模拟电子技术基础第一章ppt课件.ppt

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1、模拟电子技术基础第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 硅Si和锗Ge原子结构及简化模型 +14284+322 8418+4(a)(b)(c)(a) Si原子结构模型图 (b) Ge原子结构模型图 (c) 简化模型图本征半导体本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。体称为本征半导体。 通过特殊工艺，通过特殊工艺，可可使硅或锗材料形成使硅或锗材料形成晶体结构，每个原子晶体结构，每个原子与周围的与周围的4个原子以个原子以共价键的形式紧密结共价键的形式紧密结合着，并排列成整齐合着，并排

2、列成整齐的晶格结构。的晶格结构。价价电电子子共共价价键键单晶体中的共价键结构单晶体中的共价键结构当温度当温度 T = 0 K 时，半时，半导体不导电，如同绝缘体。导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中的自由电子和空穴本征半导体中的自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 T ，将有少数价，将有少数价电子克服共价键的束缚成电子克服共价键的束缚成为为自由电子自由电子，在原来的共，在原来的共价键中留下一个空位价键中留下一个空位空穴。空穴。T 自由电子自由电子和和空穴空穴使使本本征半导体具有导电能力，征半导体具有导电能力，但很微弱。但很微弱。空穴和自由电子称为空穴

3、和自由电子称为载流子。载流子。杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体一、一、 N 型半导体型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价价杂质元素，如磷、锑、杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成砷等，即构成 N 型半导体型半导体(或称电子型半导体或称电子型半导体)。二、二、 P 型半导体型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价价杂质元素，如硼、镓、杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成铟等，即构成 P 型半导体型半导体。自由电子浓度远大于空穴的浓度，即自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。电

4、子称为多数载流子电子称为多数载流子(简称多子简称多子)，空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子(简称少子简称少子)。空穴浓度多于电子浓空穴浓度多于电子浓度，即度，即 p n。空穴为多数载流子空穴为多数载流子，电子为少数载流子。电子为少数载流子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4P 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构+3受主受主原子原子空穴空穴PN 结及其单向导电性结及其单向导电性PNPN结结PN 结的形成结的形成 在一块半导体的一侧掺杂成为在一块半导体的一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧型半导体，另一侧掺杂成为掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个型半导体，两个区域的交界处就形

5、成了一个特殊的薄层，特殊的薄层，称为称为 PN 结结。 PN耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PNPN 结中载流子的运动结中载流子的运动1. 扩散运动扩散运动2. 扩散运动扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区电 子 和 空 穴电 子 和 空 穴浓度差形成浓度差形成多数多数载流子的扩散运载流子的扩散运动。动。 PN 结，耗结，耗尽层。尽层。PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD 阻挡层阻挡层3. 空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒电位壁垒； 内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4.

6、漂移运动漂移运动内电场有利内电场有利于少子运动于少子运动漂漂移。移。 少子的运动少子的运动与多子运动方向与多子运动方向相反相反5. 扩散与漂移的动态平衡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；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；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，当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与扩散运动与漂移运动达到动态平衡。漂移运动达到动态平衡。1. 外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正

7、偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。PN在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的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，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2. 外加反向电压外加反向电压( (反偏反偏) )空间电荷区空间电荷区PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS反相偏置的反相偏置的 PN 结结反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对

8、温度十分敏感，随随着温度升高，着温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。反向接法时，外电场与内电场方向一致，增强了内电场作用；反向接法时，外电场与内电场方向一致，增强了内电场作用；外电场使空间电荷区变宽；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，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 ；由于少数载由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。流子浓度很低，反向电流数值非常小。综上所述：综上所述：当当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，正向电流， PN

9、结处于结处于 导通状态导通状态；当；当 PN 结反向偏置结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处结处于于截止状态截止状态。可见，可见， PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。PN结的电容效应 PN结的单向导电性，体现了PN结具有可变电阻的性质，即外加正向电压时，PN结呈现的电阻很小；外加反向电压时，PN结呈现的电阻很大。PN结除了表现有可变电阻的特性外，它还具有可变电容的特性。PN结的电容由势垒电容和扩散电容两部分组成。1）势垒电容 当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，既耗尽区的空间电荷量随外加电压而增加或减少。这种现

