模电 第一章 半导体二极管及其应用电路

主讲人：陈义华电话：[phone]模拟电子技术1.本课程的性质是一门技术基础课2.特点非纯理论性课程实践性很强以工程实践的观点来处理电路中的一些问题3.研究内容以器件为基础、以信号为主线，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。4.教学目标能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。绪　论5.学习方法重点掌握基本概念、基本电路的分析、计算及设计方法。6.成绩评定标准作业、考勤、提问、课外30%　　　期末考试　　　　70%7.教学参考书康华光主编，《电子技术基础》模拟部分第三版，高教出版社童诗白主编，《模拟电子技术基础》第二版，高教出版社陈大钦主编，《模拟电子技术基础问答：例题•试题》，华工出版社1.1906年发明了真空三极管——第一代电子器件诞生。2.1948年研制出晶体三极管——第二代电子器件出现。3.50年代末研制出集成电路——第三代电子器件出现。4.近几十年来集成电路发展成小规模、中规模、大规模及超大规模（几十平方毫米的片子上，可集成几百万个元件）5.电子技术学科可划分为两类：(1)模拟电子技术：可细分为模拟电子技术基础、通信电子电路，主要研究对模拟信号的处理。(2)数字电子技术：研究逻辑电路，对数字信号进行处理。•电子技术随器件的发展经历了以下几个阶段：2.目录1半导体二极管及其应用电路2半导体三极管及其放大电路3场效应管及其放大电路中的4功率放大电路5集成运算放大电路6反馈放大电路7集成运算放大器的应用电路8直流稳压电源9模拟电路应用实例第一章半导体二极管及其应用电路1.1半导体基础知识1.2PN结1.3半导体二极管1.4特殊二极管本章重点和难点：1.二极管的单向导电性。　2.二极管电路的基本分析。本章教学时数：4学时本章讨论的问题：2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？3.什么是N型半导体？什么是P型半导体？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在PN结中加反向电压时真的没有电流吗？1.为什么采用半导体材料制作电子器件？一、教学目的及要求介绍本课程的目的，特点和在学习中应该注意的事项和学习方法；让学生了解半导体基本知识，理解PN结的形成过程，掌握其单向导电性特性。二、教学重点PN结的形成和单向导电性三、教学难点PN结的单向导电性四、本讲计划学时及时间分配2学时1.1半导体的基本知识1.1.1半导体及其特性　　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.导体、半导体和绝缘体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。热敏和光敏(热敏和光敏器件)2.半导体的特性这些特点是可人为控制的！（二极管、三极管等）杂敏性1.1.2半导体的结构+14+32价电子硅原子核锗原子核硅原子结构锗原子结构+4离子核硅和锗的简化原子结构+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将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图1-1　共价键结构示意图当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1-2　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。　空穴可看成带正电的载流子。本征半导体中的两种载流子1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。　3.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动　　　会达到平衡，载流子的浓度就一定了。　4.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。小结：　1.1.3　掺杂半导体掺杂半导体有两种N型半导体P型半导体1.N型半导体(Negative)　　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)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子　　图1-3　N型半导体本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。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)。5价杂质原子称为施主原子。2.P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4　　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。+3　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。　3价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴图1-4　P型半导体说明：　　1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。　　2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N型半导体(b)P型半导体图　杂质半导体的的简化表示法在一块半导体单晶上一侧掺杂成为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。PNPN结图　PN结的形成1.2.1PN结的形成1.2　PN结PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.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（动画1-3）3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差Uho——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阻挡层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。PN1.2.2PN1.2.2PN结的单向导电性结的单向导电性1.PNPN结结外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向　耗尽层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。图1.2.2PN什么是PN结的单向导电性？有什么作用？　　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.PNPN结结外加反向电压时处于截止状态(反偏)　　反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；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。　耗尽层图1.2.3　PN结加反相电压时截止　　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。PN外电场方向内电场方向VRIS　　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。　　综上所述：这就是PN结的单向导电性。1.2.3PN结的反向击穿特性　　i=f(u)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性图1.2.4　PN结的伏安特性反向击穿齐纳击穿雪崩击穿反向击穿现象:反向电压超过一定值时导致二极管击穿，分为电击穿和热击穿1.电击穿:(1)雪崩击穿：当U↑，载流子获得能量高速运动，产生碰撞电离，形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流I↑。(2)齐钠击穿：当U↑，强电场直接破坏共价键。将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流I↑。2.热击穿:当U↑，时,耗散功率超过PN结的极限值,使温度升高,导致PN结过热烧毁.1.2.4PN结的电容效应（略讲）　　当PN上的电压发生变化时，PN结中储存的电荷量　　将随之发生变化，使PN结具有电容效应。电容效应包括两部分势垒电容扩散电容1.势垒电容Cb是由PN结的空间电荷区宽窄的变化形成的。(a)PN结加正向电压（b)PN结加反向电压N空间电荷区PVRI+UN空间电荷区PRI+UV　　空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：lSUQCddb　　由于PN结宽度l随外加电压u而变化，因此势垒电容Cb不是一个常数。其Cb=f(U)曲线如图示。：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。OuCb图1.1.11（b)631)1(0—：变容指数，nUuCCnBbb2.扩散电容CdQ是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，P区中的电子浓度np(或N区的空穴浓度pn)分布曲线如图中曲线1所示。x=0处为P与耗尽层的交界处当电压加大，np(或pn)会升高，如曲线2所示(反之浓度会降低)。OxnPQ12Q　　当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。Q　　正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程——扩散电容效应。图1.1.12PNPN结综上所述：PN结总的结电容Cj包括势垒电容Cb和扩散电容Cd两部分。Cb和Cd值都很小，通常为几个皮法~几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为CjCb。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为CjCd；在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。第二讲一、讲授内容1.3半导体二极管二、教学目的及要求（学生掌握、了解的要点）通过教学使学生了解半导体二极管的结构和分类，理解其伏安特性和主要参数，了解一些特殊二极管，特别是稳压二极管的工作原理。三、教学重点半导体二极管的伏安特性，二极管电路基本分析四、教学难点半导体二极管的伏安特性五、本讲计划学时及时间分配2学时1.3半导体二极管（第二讲）二极管按结构分有点接触型、面接触型图1.2.1二极管的几种外形1.点接触型二极管(a)点接触型二极管的结构示意图1.3.1二极管的结构和分类PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。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3.二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极aD1.3.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示+iDvD-R一、伏安特性UT---温度电压当量，常温下约为26mV；Is----反向饱和电流，硅管约为10-14A，锗管越10-8A；0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的伏安特性正向特性反向特性反向击穿特性开启电压：0.5V导通电压：0.70D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的伏安特性UonU(BR)开启电压：0.1V导通电压：0.2V例1-3-1测得通过某硅管的正向电流iD=0.01A或iD=1A，问它两端所加的电压uD分别为多少？VuAiDVuAiiueIiDDDDDUusDTD84.0)1101ln(026.0,16.0)11001.0ln(026.0,0