电子线路第一章.

1电子线路主讲人：郑晓东13966486726参考书:《电子技术基础模拟部分》康华光高等教育出版社《电子技术基础数字部分》康华光高等教育出版社2第一章基本半导体器件3导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。§1.1半导体的基本知识4半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：•当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。•往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。5现代电子学中，用的最多的半导体是硅（+14）和锗（+32），它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。半导体的共价键结构6一、本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：1.1.1本征半导体、空穴及其导电作用7硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子8共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+49二、本征半导体的激发和复合在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴10+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子112.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。12温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。131.1.2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。14一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。15+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。16二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。17三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。181.1.3PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。PN结形成原理：两种运动（扩散运动和漂移运动）的结果。19P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。20漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。21－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区（势垒区）N型区P型区电位VVB221.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:231.1.4PN结的特性PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。PN结具有单向导电性“正向导通，反向截止”24－－－－++++RE一、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。IF25二、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。REIR26三、PN结伏安特性)1(TVVRsatDeIiiD(mA)V(v)T1T2T1T2温度每升高10度，反相饱和电流增加1倍RsatTRsatTIIVIIVVlg3.2lnqkTVT27四、PN结的击穿雪崩击穿：随着反向电压的增大，阻挡层内部的电场增强，阻挡层中载流子的漂移速度相应加快，致使动能加大。当反向电压增大到一定数值时，载流子获得的动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子—空穴对。新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子－空穴对。如此连锁反应使得阻挡层中载流子的数量急剧增多，因而流过PN结的反向电流也就急剧增大。因增长速度极快，象雪崩一样，所以将这种碰撞电离称为雪崩击穿(AvalancheMultiplieation)28四、PN结的击穿齐纳击穿当PN结两边的掺杂浓度很高时，阻挡层将变得很薄。在这种阻挡层内，载流子与中性原子相碰撞的机会极小，因而不容易发生碰撞电离。但是，在这种阻挡层内，加上不大的反向电压，就能建立很强的电场(例如加上1V反向电压时，阻挡层内的场强可达2.5X105V／cm)，足以把阻挡层内中性原子的价电子直接从共价键中拉出来，产生自由电子-空穴对，这个过程称为场致激发。场致激发能够产生大量的载流子，使PN结的反向电流剧增，呈现反向击穿现象。这种击穿称为齐纳击穿(ZenerBreakdown)一般而言，击穿电压在6V以下的属于齐纳击穿，6V以上的主要是雪崩击穿291.2.1基本结构及符号PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：§1.2半导体二极管30实际二极管的照片311.2.2伏安特性实际特性曲线UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。开启电压:硅管0.5~0.7V,锗管0.1~0.3V。反向击穿电压UBR32在正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析是可行的。理想二极管：死区电压=0，正向压降=0，反向电阻=∞，反向电流=0理想特性曲线331稳压二极管（齐纳二极管）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。1.2.3其他类型的二极管稳压管的代表符号与V-I特性(a)代表符号(b)V-I特性(c)反向击穿时的模型34(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35（2）变容二极管（a）符号（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）36（3）肖特基二极管（a）符号（b）正向V-I特性37（4）光电子器件1.光电二极管（a）符号（b）电路模型（c）特性曲线382.发光二极管符号光电传输系统391.2.4二极管的主要参数1.最大整流电流IFM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR/反向峰值电压URM二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR的一半。403.反向电流IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。414.最高工作频率/极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CT和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。P+-NnBTTVVCC)1()0(42扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。二极管的极间电容kD为一常数，其值与PN结两边的掺杂浓度等有关。扩散电容CD与通过PN结的电流I有关，其值大于势垒电容。当外加反向电压时，I=-Is，CD趋于零。CD=kD(I+Is)43RLuiuouiuott1.2.5二极管的应用举例：1、整流电路（半波）：442、限幅电路电路如图，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。当vI=6sintV时，绘出相应的输出电压vO的波形。453、稳压电路正常稳压时VO=VZ46负载电阻。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL5mA20mA,V,10minmaxzzzWIIU稳压管的技术参数:k2LR解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入电压ui的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi——方程147令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：k50V7518.R,.ui481.3.1BJT的结构及符号(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管§1.3双极型晶体管49半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型