【电子教案--模拟电子技术】第一章半导体器件

模拟电子技术第1章半导体器件1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3二极管电路的分析方法1.4特殊二极管小结1.5双极型半导体三极管1.6场效应管模拟电子技术1.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结模拟电子技术1.1.1本征半导体半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。模拟电子技术硅(锗)的原子结构简化模型惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动模拟电子技术本征激发：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。模拟电子技术两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。模拟电子技术1.1.2杂质半导体一、N型半导体和P型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数电子数模拟电子技术1.1.2杂质半导体一、N型半导体和P型半导体P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数空穴数模拟电子技术二、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体IINP型半导体IIP模拟电子技术三、P型、N型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子模拟电子技术1.1.3PN结一、PN结(PNJunction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。内建电场模拟电子技术3.扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。二、PN结的单向导电性1.外加正向电压(正向偏置)—forwardbias模拟电子技术P区N区内电场外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子I多子2.外加反向电压(反向偏置)—reversebiasP区N区内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子0模拟电子技术三、PN结的伏安特性)1e(/STUuII反向饱和电流温度的电压当量qkTUT电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mVOu/VI/mA正向特性反向击穿加正向电压时加反向电压时i≈–IS模拟电子技术1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构和类型1.2.2二极管的伏安特性1.2.3二极管的主要参数模拟电子技术1.2.1半导体二极管的结构和类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型模拟电子技术点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP型支持衬底模拟电子技术模拟电子技术1.2.2二极管的伏安特性一、PN结的伏安方程)1e(/SDDTUuIi反向饱和电流温度的电压当量qkTUT电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mV模拟电子技术二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD=0Uth=0.5V0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0UUthUD(on)=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)U0iD=IS0.1A(硅)几十A(锗)UU(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)模拟电子技术反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。模拟电子技术硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020模拟电子技术温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD/mAuD/V20C90CT升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降模拟电子技术1.2.3二极管的主要参数1.IF—最大整流电流(最大正向平均电流)2.URM—最高反向工作电压，为U(BR)/23.IR—反向电流(越小单向导电性越好)4.fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO模拟电子技术影响工作频率的原因—PN结的电容效应结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。模拟电子技术1.3二极管电路的分析方法1.3.1理想二极管及二极管特性的折线近似1.3.2图解法和微变等效电路法模拟电子技术1.3.1理想二极管及二极管特性的折线近似一、理想二极管特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=模拟电子技术二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)模拟电子技术三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UIIUrD斜率1/rDrD1UD(on)模拟电子技术UD(on)例1.3.1硅二极管，R=2k，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。模拟电子技术[解]VDD=2V理想IO=VDD/R=2/2=1(mA)UO=VDD=2V恒压降UO=VDD–UD(on)=20.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2=0.65(mA)VDD=10V理想IO=VDD/R=10/2=5(mA)恒压降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD大，采用理想模型VDD小，采用恒压降模型模拟电子技术例1.3.2试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO的值。解：假设二极管断开UP=15V(V)912313NUUPUN二极管导通等效为0.7V的恒压源PN模拟电子技术UO=VDD1UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)模拟电子技术例1.3.3二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。0V正偏导通5V正偏导通0V模拟电子技术输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V模拟电子技术例1.3.4画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui=15sint(V)作用下输出uO的波形。(按理想模型)Otui/V15RLV1V2V3V4uiBAuO模拟电子技术OtuO/V15若有条件，可切换到EWB环境观察桥式整流波形。模拟电子技术例1.3.5ui=2sint(V)，分析二极管的限幅作用。ui较小，宜采用恒压降模型ui0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VV2导通V１截止ui0.7VV1导通V2截止uO=0.7V模拟电子技术思考题:V1、V2支路各串联恒压源，输出波形如何？(可切至EWB)OtuO/V0.7Otui/V20.7模拟电子技术1.3.2图解法和微变等效电路法一、二极管电路的直流图解分析uD=VDDiDRiD=f(uD)1.2V100iD/mA128400.30.6uD/V1.20.9MN直流负载线斜率1/R静态工作点斜率1/RDiDQIQUQ模拟电子技术也可取UQ=0.7VIQ=(VDDUQ)/R=5(mA)二极管直流电阻RD(140)k(14.05/7.0QQDIUR模拟电子技术iD/mAuD/VO二、交流图解法电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中含交、直流成分C隔直流通交流当ui=0时iD=IQUQ=0.7V(硅)，0.2V(锗)RUVIQDDQ设ui=sintVDDVDD/RQIQtOuiUQ斜率1/rd模拟电子技术iD/mAuD/VOVDDVDD/RQIQtOuiUQiD/mAtOdQDiIidQDuUuid斜率1/rdQuirDDddd1)1e(/SDDTUuIiTUUTUIUIrTQSdQe1rd=UT/IQ=26mV/IQ当ui幅度较小时，二极管伏安特性在Q点附近近似为直线模拟电子技术uiudRidrd三、微变等效电路分析法对于交流信号电路可等效为例1.3.6ui=5sint(mV)，VDD=4V，R=1k，求iD和uD。[解]1.静态分析令ui=0，取UQ0.7VIQ=(VDDUQ)/R=3.3mA模拟电子技术2.动态分析rd=26/IQ=26/3.38()Idm=Udm/rd=5/80.625(mA)id=0.625sint3.总电压、电流dQDuUudQDiIi=(0.7+0.005sint)V=(3.3+0.625sint)mA模拟电子技术1.4特殊二极管1.4.1稳压二极管1.4.2光电二极管模拟电子技术1.4.1稳压二极管一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性模拟电子技术二、主要参数1.稳定电压UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.最大工作电流IZM最大耗散功率PZMPZM=UZIZM4.动态电阻rZrZ=UZ/IZ越小稳压效果越好。几几十模拟电子技术5.稳定电压温度系数CT%100ZZTTUUC一般，UZ4V，CTV0(为齐纳击穿)具有负温度系数；UZ7V，CTV0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4VUZ7V，CTV很小。模拟电子技术例1.4.1分析简单稳压电路的工作原理，R为限流电阻。IR=IZ+ILUO=UI–IRRUIUORRLILIRIZ模拟电子技术1.4.2发光二极管与光敏二极管一、发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V符号u/Vi/mAO2特性模拟电子技术2.主要参数电学参数：IFM，U(BR)，IR光学参数：峰值波长P，亮度L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,模拟电子技术模拟电子技术二、光敏二极管1．符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片模拟电子技术补充：选择二极管限流电阻步骤：1.设定工作电压(如0.7V；2V(LED)；UZ)2.确定工作电流(如1mA；10mA；5mA)3.根据欧姆定律求电阻R=(UIUD)/ID(R要选择标称值)模拟电子技术1.5双极型半导