3-电子电路基础-16

杨远望[e-mail]第3章半导体器件教学内容和要求了解半导体基本知识理解二极管等半导体器件及其模型掌握受控电源的VCR，理解晶体管、场效应管等半导体器件及其模型第3章半导体器件杨远望[e-mail]第3章半导体器件半导体器件——半导体材料制成的电子器件，包括二极管、晶体管、场效应管等半导体器件是电子电路不可缺少的组成部分半导体器件内部结构的主要构成是PN结杨远望[e-mail]第3章半导体器件3.1半导体基本知识1、本征半导体半导体——硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等本征半导体——纯净(＞7N)且具有完整晶格结构的半导体杨远望[e-mail]第3章半导体器件硅、锗的晶格结构——一个原子位于立方体的中心，其相邻的四个原子位于立方体的前左上、前右下、后右上、后左下四个顶点杨远望[e-mail]第3章半导体器件硅、锗的共价键结构+4+4+4+4+4价电子电中性的离子杨远望[e-mail]第3章半导体器件2、杂质半导体通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量5价元素(如磷)形成N型杂质半导体——N型半导体杨远望[e-mail]第3章半导体器件+5+4+4+4+4自由电子减少一个价电子的正离子杨远望[e-mail]第3章半导体器件N型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子杨远望[e-mail]第3章半导体器件通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量3价元素(如硼)形成P型杂质半导体——P型半导体杨远望[e-mail]第3章半导体器件+3+4+4+4+4增加一个价电子的负离子空穴杨远望[e-mail]第3章半导体器件P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子杨远望[e-mail]第3章半导体器件3、PN结将本征半导体掺杂为两个区，一个区为P型半导体，另一个区为N型半导体PN结——两者界面形成的特殊薄层——P区一侧负离子，N区一侧正离子，空间电荷区——N区指向P区的内电场杨远望[e-mail]第3章半导体器件空间电荷区——结内存在内电场，电压值为0.6～0.8V(硅)，0.1～0.3V(锗)耗尽层——结内的载流子在PN结形成过程中基本耗尽杨远望[e-mail]第3章半导体器件4、PN结的单向导电性偏置——在半导体器件上所加的直流电压（偏压）和直流电流（偏流）正向偏置——直流电压正极接P区，负极接N区①正向偏置的PN结外电场削弱内电场，破坏动态平衡→多数载流子使外电路形成正向电流→PN结导通杨远望[e-mail]第3章半导体器件反向偏置——电压正极接N区，负极接P区②反向偏置的PN结外电场加强内电场，破坏动态平衡→少数载流子使外电路形成反向电流，数量极少→如忽略不计，PN结截止杨远望[e-mail]第3章半导体器件3.2二极管及其模型1、二极管iDuD+-杨远望[e-mail]第3章半导体器件N区P区①二极管的基本结构PN结二极管的核心是PN结杨远望[e-mail]第3章半导体器件②二极管的VCRuD/ViD/mAUBRUon正向电流iD达到mA数量级所对应的电压称为导通电压Uon，一般Uon=0.6～0.8V(硅)，0.1～0.3V(锗)通过实验测出的二极管关联参考方向下的VCR曲线杨远望[e-mail]第3章半导体器件)1e(I)1e(IiVCRTDDUuSkTquSD——方程二极管的mV26UUAnAITTS为热电压，常温下数量级或流，为二极管的反向饱和电式中，条件下BRDUu杨远望[e-mail]第3章半导体器件③二极管的主要参数最大整流(正向平均)电流IF最高反向工作电压UR反向电流IR最高工作频率fMBRU21杨远望[e-mail]第3章半导体器件PN结的电容效应——结电容势垒电容Cb——外加电压改变时，空间电荷区内电荷量改变所产生的电容效应扩散电容Cd——外加正偏电压改变时，载流子数量改变所产生的电容效应二极管的工作频率超过fM时，PN结的单向导电性被结电容破坏杨远望[e-mail]第3章半导体器件④二极管的温度特性10TT0SS02)T(I)T(I温度每升高10oC，反向饱和电流约增大1倍杨远望[e-mail]第3章半导体器件2、二极管模型二极管的VCR曲线不与任何基本元件或基本元件组合的VCR曲线吻合由二极管组成的电子电路IDUD+-RU杨远望[e-mail]第3章半导体器件UU)1e(RIURIDUUSDDTD——列方程求解IDUD+-RU图解——电路线性部分——直流负载线DDRIUU电路非线性部分——二极管VCR曲线杨远望[e-mail]第3章半导体器件UuD/ViD/mA杨远望[e-mail]第3章半导体器件在允许一定误差条件下，将二极管VCR曲线用折线近似UonuD/ViD/mAU杨远望[e-mail]第3章半导体器件用于近似二极管VCR曲线的折线与电压源和开路组合的VCR曲线在功率允许和偏置条件下吻合UonuD/ViD/mA二极管在功率允许和偏置条件下可以抽象为电压源和开路组合——电压源开关模型①二极管的直流模型杨远望[e-mail]第3章半导体器件IDUD+-UUonUUonIDUD=Uon+-ID=0UD+-杨远望[e-mail]第3章半导体器件如果二极管组成的电子电路中uI=UI+ui——偏置加交流小信号(变化量)iDuD+-RUI+-ui杨远望[e-mail]第3章半导体器件ui足够小条件下，将静态工作点Q附近二极管特性线性化，根据叠加定理，二极管电压uD=UDQ+ud、电流iD=IDQ+id——电子电路的动态分析=静态分析+交流小信号分析电子电路的静态分析——静态工作点Q——偏置UI单独作用时二极管电压UDQ、电流IDQ电子电路的交流小信号分析——静态工作点Q附近——交流小信号ui单独作用时二极管电压ud、电流id杨远望[e-mail]第3章半导体器件IDUD+-RUI偏置UI单独作用时静态分析——二极管在功率允许和偏置条件下抽象为电压源和开路组合——电压源开关模型杨远望[e-mail]第3章半导体器件交流小信号ui单独作用时idud+-R+-ui交流小信号分析——图解——电路线性部分——交流负载线didRiuu电路非线性部分——二极管VCR曲线杨远望[e-mail]第3章半导体器件UonuD/ViD/mAQ在允许一定误差条件下，将静态工作点Q附近二极管VCR曲线小范围内用切线近似udid杨远望[e-mail]第3章半导体器件②二极管导通区的交流小信号模型用于近似静态工作点Q附近二极管VCR曲线小范围内的切线与电阻的VCR曲线在交流小信号条件下吻合Qudid二极管在静态工作点Q附近交流小信号条件下可以抽象为动态电阻杨远望[e-mail]第3章半导体器件idud+-Q附近idud+-rdDQTUUSTQDDdIU)eI(U11dudi1rTDQmV26UUTT为热电压，常温下式中杨远望[e-mail]第3章半导体器件例1，图示电路中u=100sin(2π×104t)mV，求iDiDuD+-300Ω3V+-ui杨远望[e-mail]第3章半导体器件静态分析——3V单独作用的电路——二极管用直流模型——电压源开关模型)mA(67.7)A(00767.03007.03IDQ)(39.367.726IUrDQTdIDQUDQ=0.7V300Ω3V++--杨远望[e-mail]第3章半导体器件交流小信号分析——ui单独作用的电路——二极管用交流小信号模型——动态电阻)mA)(t102sin(33.039.3300)t102sin(100rRui44did动态分析——叠加)mA)(t102sin(33.067.7iIi4dDQDud+idrd300Ω3V+--杨远望[e-mail]第3章半导体器件3、稳压管一种专门工作在反向击穿状态的二极管iZuZ+-杨远望[e-mail]第3章半导体器件①稳压管的VCR通过实验测出的稳压管关联参考方向下的VCR曲线uZ/ViZ/mAUZUonUBR杨远望[e-mail]第3章半导体器件PN结的反向击穿——PN结的反偏电压超过击穿电压UBR时，反向电流急剧增大齐纳击穿——价电子被场致激发，发生于高掺杂PN结，击穿电压一般在6V以下雪崩击穿——价电子被碰撞电离，发生于低掺杂PN结，击穿电压一般在6V以上只要保证击穿时功率不超过允许值，PN结的反向击穿可逆杨远望[e-mail]第3章半导体器件②稳压管的主要参数稳定电压UZ最小稳定电流IZmin最大耗散功率PZm动态电阻rz温度系数α杨远望[e-mail]第3章半导体器件4、稳压管模型由稳压管组成的电子电路IZUZ+-RU杨远望[e-mail]第3章半导体器件①稳压管的直流模型用于近似稳压管VCR曲线的折线与电压源和开路组合的VCR曲线在功率允许和偏置条件下吻合UZuZ/ViZ/mA稳压管在功率允许和偏置条件下可以抽象为电压源和开路组合——电压源开关模型杨远望[e-mail]第3章半导体器件UUZUUZIZUZ=UZ+-IZ=0UZ+-IZUZ+-杨远望[e-mail]第3章半导体器件如果稳压管组成的电子电路中uI=UI+ui——偏置加交流小信号(变化量)iZuZ+-RUI+-ui在允许一定误差条件下，将静态工作点Q附近稳压管VCR曲线用折线近似杨远望[e-mail]第3章半导体器件②稳压管稳压区的交流小信号模型Quziz用于近似静态工作点Q附近稳压管VCR曲线的切线与电阻的VCR曲线在交流小信号条件下吻合稳压管在静态工作点Q附近交流小信号条件下可以抽象为动态电阻杨远望[e-mail]第3章半导体器件Q附近izuz+-rzizuz+-杨远望[e-mail]第3章半导体器件例2，图示电路中UZ=9V，rz=4Ω，输入电压的波动ui/UI=±10%，求输出电压的波动uo/UOuO+-+-15Vui60Ω180Ω杨远望[e-mail]第3章半导体器件静态分析——15V单独作用的电路——稳压管用直流模型