模拟电子技术基本教程 - 华成英主编 (1)

3.1半导体基础知识一、本征半导体二、杂质半导体三、PN结的形成及其单向导电性四、PN结的电容效应一、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质稳定的结构2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡两种载流子外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。二、杂质半导体1.N型半导体5磷（P）杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？2.P型半导体3硼（B）多数载流子P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？三、PN结的形成及其单向导电性物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低(相遇而复合)，产生内电场。PN结的形成因电场作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN结的单向导电性必要吗？清华大学华成英[e-mail]四、PN结的电容效应1.势垒电容PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！问题•为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？•为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？•为什么半导体器件有最高工作频率？3.2半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管一、二极管的组成点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。二、二极管的伏安特性及电流方程材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA)(ufi开启电压反向饱和电流击穿电压mV)26()1e(TSTUIiUu常温下温度的电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性TeSTUuIiUu，则若正向电压)1e(TSUuIi2.伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10℃STIiUu，则若反向电压三、二极管的主要参数•最大整流电流IF：二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。•最大反向工作电压UR：允许外加的最大反向电压，手册上给出的最高反向工作电压一般是UBR的一半。•反向电流IR：在室温下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。•最高工作频率fM：二极管工作的上限频率。因PN结有电容效应四、二极管的等效电路理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0导通时△i与△u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！1.将伏安特性折线化？100V？5V？1V？2.微变等效电路Q越高，rd越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流//11DTDTuUSuUSDDDdDDDTTdIeIidiIerududuUU五、基本应用电路1.整流电路整流电路是利用二极管的单向导电作用，将交流电变成直流电的电路。全波整流~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLe2’e2-+-+e2uLUdc≈0.9E2限幅电路是限制输出信号幅度的电路。2.限幅电路钳位电路：使输出电位钳制在某一数值上保持不变。设二极管为理想元件，当输入UA＝UB＝3V时，二极管V1，V2正偏导通，输出被钳制在UA和UB上，即UF＝3V；当UA＝0V，UB＝3V，则V1导通，输出被钳制在UF＝UA＝0V，V2反偏截止。3.钳位电路讨论：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？3.3稳压二极管稳压二极管又称齐纳二极管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管。1.伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。限流电阻斜率？2.主要参数若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！（4）稳定电流IZ(常记为Izmin)、最大稳定电流Izmax。（5）额定功耗maxZZZMIUP（1）稳定电压UZ（2）电压温度系数U（%/℃）（3）动态电阻ZZIUZr3、稳压二极管的应用电路UoIZDZRIOIRUiRLRLIoIRUoIZIRVo1）稳压电路5mA20mA,V,10minmaxzzzWIIU例：某稳压管k10LR要求：当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：限流电阻R和输入电压ui的正常值。令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWiuoiZDZRiLiuiRL联立方程，可解得：k50V7518.R,.ui解：令输入电压达到上限时，流过稳压管电流为IzmaxmA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi2）限幅电路发光二极管也叫LED，它是由砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）等半导体制成的，因此不仅具有一般PN结的单向导电性，而且在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。故发光二极管工作时要加正向电压。电路中常用做指示或显示及光信息传送。四、发光二极管（a）外形发光二极管的外形和符号DRU（c）应用电路（b）电路符号LED数码管