模拟电子技术第一章.pptx
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1、三、本征半导体中的两种载流子 在共价键中留下一个空位置,称为空穴。运载电荷的粒子称为载流子。本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电,这是半导体的特殊性质。自由电子和空穴数目相等,如图所示 图本征半导体中的自由电子和空穴第1页/共56页四、本征半导体中的载流子的浓度 半导体在热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为本征激发。自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合。在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,在一定温度下,本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。第2页/共56页杂质半导体 通过扩散工艺,在本征半导体
2、中掺入少量合适的杂质元素,便可得到杂质半导体。一、N型半导体在纯净的硅晶体中惨入五价元素,使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N型半导体。自由电子的浓度大于空穴的浓度,故称自由电子为多数载流子,空穴为少数载流子。由于杂质原子可以提供电子,故称之为施主原子。N型半导体如图所示 图型半导体第3页/共56页二、P型半导体 在纯净的硅体中掺入三价元素,使之取代晶格中硅原子的位置,就形成P型半导体。因杂质原子中的空位吸收电子,故称之为受主原子。P型半导体入图所示。图型半导体第4页/共56页结采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在他们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。
3、一、PN结的形成 物质总是从浓度高的地方向浓度底的地方运动,这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。P区出现负离子,N区出现正离子,他们是不能移动的,称为空间电荷区。在电场力作用下,载流子的运动称为漂移运动。负离子区与正离子区的宽度也相等,称为对称结。图结的形成第5页/共56页二、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压时处于导通状态(见右上图);2.PN结外加反向电压时处于截止状态(见右下图);右(图结加正向电压时导通)。第6页/共56页 图结加反向电压时截止 因为少子的数目极少,即使所有的少子都参与漂移运动,反向电流非常小,所以在近似分析中常将它忽略不计,认为PN结外加反向电压时处于截止状
4、态。第7页/共56页三、PN结的电流方向1.平衡状态下载流子浓度与内电场场强的关系从右图中可以看出,在P区与N区的界面,杂质的浓度产生突变,故称这种PN结为突变结。图结平衡时载流子的分布第8页/共56页2.PN结电流方程分析中的条件1:耗尽层内载流子的产生与复合均可忽略不计。2:注入的少子数目远小于平衡多子数目,即扩散到N区空穴数目远小于N区平衡时自由电子的数目;同样,扩散到P区自由电子数目远小于P区平衡时空穴的数目。3:忽略扩散层表面的影响。图结的伏安特性第9页/共56页3.外加正向电压时PN结电流与电压的关系当PN结外加正向电压时,载流子的分布如图所示。图外加正向电压时PN结载流子的分布第
5、10页/共56页四、PN结的伏安特性PN结的伏安特性如图所示。其中U大于0的部分称为正向特性,U小于0的部分称为反向特性。当反向电压超过一定 数值后,反向电流急剧增加,称之为反向击穿。图结的伏安特性第11页/共56页五、PN结的电容效应1.势垒电容 耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb 2.扩散电容 PN结处于平衡状态时的少子数称为平衡少子。图所示的三条曲线是在不同正向电压下P区少子数的分布情况。图结的势垒电容第12页/共56页1.2半导体二极管将PN结用外壳封装起来,并加上电极引线就构成了半导体二极管,简称二极管。由P区引出的电极为阳极,由N区引出的电极为阴极,常见的外形如图所示。图二
6、极管的几种外形第13页/共56页半导体二极管的几种常见结构本节将介绍二极管的结构、特性、主要参数及特殊二极管的功能。二极管的几种常见结构如图(a)(c)所示,符号如图(d)所示。图二极管的几种常见结构第14页/共56页二极管的伏安特性与PN结一样,二极管具有单向导电性。但是,由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻,所以当外加正向电压时,在电流相同的情况下,二极管的端电压大于PN结上的压降;或者说,在外加正向电压相同的情况下二极管的正向电流要小于PN结的电流。图二极管的伏安特性第15页/共56页二极管的主要参数为了描述二极管的性能,常引用以下几个主要参数:(1)最大整流电流IF:IF是二极管长期运
