电子技术基础模拟部分件.pptx

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1、3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 半导体材料半导体材料 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用 杂质半导体杂质半导体第1页/共52页半导体材料半导体材料 根据物体导电能力( (电阻率) )的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体分类： 元素半导体：硅SiSi和锗GeGe化合物半导体：砷化镓GaAsGaAs等 （半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间）半导体特点：受外界光和热的激励时，导电能力发生显著变化；在纯净的半导体中加入微量杂质，导电能力显著增加。原因是？第2页/共52页半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化

2、模型硅和锗的晶体结构第3页/共52页本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体化学成分纯净、结构完整的半导体晶体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴共价键中的空位。自由电子带负电荷。空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。空穴电子对的产生：由于随机热振动致使共价键被打破，产生自由电子空穴对。空穴带正电荷。载流子自由电子或空穴的移动，电荷的移动，实现导电，称载流子。电子和空穴是两种不同的载流子。第4页/共52页本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体中空穴的数目与电子的数目一样多浓度一样3.451012个原子中只有一个价电

3、子打破共价键的束缚，成为自由电子。由于随机热振动致使共价键被打破，产生自由电子空穴对。自由电子空穴对的浓度与温度的关系？第5页/共52页杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 N N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 P P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。第6页/共52页 1. N 1. N型半导体杂质半导体杂质半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在N

4、N型半导体中自由电子是多数载流子，它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杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。第7页/共52页 2. P 2. P型半导体杂质半导体杂质半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 在P P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。第8页/共52页 3. 杂质对半导体导电性的影响杂质半导体杂质半导体 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些

5、典型的数据如下: : T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度:3以上三个浓度基本上依次相差约106/cm3 。 2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 4.961022/cm3 第9页/共52页 本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自由电子、空穴 N N型半导体、P P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质end第10页/共52页3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结的反向击穿结的反向击穿 PN结的电容

6、效应结的电容效应 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散第11页/共52页载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散漂移运动： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。第12页/共52页结的形成结的形成第13页/共52页结的形成结的形成第14页/共52页 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, ,分别形成N N型半导体和P P型半导体。此时将在N N型半导体和P P型半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后, ,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动 由

7、杂质离子形成空间电荷区 第15页/共52页 对于P P型半导体和N N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PNPN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 第16页/共52页结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使PNPN结中P P区的电位高于N N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN(1) PN结加正向电压时 低电阻 大的正向扩散电流第17页/共52页结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使PNPN结中P P区的电位高于N N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (2) PN(2) PN结加反向电

8、压时 高电阻 很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由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是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 第18页/共52页 PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PNPN结具有单向导电性。第19页/共52页结的单向导电性结的单向导电性 (3) PN(3) PN结V V- -I I 特性表达式其中PNPN结的伏安特性)1e (/SDD TVIivI IS S 反向饱和电流V VT T 温度的电压当量且在常温下（T T=

9、300K=300K）V026. 0 qkTVTmV 26 第20页/共52页结的反向击穿结的反向击穿 当PNPN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PNPN结的反向击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆第21页/共52页结的电容效应结的电容效应(1) (1) 扩散电容CD扩散电容示意图 当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小。 若外加正向电压有一增量 V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近

10、产生一电荷增量 Q，二者之比 Q/ V为扩散电容CD。第22页/共52页结的电容效应结的电容效应 (2) (2) 势垒电容C CB Bend 当PN结处于反向偏置时，电场使多数载流子离开PN结，PN结变厚，有高于正常情况时的正负离子电荷。存储正负离子电荷量的大小，取决于PN结上所加反向电压值的大小。 若外加反向电压有一增量 V，则相应PN结耗尽区的正负离子产生一电荷增量 Q，二者之比 Q/ V为势垒电容CB。第23页/共52页3.3 二极管二极管 二极管的结构二极管的结构 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的主要参数二极管的主要参数第24页/共52页二极管的结构二极管的结构 在PNPN结

11、上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1) (1) 点接触型二极管(a)(a)点接触型 二极管的结构示意图 PN PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。第25页/共52页（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号 (2) (2) 面接触型二极管 PN PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型第26页/共52页二极管的二极管的V-I 特性特性二极管的V-I 特性曲线可用下式表示)1e (/SDD TVIiv锗二极管2AP152AP15的V V- -I I 特性硅二极管2CP102CP10的V V- -I I 特

