模拟电子技术基础第四版课件 第一章

(1-1)第一章常用半导体器件§1.1半导体的基本知识§1.2半导体二极管§1.3晶体三极管§1.4场效应管(1-2)1.1.1本征半导体导体：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。§1.1半导体基础知识(1-3)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。(1-4)一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。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。(1-5)本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，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。硅和锗的晶体结构：(1-6)硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子(1-7)共价键中的两个电子常温下很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4(1-8)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.载流子、自由电子和空穴(1-9)+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子(1-10)2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。(1-11)本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。(1-12)温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。3.本征半导体载流子的浓度本征激发与复合产生电子空穴对的过程称为本征激发；电子空穴对成对消失的过程为复合。(1-13)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。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。1.1.2杂质半导体(1-14)一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。(1-15)+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。(1-16)二、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），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。(1-17)1.1.3PN结在同一片半导体硅片上，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。(1-18)P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动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，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。1PN结的形成(1-19)漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E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。(1-20)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0(1-21)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。二PN结的单向导电性(1-22)－－－－++++RE1、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。(1-23)2、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。RE(1-24)3PN结方程三PN结的击穿UI)1(TUUSeII(1-25)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四PN结的电容效应(1-26)1.2半导体二极管PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：1.2.1半导体二极管的结构和符号(1-27)UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.8V,锗管0.1~0.3V。反向击穿电压UBR1.2.3二极管的伏安特性(1-28)1.最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。1.2.4二极管的主要参数3.最高反向工作电压UR通常最高反向工作电压UR一般是UBR的一半.(1-29)4.反向电流IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。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。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。5.最高工作频率fM二极管工作的上限截止频率(1-30)1.2.5二极管的等效电路1.理想模型理想二极管：（1）正向导通时死区电压和导通压降均为零，正向导通电流为无穷大。（2）反向截至时，反向电流为零，反向击穿电压为无穷大。(1-31)2开关等效模型(1-32)3折线模型IURD(1-33)4.微变等效模型iDuDIDUDQiDuDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：DDDiur显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。(1-34)RLuiuouiuott1.2.6半导体二极管的应用1.二极管整流电路(1-35)2.限幅电路(1-36)3.门电路UA（V）UB（V）UO（V）000.7030.7300.7333.7(1-37)1稳压二极管UIIZminIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压性能越好。1.2.7特殊二极管简介(1-38)2发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。(1-39)3光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加(1-40)1.3.1三极管的结构、分类和符号BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型§1.3晶体三极管又称双极型晶体管（BipolarJunctionTransistorBJT)、半导体三极管(1-41)BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高(1-42)BECNNP基极发射极集电极发射结集电结(1-43)1.3.2三极管的电流放大作用BECNNPVBBRBVCCIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。(1-44)BECNNPVBBRBVCCIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICN+ICBOICNIBEICN从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICN。(1-45)IB=IBE-ICBOIBEIB(1-46)(1-47)ICN与IBE之比称为电流放大倍数BCCBOBCBOCBECNIIIIIIII(1-48)BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管(1-49)1.3.3三极管的共射特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBVCCVBB实验线路(1-50)一、输入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.8V,锗管UBE0.1~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。(1-51)二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。(1-52)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。(1-53)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE死区电压，称为截止区。(1-54)输出特性三个区域的特点:(1)放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC=IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V(3)截止区：UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO0(1-55)例：=50，VCC=12V，RB=70k，RC=6k当VBB=-2V，2V，5V时，晶体管的工作在哪个区？当VBB=-2V时：ICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBEmA2612maxCCCCRVIIB=0，IC=0IC最大电流：工作在截止区(1-56)例：=50，UCC=12V，RB=70k，RC=6k当UBB=-2V，2V，5V时，晶体管工作在哪个区？ICICmax(=2mA)，工作在放大区。ICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBEVBB=2V时：9mA01.0707.02BBEBBBRUVI0.95mA9mA01050.IIBC(1-57)VBB=5V时:例：=50，VCC=12V，RB=70k，RC=6k当VBB=-2V，2V，5V时，晶体管工作在哪个区？ICUCEIBVCCRBVBBCBERCUBE工作在饱和区，此时IC和IB已不是倍的关系。mA061.0707.05BBEBBBRUVIcmaxBII5m0.3mA061.050mA2cma