7、行时允许通过懂得最大正向平均电流,其值与PN结面积及外部散热条件等有关。(2)最高反向工作电压UR:UR是二极管工作时允许外加的最大反向电压,超过此值时,二极管有可能因反向击穿而损坏。(3)反向电流IR:IR是二极管未击穿时的反向电流。(4)最高工作频率fM:fM是二极管工作的上限频率。第16页/共56页二极管的等效电路能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路。也称为等效模型。由伏安特性折线化得到的等效电路如图所示。图由伏安特性折线化得到的等效电路第17页/共56页二、极管的微变等效电路当二极管外加直流正向偏置电压时,将有一直流电流,曲线上反应该电压和电流的点为Q点,如图(a)中所标注。对
8、于图所示电路,在交流信号ui幅值较小的情况下,uR的波形 如图 所示,它是在一定的直流电压的基础上叠加上一个与ui一样的正弦波,该正弦波的幅度值决定于 rd与R的分压。同时图直流电压源和交流电压源作用的二极管电路图二极管的微变等效电路图第18页/共56页图所示电路的波形分析图图所示电路的波形分析.图中标注的Ud是直流电压源V单独作用时二极管的正向压降.第19页/共56页稳压二极管一.稳压管的伏安特性 稳压二极管有着与普通二极管相似的伏安特性,如图所示,其正向特性为指数曲线.,稳压管的符号及等效电路如图(b)所示.图稳压管的伏安特性和等效电路第20页/共56页二.稳压管的主要参数(1)稳定电压U
9、z:是在规定电流下稳压管的反向击穿电压.(2)稳定电流Iz是稳压管工作在稳压状态时的参考电流,(3)额定功耗Pzm等于稳压管的稳定电压Uz与最大稳定电流Izm的乘积.(4)动态电阻rz是稳压管工作在稳压区时,端电压变化量与其电流变化量之比,(5)温度系数a表示温度每变化1 稳压值的变化量.图稳压管稳压电路例图见下第21页/共56页其它类型二极管一.发光二极管 发光二极管包括可见光,不可见光,激光等不同的类型,这里只对可见光发光二极管做一简单介绍发光二极管的发光颜色决定于所用材料,目前有红,绿,黄,橙等色,可以制成各种形状,如长方型,圆形见图所示等.图所示为发光二极管的符号.图发光二极管第22页
10、/共56页二.光电二极管光电二极管是远红外线接受管,是一种光能与电能进行转换的器件.它的几种常见外形如图所示,符号见图(b)图所示为光电二极管的伏安特性.在无光照时,与普通二极管一样,具有单向导电性.有光照时,特性曲线下移,它们分布在第三,四象限内.图光电二极管的伏安特性图光电二极管的外形和符号第23页/共56页特性曲线在第四象限时呈光电池特性图(b).(c).(d).所示分别是光电二极管工作在特性曲线的第一,三,四象限时原理电路.除上述特殊二极管外,还有利用PN结势垒电容制成的变容二极管.例见右图图例图电路图第24页/共56页1.3双极型晶体管双极型晶体管又称晶体三极管,半导体三极管等,后面
11、简称晶体管.图所示为晶体管的几种常用外形,图(a),(b)所示为小功率管,图(c)所示为中等功率管,图(d)所示为大功率管.图晶体管的几种常见外形第25页/共56页晶体管的结构及类型根据不同的参杂方式在同一硅片上制造出三个参杂区域,并形成两个PN结,就构成了晶体管,采用平面工艺制成的NPN型硅材料晶体管的结构如图所示,图(b)所示为NPN型管的结构示意图,图(c)所示为NPN型管和PNP型管的符号.晶体管的电流放大作用 放大是对模拟信号最基本的处理.图晶体管的结构和符号第26页/共56页图所示放大电路ui为输入电压信号,它接入基极-发射极回路,称为输入回路;放大后的信号在集电极-发射极回路,称
12、为输出回路.由于发射极是两个回路的公共端,故称电路为共射放大电路.因为晶体管工作在放大的状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置.基本共射放大电路见右图图基本共射放大电路第27页/共56页一.晶体管内部载流子的运动当图所示电路中ui=0时,晶体管内部载流子运动示意图如图所示.1.发射结加正向电压,扩散运动形成发射极电流IE2扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB3集电结加反向电压,漂移运动形成集电极电流IC图晶体管内部载流子运动与外部电流第28页/共56页二.晶体管的电流分配关系设由发射极区扩散所形成的电子电流为IEN,极区向发射区扩散所形成的空穴电流为IEP,极区内复合运
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