模拟电子技术基础常用半导体器件

(1-1)§1.1半导体基础知识§1.2半导体二极管§1.3双极型三极管§1.4场效应管第1章常用半导体器件(1-2)补充概念：导体、半导体和绝缘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。有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。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半导体基础知识(1-3)现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi电子器件所用的半导体一般都具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。(1-4)完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。在硅和锗晶体中，原子相互之间靠的很近，分属于每个原子的价电子受到相邻原子的影响，而使价电子为两个原子所共有，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。1.1.1本征半导体(1-5)本征半导体的导电机理在绝对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。(1-6)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。比如：热敏性、光敏性、掺杂性。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。(1-7)1.1.3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。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。(1-8)N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）。+4+4+5+4多余电子磷原子硅原子的半径:1.17x10-10米(1-9)N型半导体N型半导体中的载流子是什么？自由电子称为多数载流子（多子），由于掺入少量的五价元素形成的。空穴称为少数载流子（少子），由于热激发产生的。物理模型为：++++++++++++++++++++++++(1-10)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）。硼原子+4+4+3+4空穴(1-11)P型半导体P型半导体中空穴是多子，电子是少子。物理模型为：－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－(1-12)一.PN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。1.1.3PN结(1-13)杂质半导体的示意图表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体(1-14)P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动内容回顾：1.扩散定理2.电场概念(1-15)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。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。(1-16)漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动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。(1-17)二.PN结的单向导电性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。(1-18)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。（mA量级）(1-19)PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，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。（uA量级）(1-20)三.PN结的伏安特性在PN结的两端加上电压后，通过PN结的电流I随两端的电压V变化的曲线－伏安特性IS为反向饱和电流，q为电子的电量，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。常温下UT约为26mv。qkTUT(1-21)*四.PN结的电容效应在一定条件下，PN结具有电容效应，主要由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。(1-22)PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd(1-23)半导体二极管图片§1.2半导体二极管(1-24)(1-25){end}(1-26)1.2.1半导体二极管的结构在PN结上加上引线和外壳，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型二极管的结构示意图(1-27)(3)平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底(4)二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极a(1-28)1.2.2二极管的伏安特性(1-29)伏安特性UI死区电压:硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)SIGEUonUBR800C200C(1-30)(1-31)(1-32)(1-33)1.2.3二极管的主要参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM(1-34)(4)最高工作频率fM二极管工作的上限截止频率。(1-35)1.2.4二极管的等效电路能够用简单、理想的模型来模拟电子器件的复杂特性或行为的电路称为等效电路，也称为等效模型。能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路，也称为二极管的等效模型。(1-36)1.理想模型一、由伏安特性折线化得到的等效电路2.恒压降模型Uon3.折线模型Uon.2.0U;7.0UVVDD锗管：硅管：(1-37)+iDvD-R工程上：二极管的应用举例导通压降:硅管0.7V,锗管0.2V。(1-38)OIDUVU6V0.7V5.3V解：当开关断开时，输出电压为例题1.2.1已知二极管导通电压为0.7V。试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。当开关闭合时，二极管因外加反向电压而截止，故输出电压为O2UV12V注：这里采用二极管恒压降模型(1-39)——小信号交流模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr即)1(/SDDTVveIi根据得Q点处的微变电导QddvdigrDDd1QVvTTeVI/SDTVIDdd1gr则DIUT常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT二、二极管的微变等效电路)mA()mV(26DDdIIUrT(1-40)应用举例——补充1.二极管的静态工作情况分析V0DUmA1/DDDRVI理想模型（R=10k）VDD=10V情况分析mA93.0/)(DDDDRUVI恒压模型V7.0DU（硅二极管典型值）折线模型V5.0Uon（硅二极管典型值）mA931.0DDDDrRUonVIk2.0Dr设V69.0DDonDrIUU+DiDVDD+DiDVDDUD+DiDVDDrDUon二极管的近似分析计算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：恒压源模型mA3.9K1V)7.010(I测量值9.32mA相对误差00002.010032.99.332.9理想二极管模型RI10VE1kΩmA10K1V10I相对误差0000710032.932.9100.7V二极管的模型iuDU+-uiDUDU串联电压源模型DUuDUuUD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V。理想二极管模型ui正偏反偏-+iu导通压降二极管的V—A特性-+iuiu0讨论：解决两个问题如何判断二极管的工作状态？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？uD=V－iRQIDUDRuViDDV与uD可比，则需图解：实测特性对V和Ui二极管的模型有什么不同？(1-44)例2.4.2提示2.限幅电路时V5.3)()1(REFonIUUu时V5.3)()2(REFthIVVvO+UREFI+RO+UonUREFI+RrD{end}O+D(a)(b)UREFI+RO+UonUREFI+RrDO/VO/Vtt斜率斜率0.17rDrD+RUREF+Uon=3.5VI/V(c)(d)应用举例——补充(1-45)RRLuiuRuotttuiuRuo应用举例——补充3.脉冲识别电路请同学自己分析教科书例1.2.1(1-46)•1.3电路如图P1.3所示，已知ui＝10sinωt(v)，试画出ui与uO的波形。•设二极管正向导通电压可忽略不计。解图P1.3图P1.3(1-47)1.4电路如图P1.4所示，已知ui＝5sinωt(V)，二极管导通电压UD＝0.7V。试画出ui与uO的波形，并标出幅值。图P1.4解图P1.4(1-48)课程回顾1.学习方法概念清楚重点突出熟练掌握：作业题和典型例题2.杂质半导体：N型半导体中电子是多子，P型半导体中空穴是多子3.PN结的单向导电性(1)扩散运动涉及多子的运动；漂移运动涉及少子的运动,动态平衡；(2)PN结加上正向电压，扩散运动为主，所以正向电流很大（mA)；(3)PN结加上反向电压，漂移运动为主，所以反向电流很小(uA)。(1-49)4.半导体二极管(1)二极管的代表符号代表符号阴极阳极PN（2)二极管的伏安特性)1(/SDDTVveIi（3)二极管的温度特性温度升高时，二极管的管压降减少(1-50)5二极管的等效电路恒压降模型Uon.V2.0V;V7.0VDD锗管：硅管：小信号交流模型)mA()mV(26DDdIIVrT代表符号阴极阳极(1-51)1.2.5稳压二极管1.稳压管的伏安特性伏安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。(1-52)(a)符号(b)等效电路符号与等效电路:(1-53)(1)稳定电压UZ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。(2)最大功耗PZM——UZIZ(3)稳定电流IZ：IZmax——电流高于此值时，二极管会损坏Izmin——电流低于此值时，稳压性能变坏2.稳压二极管主要参数(1-54)(4)动态电阻rZrZ=UZ/IZ(5)温度系数——表示温度每变化1℃稳压值的变化量/ZUT(1-55)稳压二极管应用3.稳压电路+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常稳压时VO=VZ#稳压条件是什么？IZmin≤IZ≤IZmax#不加R可以吗？(1-56)+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ(1-57)+R-IR+-RLILVOVIIDZDZ例题1.2.2已知VI=10V,稳压管的稳定电压UZ=6V,最小稳定电流IZmin=5mA,最大稳定电流IZmax=25mA;负载电阻RL=600欧姆。求解限流电阻R的取值范围。解：由基尔霍夫电流定律得：RDZL(525)(525)10(1535)ZLUIIImARmAmAm