模拟电子技术 第1章.ppt

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1、1.1.1 PN结的形成结的形成1 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.1 PN结结半导半导体：体：导电能力介于导体和绝缘体之间。导电能力介于导体和绝缘体之间。最常用的半导体材料：最常用的半导体材料：物体根据其导电能力（电阻率）分物体根据其导电能力（电阻率）分半导半导体体绝缘绝缘体体导导体体锗锗硅硅+14284Si硅硅原子结构示意图原子结构示意图+3228 18Ge锗原子结构示意图锗原子结构示意图4原子结构示意图原子结构示意图平面结构平面结构立体结构立体结构SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi1.本征半导体本征半导体本征半导体就是完全纯净的半导体。本

2、征半导体就是完全纯净的半导体。SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi共价键共价键价电子价电子SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi本本征征激激发发产产生生电电子子和和空空穴穴自由电子自由电子空穴空穴SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi电子、空穴电子、空穴成对产生成对产生SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi电子、空穴电子、空穴成对产生成对产生电子、空穴电子、空穴成对复合成对复合 本征激发

3、使本征激发使空穴空穴和和自由电子自由电子成对产生。成对产生。相遇相遇复合复合时，又时，又成对成对消失。消失。小结：小结：空穴浓度（空穴浓度（np)=电子浓度电子浓度(nn)温度温度T一定时一定时np nn=K(T)K(T)与温度有关的常数与温度有关的常数SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi在在外外电电场场作作用用下下USiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiU电电子子运运动动形形成成电电子子电电流流SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiUSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi

4、SiSiSiSiUSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiUSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiU价电子填补价电子填补空穴而使空空穴而使空穴移动，形穴移动，形成成空穴电流空穴电流在半导体中有在半导体中有两种载流子两种载流子这就是这就是半导体和金属导电半导体和金属导电原理的原理的 本质区别本质区别。a.电阻率大。电阻率大。本征半导体的特点：本征半导体的特点：b.导电性能随温度变化大。导电性能随温度变化大。不能在半导体器件中直接使用。不能在半导体器件中直接使用。小结：小结：带正电的带正电的空穴空穴带负电的带负电的自由电子自由电子2

5、掺杂半导体掺杂半导体 在在本征半导体本征半导体硅或锗中掺入硅或锗中掺入微量的微量的其它适当元素后其它适当元素后所形成的半导体。所形成的半导体。根据掺杂的不同，杂质半导体分为根据掺杂的不同，杂质半导体分为N型型导导体体P型型导导体体（1）N型半导体型半导体 掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体。掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体。SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi掺入少量五价杂质元素磷掺入少量五价杂质元素磷P PSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP P多出多出一个一个电子电子+产生产生了大了大量的量的自由自由电

6、子电子产生产生了大了大量的量的正离正离子子(2)P型半导型半导体体 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入三价杂质元素三价杂质元素，如硼等如硼等:SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiB BSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiB BSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiB BSiSiSiSi出出现现了了一一个个空空位位SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiB BSiSiSiSi出出现现了了一一个个空空穴穴产生产生了大了大量的量的空穴空穴-产生了产生了大量的大量的负离子负离子N+N+以以N型半导体为基片型半导

7、体为基片通过半导体扩散工艺通过半导体扩散工艺3.PN结的形成结的形成使半导体的一边形成使半导体的一边形成N型区，另一边形成型区，另一边形成P型区型区N+-P-（1 1）在浓度差的作用下，电子从）在浓度差的作用下，电子从 N区区P向区扩散向区扩散N+-P-在浓度差的作用下，空穴从在浓度差的作用下，空穴从 P区向区向N区扩散区扩散N+-P-在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P P区和区和N N区区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子小结：小结：N+-P-PN结结空间电荷层空间电荷层N+-P-形成内电场形成内电场内

8、电场方向内电场方向N+-P-PN结结一方面阻碍多子的扩散一方面阻碍多子的扩散N+-P-另一方面另一方面加速少子的漂移加速少子的漂移N+-P-势垒势垒U0形成电位势垒形成电位势垒N+-P-当扩散与漂移作用平衡时当扩散与漂移作用平衡时a.流过流过PN结的净电流为零。结的净电流为零。b.PN结的厚度一定（约几个微米）。结的厚度一定（约几个微米）。c.接触电势一定（约零点几伏）。接触电势一定（约零点几伏）。N+-P-1.1.2 PN结的单向导电性结的单向导电性1PN结正向偏置结正向偏置 -PN+-+RSE内内+-PN+-+RSE内内+内电场被削弱内电场被削弱PN结变窄结变窄PN结呈现低阻、导通状态结呈

