模拟电子技术基础第一章

模拟电子技术基础第1章常用半导体器件•硅Si和锗Ge原子结构及简化模型+14284+3228418+4(a)(b)(c)(a)Si原子结构模型图(b)Ge原子结构模型图(c)简化模型图本征半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。通过特殊工艺，可使硅或锗材料形成晶体结构，每个原子与周围的4个原子以共价键的形式紧密结合着，并排列成整齐的晶格结构。价电子共价键单晶体中的共价键结构当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴若T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴和自由电子称为载流子。杂质半导体杂质半导体有两种N型半导体P型半导体一、N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。二、P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。自由电子浓度远大于空穴的浓度，即np。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。空穴浓度多于电子浓度，即pn。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4P型半导体的晶体结构+3受主原子空穴PN结及其单向导电性PNPN结PN结的形成在一块半导体的一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PN耗尽层空间电荷区PNPN结中载流子的运动1.扩散运动2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。PN空间电荷区内电场UD阻挡层3.空间电荷区产生内电场空间电荷区正负离子之间电位差UD——电位壁垒；——内电场；内电场阻止多子的扩散——阻挡层。4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。少子的运动与多子运动方向相反5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。二、PN结的单向导电性1.PN外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。PN在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。2.PN结外加反向电压(反偏)空间电荷区PN外电场方向内电场方向VRIS反相偏置的PN结反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。反向接法时，外电场与内电场方向一致，增强了内电场作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。PN结的电容效应PN结的单向导电性，体现了PN结具有可变电阻的性质，即外加正向电压时，PN结呈现的电阻很小；外加反向电压时，PN结呈现的电阻很大。PN结除了表现有可变电阻的特性外，它还具有可变电容的特性。PN结的电容由势垒电容和扩散电容两部分组成。1）势垒电容当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，既耗尽区的空间电荷量随外加电压而增加或减少。这种现象与电容器充放电过程类似，其空间电荷量的变化所等效的电容，称之为势垒电容，用Cb表示。2）扩散电容因多子扩散所引起的电容效应对应的等效电容称之为扩散电容，用Cd表示。PN结的总电容Cj为Cb与Cd之和，即：Cj=Cb+CdPN结正偏时，结电容以Cd为主，即Cj≈Cd，其值通常为几十~几百pF;PN结反偏时，结电容以Cb为主，即Cj≈Cb，其值通常为几~几十pF。在低频时，常忽略Cj的影响，而在信号频率较高时，才考虑结电容的影响。1.在杂质半导体中多子的数量与------（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与------（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量------（a.减少、b.不变、c.增多）。4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是------，N型半导体中的电流主要是------。（a.电子电流、b.空穴电流）1.1什么是本征半导体?什么是杂质半导体?各有什么特征?1.2N型半导体是在本征半导体中掺入____价元素而形成，其多数载流子是______，少数裁流子是_______；P型半导体是在本征半导体中掺入____价元素而形成，其多数载流子是______，少数裁流子是_______。1.3当PN结无外加电压时，有无电流流过？有无载流子通过?PN结两端存在内建电位差，若将PN结短路，问有无电流流过?1.4PN结末加外部电压时，扩散电流_____漂移电流；外加正向电压时：扩散电流____漂移电流，其耗尽层变____；加反向电压时：扩散电流_____漂移电流，其耗尽层变______。部分习题：1.2半导体二极管普通二极管阳极引线阴极引线铝合金小球PN结N型硅金锑合金底座金属丝N型锗片外壳阴极引线阳极引线阳极阴极（a）（c）（b）图1.10二极管的结构与电路符号（a）面接触型（b）点接触型（c）电路符号按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。按PN结结构分：有点接触型和面接触型二极管。按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。