模拟电子技术基础简明教程(第三版)ppt

第一章半导体器件1.1半导体的特性1.2半导体二极管1.3双极型三极管(BJT)1.4场效应三极管第一节半导体的特性本征半导体杂质半导体1.半导体(semiconductor)共价键covalentbond半导体的定义：将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗一、本征半导体(intrinsicsemiconductor)价电子在硅(或锗)的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。晶体中的价电子与共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+42.本征半导体(intrinsicsemiconductors)纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度零度（即T=0K）时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同绝缘体一样。+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中的载流子带负电的自由电子freeelectron带正电的空穴hole如果温度升高，少数价电子将挣脱共价键束缚成为自由电子。在原来的共价键位置留下一个空位，称之为空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。在一定温度下电子–空穴对的产生和复合达到动态平衡。在本征半导体中，两种载流子总是成对出现称为电子–空穴对本征载流子的浓度对温度十分敏感电子–空穴对两种载流子浓度相等1.N型（或电子型）半导体(N-typesemiconductor)二、杂质半导体则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子与周围四个硅原子组成共价键时多余一个电子。这个电子只受自身原子核吸引，在室温下可成为自由电子。在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素，在本征半导体中掺入某种特定的杂质，就成为杂质半导体。+5+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子+5+4+4+4+4+4+4+4+4失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动，并带有正电荷，称为正离子。在这种杂质半导体中，电子的浓度大大高于空穴的浓度。因主要依靠电子导电，故称为电子型半导体。多数载流子majoritycarrier少数载流子minoritycarrier5价的杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。+3+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素，空位2.P型半导体(P-typesemiconductor)当它与周围的硅原子组成共价键时，将缺少一个价电子，产生了一个空位。空位为电中性。硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂质原子成为负离子，硅原子的共价键中产生一个空穴。在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。+3+4+4+4+4+4+4+4+4空穴在室温下仍有电子–空穴对的产生和复合。多数载流子P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。3价的杂质原子产生多余的空穴，起着接受电子的作用，所以称为受主原子。少数载流子在杂质半导体中：杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。杂质半导体的优点：掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。总结第二节半导体二极管PN结及其单向导电性二极管的伏安特性二极管的主要参数稳压管-++++++++++++-----------PN1.PN结中载流子的运动-++++++++++++-----------空间电荷区内电场UD又称耗尽层，即PN结。最终扩散(diffusion)运动与漂移(drift)运动达到动态平衡，PN结中总电流为零。内电场又称阻挡层，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。硅约为（0.6~0.8）V锗约为（0.2~0.3）V一、PN结及其单向导电性扩散漂移NP-++++++++++++-----------RV正向电流外电场削弱了内电场有利于扩散运动，不利于漂移运动。空间电荷区变窄2.PN结的单向导电性☻加正向电压+-U耗尽层内电场UD-U外电场I称为正向接法或正向偏置（简称正偏，forwardbias)PN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。+-U-++++++++++++-----------RV称为反向接法或反向偏置（简称反偏）一定温度下，V超过某一值后I饱和，称为反向饱和电流IS。结论：PN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。内电场外电场UD+U空间电荷区外电场增强了内电场有利于漂移运动，不利于扩散运动。反向电流非常小，PN结处于截止(cut-off)状态。☻加反向电压I反向电流IS对温度十分敏感。动画PN二、二极管的伏安特性阳极从P区引出，阴极从N区引出。1.二极管的类型从材料分：硅二极管和锗二极管。从管子的结构分：对应N区对应P区点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。开关型二极管，在数字电路中作为开关管。二极管的符号阳极anode阴极cathode302010I/mAUD/V0.51.01.5201024-I/μАO正向特性死区电压IsUBR反向特性+-UDI2.二极管的伏安特性当正向电压超过死区电压后，二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。硅二极管为0.7V左右锗二极管为0.2V左右死区电压正向特性0.51.01.5102030U/VI/mA0二极管正向特性曲线硅二极管为0.5V左右锗二极管为0.1V左右死区电压：导通压降：♥正向特性反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电压超过UBR则被击穿。