9、现低阻、导通状态多子进行扩散多子进行扩散内电场增强内电场增强PN结变宽结变宽PN结呈现高阻、截止状态结呈现高阻、截止状态不利多子扩散不利多子扩散有利少子漂移有利少子漂移-PN+-+RSE内内+2PN结反向偏置结反向偏置 此电流称为此电流称为反向饱和电流，记为反向饱和电流，记为IS。因少子浓度主要与温度有关，反向因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几电流与反向电压几乎无关。乎无关。-PN+-+RSE内内+1.1.3 PN结的电压与电流关系结的电压与电流关系+_PN_ui1.2 半导体二极管半导体二极管 在在PNPN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二

10、极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型点接触型、面接触型两大两大类。类。(1)(1)点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PNPN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电路。变频等高频电路。（a）面接触型）面接触型 （b）集成电路中的平面型）集成电路中的平面型 （c）代表符号）代表符号(2)(2)面接触型二极管面接触型二极管 PNPN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型1.2.2 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性 二极管

11、的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性1.2.4 半导体二极管的主要电参数半导体二极管的主要电参数1.额定电流额定电流IF2.反向击穿电压反向击穿电压U(BR)3.最高允许反向工作电压最高允许反向工作电压UR4.反向电流反向电流IR5.正向电压降正向电压降UF6.最高工作频率最高工作频率fMOiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区电压死区电压U(BR)反向特性反向特性uD1.3 半导体二极管的应用半导体二极管的应用（1 1）整流电路）整流电路（a

12、）电路图）电路图 （b）vs和和vo的波形的波形例例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电阻和电阻R，求二极管两端电压求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD。解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 即即 是一条斜率为是一条斜率为-1/R的直线，称为的直线，称为负载负载线线 Q的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。即为所求。Q点称为电路的点称为电路的工作点工作点1.1.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特

13、性的等效模型。管特性的等效模型。（1 1）理想模型）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1.1.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模（2 2）恒压降模型）恒压降模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型（3 3）折线模型）折线模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 1.4 特种二极管特种二极管1.4.1 硅稳压二极管硅稳压二极管特点：特点：a.正向特性与普通管类似正向特性与普通管类似通常工作于反向电击穿状态，通常工作于反

14、向电击穿状态，用来稳定直流电压。用来稳定直流电压。伏安特性伏安特性+iZuZuZQBA0UZiZIZ UZ IZ符号符号b.反向击穿特性很陡反向击穿特性很陡1.硅稳压管的主要电参数硅稳压管的主要电参数（1）稳定电压稳定电压（2）动态电阻）动态电阻（3）最大允许工作电流）最大允许工作电流（4）最大允许功率耗散）最大允许功率耗散（5）温度系数）温度系数 uZQBA0UZiZIZ UZ IZ3.硅稳压管稳压电路硅稳压管稳压电路R限流电阻限流电阻DZIZRLUOUIRIIO+_+_(1)稳压原理稳压原理 a.UI不稳定不稳定 UI UO UZ IZ I I R UODZIZRLUOUIRIIO+_+_

15、b.RL改变改变 RL UO UZ I R IZ IUODZIZRLUOUIRIIO+_+_(2)限流电阻计算限流电阻计算输出电压稳定的条件输出电压稳定的条件:（保证稳压管被击穿）（保证稳压管被击穿）DZIZRLUOUIRIIO+_+_Iz(min)IzIZ(max)保证稳压管可靠工作的条件：保证稳压管可靠工作的条件：DZIZRLUOUIRIIO+_+_UO=UZ 图中图中 IZ=IIO DZIZRLUOUIRIIO+_+_此时当此时当IO为最小值为最小值IO（min）时时Iz值最大。值最大。由此可得由此可得当UI为最大值为最大值UI（max）时，时，I值最大；值最大；为保证管子安全工作为保证管子安全工作IZ=IIO 由式由式知知此时当此时当IO为最大值为最大值IO（max）时时Iz值最小。值最小。由此可得由此可得当UI为最大值为最大值UI（min）时，时，I值最小；值最小；为保证电路可靠工作为保证电路可靠工作知知IZ=IIO 由式由式得得由式由式及及