模拟电子技术及应用

第1章基本半导体分立器件•1.1半导体的基本知识与PN结•1.2半导体二极管•1.3特殊二极管•1.4半导体三极管•1.5场效应晶体管导体：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半导体的基本知识及PN结什么是半导体?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。1.掺杂性2.热敏性和光敏性半导体的三大特性1-1-1本征半导体（纯净和具有晶体结构的半导体）一、本征半导体的结构特点GeSi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。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，每个原子与其相邻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：通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示原子外层原来有4个电子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子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，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，形成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4二、本征半导体的导电机理在绝对0度（-273℃）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），不能导电，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+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子（价电子）2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在外界因素的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，结果相当于空穴的迁移，效果相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子，能定向移动而形成电流。本征半导体中两种载流子的数量相等，称自由电子空穴对。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------半导体的热敏性。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。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。（在本征半导体中自由电子和空穴成对出现，同时又不断的复合）1-1-2杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质原子，形成杂质半导体。杂质半导体的导电性能将发生显著变化，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，也称为空穴型半导体。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为电子型半导体。一、N型半导体在硅或锗晶体（本征半导体）中掺入少量的五价元素，如磷，晶体中的某些半导体原子被杂质原子取代。由于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，这个电子不受共价键的束缚，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；本征半导体电子和空穴成对出现的现象也被打破。+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子有哪些呢？（1）由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。（2）本征半导体中成对产生的电子和空穴。一般情况下，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。在N型半导体中，自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。二、P型半导体在硅或锗晶体（本征半导体）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原子取代。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。+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。三、杂质半导体的示意图－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体小结2.N型半导体：电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子；空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。3.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。1.本征半导体中受激（热激发即本征激发）产生的电子和空穴成对出现，数量很少。4.杂质半导体：多子数（多子浓度）主要由掺杂浓度决定，受温度影响较小；而少子（少子浓度）主要由本征激发决定，所以受温度影响较大。1-1-3PN结的形成在同一片半导体基片上，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。P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动越强。空间电荷区，也称耗尽层。内电场E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.空间电荷区中没有多数载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴和N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P区中的电子和N区中的空穴（都是少子）数量有限，因此由它们形成的电流很小。小结(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流（与外电场方向一致）IF－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+WER空间电荷区内电场E正向电流1-1-4PN结的单向导电性(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IR+－－－+－－内电场++－++－E+－EW－－+－空间电荷区+－R+++IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR受温度影响较大。PN结加正向电压时，可以有较大的正向扩散电流，即呈现低电阻，我们称PN结导通；PN结加反向电压时，只有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，我们称PN结截止。这就是PN结的单向导电性。本次课小结•1、半导体与金属导电的不同（载流子）。•2、半导体的三大特性。•3、本征半导体、热（本征）激发。•4、掺杂半导体、多子和少子。•5、PN结的形成。•6、PN结的单向导电性。作业：P.5.1.1.3P.8.1.2.11.2.21.2.31-2半导体二极管1-2-1半导体二极管的基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线（管脚）外壳触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：阳极a+阴极k-1-2-2伏安特性反向击穿电压UBR死区电压，硅管约0.5V,锗管约0.2V导通压降:硅管0.6～0.8V,锗管0.2～0.4V。反向饱和漏电流V(V)I(mA)(μA)二极管的反向击穿简介1-2-3主要参数1.最大整流电流IDM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。3.反向击穿电压VBR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。手册上给出的最高反向工作电压VBWM一般是VBR的一半。2.反向工作峰值电压VBWM保证二极管不被击穿时的反向峰值电压。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.微变电阻rDiDvDIDVDQiDvDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化量与电流的变化量之比：DDDivr显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。6.二极管的极间电容（结电容）*☆二极管的两极间存在电容效应，对应的等效电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。*势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。电容效应：当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度将随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同(相当于电容的充放电)。+－NPpLx浓度分布耗尽层NP区区中空穴区中电子区浓度分布nL电容效应在交流信号作用下才会表现出来。扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的电子在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。势垒电容在正偏和反偏时均不能忽略。而反向偏置时，由于少数载流子数目很少，可忽略扩散电容。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☆☆☆从二极管的主要参数中可得出二极管单向导电性失败的场合及原因☆☆☆•1、正向偏压太低。（不足以克服死区电压）•2、正向电流太大。（会使PN结温度过高烧毁）•3、反向偏压太高。（造成反向击穿）•4、工作频率太高。（使结电容容抗下降而反向不截止）实际二极管：死区电压0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例1：二极管半波整流实际应用中利用二极管的单向导电性，典型应用有整流、限幅、保护等。二极管的应用举例2：波形转换tttuiuRuoRRLuiuRuo1-3特殊二极管1-3-1稳压二极管VIIZIZmaxUZIZ曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳压性能越好。（4）稳定电流IZ，最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗maxZZZMIUP稳压二极管的参数:（1）稳定电压UZ（2）电压温度系数V（%/℃）稳压值受温度变化影响的系数。（3）动态电阻ZZIUZr稳压管只有与适当的电阻连接才能起到稳压作用。VIIZIZmaxUZIZUZiUIZIZULR0URR叫限流电阻，使流经稳压二极管的电流在其安全范围内。稳压二极管的应用举例UoiZDZRiLiUiRL5mA20mA,V,10minmaxzzzIIV稳压管的技术参数:k2LR解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为IzmaxmA25maxLZzRUIi10252.1RUiRVzi——方程1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：电阻R和输入电压Vi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LZzRUIi10108.0RUiRVzi——方程2联立方程1、2，可得：k5.0,V75.18RUi选择限流电阻阻值的原则•1、当输入电压最大而负载要求的电流最小时，流过稳压二极管的电流最大，此时限流电阻要保证流过稳压二极管的电流小于最大电流；•2、当输入电压最小而负载要求的电流最大时，流过稳压二极管的电流最小，此时限流电阻要保证流过稳压二极管的电流大于最小电流。1-3-2光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IV照度增加光电流、暗电流1-3-3发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光。目前的发光二极管可以发出从红外到可见波段的光；电特性与一般二极管类似。1．半导体中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体