10、象与电容器充放电过程类似，其空间电荷量的变化所等效的电容，称之为势垒电容，用Cb表示。2）扩散电容因多子扩散所引起的电容效应对应的等效电容称之为扩散电容，用Cd表示。 PN结的总电容Cj为Cb与Cd之和，即： Cj=Cb+Cd PN结正偏时，结电容以Cd为主，即CjCd，其值通常为几十几百pF; PN结反偏时，结电容以Cb为主，即CjCb，其值通常为几几十pF。在低频时，常忽略Cj的影响，而在信号频率较高时，才考虑结电容的影响。1.1 什么是本征半导体?什么是杂质半导体?各有什么特征?1.2 N型半导体是在本征半导体中掺入_价元素而形成，其多数载流子是_，少数裁流子是_；P型半导体是在本征半导

11、体中掺入_价元素而形成，其多数载流子是_，少数裁流子是_。1.3 当PN结无外加电压时，有无电流流过？有无载流子通过? PN结两端存在内建电位差，若将PN结短路，问有无电流流过?1.4 PN结末加外部电压时，扩散电流_漂移电流；外加正向电压时：扩散电流_漂移电流，其耗尽层变_； 加反向电压时：扩散电流_漂移电流，其耗尽层变_。部分习题：部分习题：1.2 半导体二极管半导体二极管 普通二极管阳极引线阴极引线铝合金小球PN结N型硅金锑合金底座金属丝N型锗片外壳阴极引线阳极引线阳极阴极（a）（c）（b）图1.10 二极管的结构与电路符号（a）面接触型 （b）点接触型 （c）电路符号按半导体材料分：按

12、半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。有硅二极管、锗二极管等。按按 PN 结结构分：结结构分：有点接触型和面接触型二极管。有点接触型和面接触型二极管。按用途划分：按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。极管、变容二极管等。二极管的伏安特性二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I = f ( (U ) )之间的关系曲线之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550I / mAU / V正向特性正向特

13、性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0二极管的伏安特性二极管的伏安特性R(1)TuUieITkTUq231.38J/K10191.6C10k为波尔兹曼常数T为热力学温度，在T=300K时（室温下），UT 26mV q为电子电量二极管伏安特性 S(1)TuUieIDSD(1)TUuieI二极管的主要参数二极管的主要参数1. 最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。

14、2. 最高反向工作电压最高反向工作电压 URM工作时允许加在二极管两端的反向电压值工作时允许加在二极管两端的反向电压值。3. 反向电流反向电流 IR 室温下，二极管加上规定的反向电压时，流过管室温下，二极管加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望子的反向电流。通常希望 IR 值愈小愈好。值愈小愈好。4. 最高工作频率最高工作频率 fMfM 值主要决定于值主要决定于 PN 结结电容的大小。结结电容的大小。结电容愈结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。大，二极管允许的最高工作频率愈低。5） 直流电阻RDRD定义为：二极管两端所加直流电压UD与流过它的电流ID之比，即IURDDD6）

15、交流电阻rd当二极管外加正向直流偏置电压UD时，将产生电流ID，UD、ID在二极管的特性曲线上确定了一点Q（UD，ID）。定义在Q点附近的小范围内，电压的增量与电流的增量之比为rd，即DDdQQDD|duurdii) 1(TDSDeuIiUudUeuIidUDTSD1TDIUeIUidudrQUuDQTSTQDDd|TD二极管等效模型1理想二极管等效电路2恒压降型等效电路3 折线型等效电路二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流例2：D6V12V3kBAUAB+例3:mA43

16、122D IBD16V12V3kAD2UAB+V sin18itu t 半导体二极管的测量与选用半导体二极管的测量与选用: 用万用表的电阻档测量得出二极管的好坏用万用表的电阻档测量得出二极管的好坏: 两次测量正反向电阻相差最大两次测量正反向电阻相差最大,质量好质量好. 两次测量正反向电阻接近或相等两次测量正反向电阻接近或相等,失效失效. 两次测量正反向电阻无穷大两次测量正反向电阻无穷大,断路断路. 两次测量正反向电阻等于零两次测量正反向电阻等于零,短路短路.1.8 二极管电路如图1.46所示。试判断图中各二极管是导通还是截止，并求出A、O两端间的电压UAO，(设二极管的正向电压降和反向电流均可