12、性第27页/共52页二极管的主要参数二极管的主要参数(1) (1) 最大整流电流I IF F(2) (2) 反向击穿电压V VBRBR(3) (3) 反向电流I IR R(4) (4) 极间电容C Cd d（C CB B、 C CD D ）(5) (5) 反向恢复时间T TRRRRend第28页/共52页3.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法第29页/共52页简单简单二极管二极管电路电路的图解分析方法的图解分析方法 二极管是一种非线性器件，因而其电路一般

13、要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂。 而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V V - -I I 特性曲线，且二极管电路简单。第30页/共52页例电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。 解：由电路的KVLKVL方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即 是一条斜率为- -1/R的直线，称为负载线 Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点第31页/共52页二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管V V- -I I 特性的建模 将指数模型 分段线性化，得

14、到二极管特性的等效模型。)1e (DSD TVIiv（1 1）理想模型 （a a）V V- -I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型第32页/共52页二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管V V- -I I 特性的建模（2 2）恒压降模型（a）V-I特性 （b）电路模型 （3 3）折线模型（a）V-I特性 （b）电路模型 0.7V0.5V0.7V0.5V第33页/共52页二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管V V-

15、-I I 特性的建模（4 4）小信号模型vs =0 时,对直流Q点(VD,ID)称为静态工作点(图解法)，反映直流时的工作状态。)(11sDDDDvv VRRi对小信号：vs =Vmsin t 时（VmVT 。（a）V-I特性 （b）电路模型第36页/共52页二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法2 2模型分析法应用举例（1 1）整流电路（a）电路图 （b）vs和vO的波形选理想模型第37页/共52页2 2模型分析法应用举例（2 2）静态工作情况分析V 0D VmA 1/DDD RVI选理想模型（R=10k ） 当VDD=10V 时，mA 93. 0/ )(DDDD RVVI

16、选恒压模型V 7 . 0D V（硅二极管典型值）选折线模型V 5 . 0th V（硅二极管典型值）mA 931. 0DthDDD rRVVI k 2 . 0Dr设V 69. 0DDthD rIVV当VDD=1V 时， （自看）（a）简单二极管电路 （b）习惯画法 问题：那种模型更符合实际？第38页/共52页2 2模型分析法应用举例（3 3）限幅电路 电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI = 6sin t V时，绘出相应的输出电压vO的波形。 第39页/共52页2 2模型分析法应用举例（4 4）开关电路（自学）电路如图所示，求AO的

17、电压值解： 先断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。 则接D阳极的电位为- -6V，接阴极的电位为- -12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为- -6V。第40页/共52页2 2模型分析法应用举例（5 5）低电压稳压电路.7ssvirvvRrvDdDdD当 输 入 电 压 变 化时 ，二 极 管 上 的 电 流 变 化很 大电 压 降 变 化很 小即基 本 不 变 ， 对 硅 管 约 0V+-ov26DdDDvmVriI第41页/共52页end2 2模型分析法应用举例（6 6）小信号工作情况分析图示电路中，V

18、DD = 5V，R = 5k ，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sin t V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。 直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。(1)2,26(4)V IrIDDdD把电路分解为直流通路、交流通路（）求直流通路（恒压降模型）的直流工作点mV（3）求交流通路的交流电阻求交流信号电压大小（5）叠加求总大小第42页/共52页3.5 特殊二极管特殊二极管 齐纳二极管齐纳二极管( (稳压二极管稳压二极管) ) 变容二极管变容二极管 肖特基二极管肖特基二极管 光电子器件光电子器件第43页/共52页齐纳二极管（齐纳二极

19、管（杂质浓度高）杂质浓度高）1. 符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。0ZZZZVVr I第44页/共52页(1) 稳定电压VZ(2) 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ = VZ / IZ(3)最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数 VZ2. 稳压二极管主要参数齐纳二极管齐纳二极管第45页/共52页3. 稳压电路正常稳压时 VO =VZ齐纳二极管齐纳二极管第46页/共52页变容二极管（变容二极管（高频选频）高频选频）（a）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度） 第47页/共52页肖特基二极管肖特基二极管（电容效应小，适于高频）（电容效应小，适于高频）（a）符号 （b）正向V-I特性第48页/共52页光电子器件光电子器件1. 光电二极管 （a）符号 （b）电路模型 （c）特性曲线 第49页/共52页光电子器件光电子器件2. 发光二极管符号光电传输系统 第50页/共52页光电子器件光电子器件3. 激光二极管（a）物理结构 （b）符号 end第51页/共52页感谢您的观看！第52页/共52页