二极管的伏安特性在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，I=f(U)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性–50I/mAU/V0.20.4–2551015–0.01–0.02锗管的伏安特性0二极管的伏安特性R(1)TuUieITkTUq231.38J/K10191.6C10k为波尔兹曼常数T为热力学温度，在T=300K时（室温下），UT≈26mVui0UBRUonIRq为电子电量二极管伏安特性S(1)TuUieIDSD(1)TUuieI二极管的主要参数1.最大整流电流IF二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压URM工作时允许加在二极管两端的反向电压值。3.反向电流IR室温下，二极管加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。4.最高工作频率fMfM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。5）直流电阻RDRD定义为：二极管两端所加直流电压UD与流过它的电流ID之比，即IURDDD0UDIDQ1Q2iu0iQiuu6）交流电阻rd当二极管外加正向直流偏置电压UD时，将产生电流ID，UD、ID在二极管的特性曲线上确定了一点Q（UD，ID）。定义在Q点附近的小范围内，电压的增量与电流的增量之比为rd，即DDdQQDD||duurdii)1(TDSDeuIiUudUeuIidUDTSD1TDIUeIUidudrQUuDQTSTQDDd||TD二极管等效模型0iuUon0Uoniu0iuIDUonrDUonUD1理想二极管等效电路2恒压降型等效电路3折线型等效电路二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流电路如图，求：UABV阳=－6VV阴=－12VV阳V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例2：取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳=－6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2UD1∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0V例3:D1承受反向电压为－6V流过D2的电流为mA43122DI求：UAB在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–ui8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo波形。Vsin18itu8V例4：二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。uit18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––(a)RuoD1uSD2E1E22V-2V(b)RuoD1uSD2E1E22V-2V0.7V0.7Vus00uott5V-5V2.7V-2.7V(c)半导体二极管的测量与选用:•用万用表的电阻档测量得出二极管的好坏:•两次测量正反向电阻相差最大,质量好.•两次测量正反向电阻接近或相等,失效.•两次测量正反向电阻无穷大,断路.•两次测量正反向电阻等于零,短路.1.8二极管电路如图1.46所示。试判断图中各二极管是导通还是截止，并求出A、O两端间的电压UAO，(设二极管的正向电压降和反向电流均可忽略)。(b)(a)(c)A10VD5VOA9VD212VOD1A10VD25VOD1A6VOD1D2D36V3V12V(d)2k3k2k3k1.10电路如图1.48所示，已知D1是硅管，D2是锗管，其余参数如图示。试计算UO和ID。10mAD12.2k1.2kIIDUOD26.8kIDUO5V10V(b)(a)稳压二极管管一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压管工作在反向击穿区。虽然反向电流变化较大，但管子两端的电压却变化很小。I/mAU/VO+正向+反向U(b)稳压管符号(a)稳压管伏安特性+I图1.2.10稳压管的伏安特性和符号ui0UZ+_0.7V~~+_~~+_~~+_VZ1.正向导通2.关断3.反向稳压导通稳压管主要参数1.稳定电压UZ5.动态电阻rZ2.稳定电流IZ（即IZmin)ZZZIUr稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。IIZ时，管子的稳压性能差；一般，I较大时稳压性能较好，但不能超过额定功耗最大稳定电流IZmax。4.额定功耗PZ稳压管的额定功耗PZ等于其稳定电压UZ与最大稳定电流IZM的乘积。PZ=UZIZM3.最大稳定电流IZmax稳压管正常工作时允许通过的最大电流。αzUT稳压管正常工作的参考电流。6.温度系数VDZR使用稳压管需要注意的几个问题：稳压管电路UOIO+IZIRUI+1.外加电源的正极接管子的N区，电源的负极接P区，保证管子工作在反向击穿区；RL2.稳压管应与负载电阻RL并联；3.必须限制流过稳压管的电流IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。发光二极管光电二极管发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件。1.11在图1.49所示电路中，稳压管参数为UZ＝12V，IZ＝5mA，PZM＝200mW，试分析：(1)稳压管是否工作于稳压状态?并求UO值;(2)稳压管是