17、忽略)。1.10 电路如图1.48所示，已知D1是硅管，D2是锗管，其余参数如图示。试计算UO和ID。 稳压二极管管稳压二极管管一种特殊的面接触型半一种特殊的面接触型半导体硅二极管。导体硅二极管。稳压管稳压管工作在反向击穿区工作在反向击穿区。虽然反向电流变化较大，但管虽然反向电流变化较大，但管子两端的电压却变化很小。子两端的电压却变化很小。 I/mAU/VO+ 正向正向 +反向反向 U( (b) )稳压管符号稳压管符号( (a) )稳压管伏安特性稳压管伏安特性+ I图图 1.2.10稳压管的伏安特性和符号稳压管的伏安特性和符号1 .正向导通2 .关断3 .反向稳压导通 稳压管主要参数稳压管主要

18、参数1. 稳定电压稳定电压 UZ5 . 动态电阻动态电阻 rZ2. 稳定电流稳定电流 IZ（即（即IZmin)ZZZIUr 稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。I 1，所以当基极电流有一个较小的变化时，会引起集电极电流有一个较大的变化，这就是晶体管共发射极接法时的电流放大作用。2 发射结反向偏置、集电结反向偏置 当晶体管的发射结与集电结均反向偏置时，各电极的电流近似为零，称这种状态为截止状态。 3 发射结正向偏置、集电结正向偏置 集电结对基区的非平衡少子的收集能力大大降低，当发射结电压增大时，由发射区进入基区的载流子较多的与基区的多子复合，使IB迅速

19、增加，而IC基本上维持一个常数。晶体管的这种工作状态称为饱和状态。 在饱和状态下，IB失去了对IC的控制作用。IRUUCCCCCE随着IC的增大，UCE减小。 当UCE减小，使UCB小于零时，集电结则处于正向偏置。 4发射结反向偏置、集电结正向偏置 三极管倒置应用时，没有电流放大能力。 综上所述：综上所述：晶体管有三种工作状态：放大状态、截止状态、饱和状态。晶体管有三种工作状态：放大状态、截止状态、饱和状态。 晶体管的共射输入特性和输出特性晶体管的共射输入特性和输出特性CE)(BEBUufi 为什么为什么UCE增大曲线右移？增大曲线右移？ 对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V

20、的一条输入特性曲线的一条输入特性曲线可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安性？结的伏安性？为什么为什么UCE增大到一定值曲增大到一定值曲线右移就不明显了？线右移就不明显了？1. 输入特性输入特性 UCE=0V时发射结与集电结时发射结与集电结并联，相当于两只二极管并联。并联，相当于两只二极管并联。 0UCE1V时集电结由正偏向时集电结由正偏向反偏过渡，反偏过渡，iC增加增加iB减小。减小。 UCE1V后，集电结反偏后，集电结反偏形成，形成，iC基本不变，基本不变， UBE与与iB的关系受的关系受UCE的影响减小。的影响减小。2. 输

21、出特性输出特性B)(CECIufi 对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。 为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变变化很大？为什么进入放大状化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？态曲线几乎是横轴的平行线？ 饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区BiCi常量CEBCUii放大区：发射结正偏，集电结反偏放大区：发射结正偏，集电结反偏截止区：发射结反偏，集电结反偏截止区：发射结反偏，集电结反偏饱和区：发射结正偏，集电结正偏。饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 温度对晶体管特性的影响温度对晶体管特性的影响BEBBBECEO )(uiiuIT不变时

22、，即不变时主要参数 直流参数直流参数： 、 、ICBO、 ICEOc-e间击穿电压间击穿电压最大集电最大集电极电流极电流最大集电极耗散功最大集电极耗散功率，率，PCMiCuCE安全工作区安全工作区 交流参数：交流参数：、fT（使1的信号频率） 极限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEOECII1ECii晶体管的主要参数1 电流放大系数IIIEC0CBOiiuECCB 常数IIIBC0CEOiiuBCCE 常数共基极 共发射极 2 极间反向电流1）集电极反向饱和电流ICBO2） 集电极发射极穿透电流ICEO发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。 基极开路时，集电极与发射极之间的穿透电流。 3 极限参数1） 集电极最大允许耗散功率PCM2） 集电极最大允许电流ICM 3） 极间反向击穿电压U(BR)CEO是指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。U(BR)CBO是指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压。U(BR)EBO是指集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压。U(BR)EBO U(BR)CEO UPuGD U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。情况类似，属于破坏性击穿。1.22 结型场效应管栅极与沟道间的PN结在作为放大器件工作时，能允许正向偏置吗？晶体三极管的发射结呢？