IS反向特性UBR结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：反向饱和电流反向击穿电压若|U|UT则I≈-IS式中：IS为反向饱和电流UT是温度电压当量，常温下UT近似为26mV。♥反向特性S(e1)TUUII-2-4-I/μAI/mAU/V-20-100若UUT则eSUUTII三、二极管的主要参数♥最大整流电流IF指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。♥最高反向工作电压UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR。♥反向电流IR室温条件下，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。通常希望IR值愈小愈好。IR受温度的影响很大。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，则二极管允许的最高工作频率愈低。二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。♥势垒电容Cb由PN结的空间电荷区形成，又称结电容，反向偏置时起主要作用。♥扩散电容Cd由多数载流子在扩散过程中的积累引起，正向偏置时起主要作用。[例1.2.1]已知uI=Umsinωt，画出uO和uD的波形VDR+-+-uIuO+-uDiOUmωtuoOωtuDOuI＞0时二极管导通，uO=uIuD=0uI＜0时二极管截止，uD=uIuO=0-UmioUmωtuIO[例1.2.2]二极管可用作开关VVDVSVVDVS正向偏置，相当于开关闭合。反向偏置，相当于开关断开。四、稳压管稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；2.击穿是可逆的。符号及特性曲线如下图所示：ΔUΔI+-IUO稳压管的伏安特性和符号ΔUΔI值很小有稳压特性阴极阳极minZImaxZI1.稳定电压UZ：稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。2.稳定电流IZ：稳压管正常工作时的参考电流。3.动态内阻rZ：稳压管两端电压和电流的变化量之比。rZ=ΔU/ΔI4.电压的温度系数αU：稳压管电流不变时，环境温度对稳定电压的影响。5.额定功耗PZ：电流流过稳压管时消耗的功率。主要参数：使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：1.稳压管必须工作在反向击穿区。2.稳压管应与负载RL并联。3.必须限制流过稳压管的电流IZ。UORLVDZRUIIRIOIZ++--稳压管电路[例1.2.3]电路如图所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1kΩ，RLmin=600ΩUZ=6V,对应ΔUZ=0.3V。求rZ，选择限流电阻ROUORLVDZRUIIRIOIZ++--+-UZ解：IZ=IR-IO=UI-UZR-UZRLIZmax＞UImax-UZR-UZRLmaxIZmin＜UImin-UZR-UZRLminrZ=ΔIZΔUZ=6.7Ω15-650+61kΩ=161ΩR＞R＜10-65+60.6kΩ=267ΩΔIZ=IZmax-IZmin=45mAUORLVDZRUIIRIOIZ++--+-UZ+-VD1VD2U+-U+-U+-UVD1VD2VD1VD2VD1VD2[例1.2.4]有两个稳压管VD1和VD2，它们的稳压值为UZ1=6V，UZ2=8V，正向导通压降均为UD=0.6V，将它们串联可得到几种稳压值?U=UD+UD=1.2VU=UZ1+UD=6.6VU=UZ1+UZ2=14VU=UD+UZ2=8.6V第三节双极结型三极管三极管的结构三极管中载流子的运动和电流分配关系三极管的特性曲线三极管的主要参数半导体三极管晶体管(transistor)双极型三极管或简称三极管制作材料：分类：它们通常是组成各种电子电路的核心器件。双极结型三极管又称为：硅或锗NPN型PNP型一、三极管的结构三个区发射区：杂质浓度很高基区：杂质浓度低且很薄集电区：无特别要求发射结集电结集电区基区发射区cbeNPN型三极管的结构和符号两个PN结发射结集电结三个电极发射极e基极b集电极c集电极ccollector基极bbase发射极eemitterNPNRbRcVBBVCCecb发射极电流二、三极管中载流子的运动和电流分配关系1.发射:发射区大量电子向基区发射。2.复合和扩散：电子在基区中复合扩散。3.收集：将扩散过来的电子收集到集电极。同时形成反向饱和电流ICBO。IEICIBICNIENIBNICBO集电极电流基极电流RbRcVBBVCCecbIEICIBICNIENIBNICBOIC=ICn+ICBOIE=ICn+IBnIC=αIE+ICBO当ICBOIC时，可得≈ICIEαIEn=ICn+IBnIE=IEnIE=IC+IB将代入IC=ICn+ICBO得CNEIIICnα=IE通常将定义为共基直流电流放大系数。β≈ICIBIE=IC+IBIC=αIE+ICBO代入得IC=αα1-IB+α1-1ICBOβ=αα1-令可得IC=βIB+（1+）ICBOβIC=βIB+ICEO当ICEOIC时，可得β称为共射直流电流放大系数。ICEO=（1+β）ICBOIE=IC+IBIC≈βIBIE=（1+β）IBICEO称为穿透电流。各参数含义：：共基直流电流放大系数。：共射直流电流放大系数。α=ICnIEICEO=（1+）ICBOβ：集电极与发射极间穿透电流。β=ΔiCΔiBα=ΔiCΔiE：共基交流电流放大系数。：共射交流电流放大系数。β1+βα=β=α1-αα和β满足或β=IC-ICEOIB≈ICIB三、三极管的特性曲线1.输入特性iB=f（uBE）uCE=常数uCE=0VuCE=2V当uCE大于某一数值后，各条输入特性十分密集，通常用uCE1时的一条输入特性来代表。uBE/ViB/μAO三极管的输入特性uBEiB+-uCE=0VBBRbbec三极管的输入回路2.输出特性iC/mAOuCE/ViB=80μА6040200iC=f(uCE)iB=常数饱和区放大区1.截止区：iB≤0的区域，iC≈0，发射结和集电结都反偏。3.饱和区：发射结和集电结都正偏，uCE较小，iC基本不随iB而变化。当uCE=uBE时，为临界饱和；当uCEuBE时过饱和。截止区2.放大区：发射结正偏，集电结反偏ΔiC=βΔiB发射结反向偏置,集电结反向