子”。图图1.4 N1.4 N型半导体原子结构示意图型半导体原子结构示意图 现在学习的是第17页，共29页n施主原子施主原子：杂质原子杂质原子n施主离子施主离子：不能自由移动不能自由移动 不能参与导电。不能参与导电。n多数载流子多数载流子（多子多子）：）：自由电子自由电子。n少数载流子少数载流子（少子少子）：）：空穴空穴。n整体呈电中性整体呈电中性现在学习的是第18页，共29页2.P2.P型半导体型半导体n掺入少量掺入少量族元素族元素（如绷、铝和铟等（如绷、铝和铟等）后形成的杂质半）后形成的杂质半导体称为导体称为P P型半导型半导体体。n共价键因缺少一个共价键因缺少一个价电子而出现一个价电子而出现一个“空位空位”。图图1.5 P1.5 P型半导体原子结构示意图型半导体原子结构示意图 现在学习的是第19页，共29页n受主原子受主原子：杂质原子：杂质原子n受主离子受主离子：不能自由移动：不能自由移动 不能参与导电。不能参与导电。n多数载流子多数载流子（多子多子）：空穴。）：空穴。n少数载流子少数载流子（少子少子）：自由电子。）：自由电子。n整体呈电中性整体呈电中性现在学习的是第20页，共29页3.3.杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度 2ooinpnon热平衡条件下热平衡条件下自由电子的浓度自由电子的浓度 op热平衡条件下热平衡条件下空穴的浓度空穴的浓度 in本征浓度本征浓度 （1.2）现在学习的是第21页，共29页1.1.3 1.1.3 半导体中的电流半导体中的电流 n漂移电流漂移电流n扩散电流扩散电流现在学习的是第22页，共29页1.1.漂移电流漂移电流nnJenE在电场作用下，半导体中的载流子受电场力作宏观定向漂移在电场作用下，半导体中的载流子受电场力作宏观定向漂移运动形成的电流，称为运动形成的电流，称为漂移电流漂移电流。它类似于金属导体内的传它类似于金属导体内的传导电流。导电流。电子的漂移电流密度电子的漂移电流密度为为n-电子的迁移率电子的迁移率,常数，表征电子在半导体中运动容易度的参数常数，表征电子在半导体中运动容易度的参数E E是电场强度是电场强度e-e-电子的电量电子的电量n-n-电子的浓度电子的浓度（1.7）现在学习的是第23页，共29页 而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流，而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流，空空穴的漂移电流密度穴的漂移电流密度为为 ppJepEpnJpJp-p-空穴的浓度空穴的浓度是空穴的迁移率。是空穴的迁移率。和和的方向是一致的，均为空穴流动的方向。的方向是一致的，均为空穴流动的方向。所以所以（1.8）现在学习的是第24页，共29页npIIInpnpJJJenEepEEnpenep因此，半导体中的总的漂移电流为两者之和，即因此，半导体中的总的漂移电流为两者之和，即总的总的漂移电流密度漂移电流密度其中其中式中式中是半导体的是半导体的电导率电导率，与载流子浓度迁移率有关。，与载流子浓度迁移率有关。（1.9）（1.10）（1.11）现在学习的是第25页，共29页2.2.扩散电流扩散电流 因载流子浓度差而产生的载流子宏观定向运因载流子浓度差而产生的载流子宏观定向运动形成的电流。动形成的电流。现在学习的是第26页，共29页 半导体中某处的扩散半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流电流主要取决于该处载流子的浓度差（即子的浓度差（即浓度梯浓度梯度度），而与该处的浓度值），而与该处的浓度值无关。即扩散电流与载流无关。即扩散电流与载流子在扩散方向上的浓度梯子在扩散方向上的浓度梯度成正比，浓度差越大，度成正比，浓度差越大，扩散电流也越大。扩散电流也越大。图图1.6 1.6 半导体中载流子的浓度分布半导体中载流子的浓度分布现在学习的是第27页，共29页 即即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率斜率 和和 。n(x)n(x)表示表示x x处的电子浓度，处的电子浓度，p(x)p(x)表示表示x x处的空穴浓度。处的空穴浓度。由图中的由图中的浓度分布浓度分布曲线可知，该半导体最左曲线可知，该半导体最左端的电子（空穴）浓度最大，沿端的电子（空穴）浓度最大，沿x x方向浓度按指数规方向浓度按指数规律减小，最后趋于平衡值律减小，最后趋于平衡值 （）。）。因此，该半导体中的因此，该半导体中的扩散电流扩散电流也有上述的变也有上述的变化规律，即沿化规律，即沿x x方向扩散电流逐渐减小，最终趋于方向扩散电流逐渐减小，最终趋于零。零。()dn xdx()dp xdxonop现在学习的是第28页，共29页拓展训练拓展训练：1.1.利用利用“互联网互联网”和和“图书馆图书馆”了解半导体及半导体器件的了解半导体及半导体器件的发展历史。发展历史。现在学习的是第29页，共29页