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模拟电子技术 第1章半导体器件 一 半导体知识基础 3 半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质 1 导体 很容易导电的物质 2 绝缘体 几乎不导电的物质 如锗 Ge 硅 Si 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 1 1半导体的特性 共用电子对 二 本征半导体 1 本征 本质特征 即纯净的半导体 2 定义 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 3 导电机理 本征激发 热激发 空穴 自由电子 总结 1 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 自由电子和空穴 2 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 思考 本征半导体与导体的区别 三 杂质半导体 1 N型半导体 电子半导体 本征半导体中掺入微量的五价元素磷 施主原子 受主原子 2 P型半导体 空穴半导体 本征半导体中掺入微量的三价元素硼 总结 1 N型半导体 电子半导体 2 P型半导体 空穴半导体 1 2半导体二极管 一 PN结及其单向导电性 1 PN结的形成 1 由载流子的浓度差 多子扩散 2 正负离子显电性 建立空间电荷区 形成内电场E 3 内电场E 扩散 漂移 动平衡 PN结的形成过程 空间电荷区中没有载流子 空间电荷区的内电场阻碍P区的空穴和N区的自由电子形成扩散电流 内电场阻碍多子的扩散 多子由掺杂浓度确定 少子与温度有关 空间电荷区中内电场的作用使P区的电子和N区的空穴形成漂移电流 内电场有助少子漂移 总结 2 PN结的单向导电性 1 正偏 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 2 反偏 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 二 二极管的伏安特性 点接触型 结面小 结电容小 适用高频小电流场合 如 检波电路 数字开关电路 面接触型 结面大 结电容大 用在低频电路 如整流电路 1 正向特性 2 正向特性 正向电阻很小 1 反向饱和电流 IS 2 反向特性 2 反向击穿电压 UBR 3 二极管方程 三 二极管的主要参数 1 最大整流电流IF 正偏极限参数 二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 点接触型 几十毫安 面接触型较大 2 最高反向工作电压UR 反偏极限参数 二极管不被反向击穿时允许承受的最大反向电压 一般UR是UBR的一半 或三分之二 3 反向电流IR 在UBR下对应的反向电流 IR愈小愈好 4 最高工作频率fM 二极管工作的上限截止频率 结电容越大 fM越低 PN结的电容效应 1 势垒电容 反偏形成 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CT 2 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时 在扩散过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 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 四 二极管的等效电路 1 理想模型 正偏 压降为0 反偏 电流为0 2 恒压降模型 导通时压降恒定 Si 0 7V Ge 0 3V 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 电路如图 已知ui 10sin tV 且E 5V 试分析工作原理 并作出输出电压uo的波形 解 1 理想模型 ui E D截止 uR 0 输出uo ui ui E D导通 uD 0 输出uO E 2 恒压降模型 ui E 0 7 D截止 uR 0 ui E 0 7 D导通 uD 0 输出uo ui 输出uO E 0 7 电路为正限幅电路 图示两个电路 已知ui 10sin tV 试画出输出电压uo的波形 用理想模型 解 图 a ui 0 D导通 uO 0 ui 0 D截止 uO ui 图 b ui 0 D导通 uO ui ui 0 D截止 uO 0 二极管实现整流作用 VA VB DA先导通 DA起钳位作用 使VF 3V VB VF DB截止 将VB与VF隔离 电路中 输入端VA 3V VB 0V 试求输出端F的电位VF DA DB为理想二极管 解 二极实现钳位和隔离作用 五 稳压二极管 1 伏安特性 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 2 主要参数 1 稳定电压UZ 在规定的稳压管反向工作电流下 所对应的反向工作电压 2 稳定电流IZ 稳压管工作在稳定状态时的参考电流 3 动态内阻rZ 4 额定功耗PZ 5 电压温度系数 U 1 3双极结型三极管 一 基本结构 NPN型 PNP型 发射结 集电结 二 电流分配和放大原理 1 载流子传输过程 IEN IEP IBN ICBO ICN 2 电流分配关系 1 内部 2 外部 3 三极管的放大作用 1 共基极直流电流放大系数 2 共射直流电流放大系数 3 三种组态 三 三极管的特性曲线 1 输入特性 死区 非线性区 线性区 2 输出特性 饱和区 放大区 截止区 为什么uCE较小时iC随uCE变化很大 为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线 四 三极管的主要参数 1 共射电流放大系数 2 共射直流电流放大系数 3 共基电流放大系数 4 共基直流电流放大系数 2 反向饱和电流 1 集 基极反向电流ICBO 温度 少子 ICBO 2 集 射极穿透电流ICEO 3 极限参数 1 集电极最大允许电流ICM IC 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM 2 极间反向击穿电压 发射极开路时集 基极之间的击穿电压U BR CBO 3 集电极最大允许耗散功率PCM 三极管的最大热损耗 基极开路时集 射极之间的击穿电压U BR CEO 1 4场效应三极管 MOS管的结构 MOS MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor 金属 氧化物 半导体场效应管 源极S Source 漏极D Drain 栅极G