模拟电子技术基础-第1章半导体基础 2011.9.13

模拟电子技术基础,教材：模拟电子技术基础（第3版, 机工出版社 ）王美玲,1,课程安排,理论课时：56学时实验：24学时，课代表或者班长到4#247找王波老师确定，实验时间待通知,2,成绩说明,平时总计：30分 考勤及测验：15分； 作业：15分。期末考试：卷面100分，折合70分。,3,模拟电子技术基础,研究对象：模拟信号（在时间和幅度上均连续的信号）模拟电路（处理模拟信号的电路）,学习内容：模拟电路的基本概念、基本原理、基本应用及基本分析方法,学习方法：,工程的观点，学会近似处理实践性强，理论与实践相结合，注重实验、习题,4,5,放大电路的频响,第1章 半导体基础和二极管,1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管,6,作业,1-61-81-91-10自测题：1-2,1-3,7,难点:半导体中载流子的运动以及用载流子运动来说明半导体二极管工作原理。（是难点但不是重点。）,本章的难点和重点,重点：从使用的角度出发理解普通二极管、稳压二极管工作原理，掌握其外部特性及主要参数。,8,1.1 半导体的基本知识,一、半导体,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。常用的半电体材料为硅（Si）和锗（Ge），它们均为四价元素半导体具有特殊性质：光敏特性、热敏特性及掺杂特性等。,1.1.1 本征半导体,9,在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。,把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体,图1.2 本征半导体的共价键结构,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,二、本征半导体的结构,10,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,成对出现,成对消失,本征激发和复合,三、本征半导体中的两种载流子,电子和空穴,11,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电,价电子填补空穴,形成两种电流：电子电流，空穴电流,12,四、本征浓度,在一定温度条件下，产生与复合的过程虽然仍在不断进行，但电子-空穴对却保持一定的数目,本征半导体载流子的浓度,其中，Eg为半导体的激活能，T为绝对温度，k为波耳兹曼常数（1.3810-23J/K）， A为系数。,常温下：硅ni(pi)=1.41010/cm3 锗ni(pi)=2.51013/cm3,13,14,半导体材料性能对温度的敏感性，使其既可以用来制作热敏和光敏器件，同时又是造成其温度稳定性差的原因。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1.1.2 杂质半导体,一 . N 型半导体,在硅或锗的晶体中 掺入少量的五价元 素,如磷,则形成N型半导体。,多余价电子,自由电子,图1-4 N型半导体,15,N 型半导体结构示意图,在N型半导体中,电子是多数载流子（多子）, 空穴是少数载流子（少子），但仍是电中性,第1章 1.1,16,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,二. P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P 型半导体。,+4,17,在P型半导中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。,18,一、PN 结的形成,在同一块半导体单晶上,形成P型半导体和N型半导体,在这两种半导体的交界处就形成了一个PN 结。,1.1.3 PN 结,多子扩散,少子漂移,内电场方向,空间电荷区,P 区,N 区,19,由于载流子的浓度差，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。这种由于浓度差引起的运动称为扩散运动。,随着扩散运动的进行，N区出现正离子区，P区出现负离子区，这个不能移动的电荷区叫空间电荷区。因没有载流子，也叫耗尽层、势垒区、阻挡层。,20,由空间电荷区产生的、方向为N区指向P区的内建电场阻碍了扩散运动，同时使少子产生漂移运动，即N区的空穴向P区漂移， P区的电子向N区漂移。,当漂移运动和扩散运动达到动态平衡时，扩散电流等于漂移电流且方向相反，PN结中电流为零，PN结宽度及电位差Uho为恒定值。硅：（0.60.8）V；锗：（0.1 0.3）V。,21,在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。,P 区,N 区,22,二、 PN 结的特性,1、PN 结的单向导电性,是指PN结在不同极性的外加电压作用时，其导电能力有显著差异。,23,内电场方向,R,P 区,N 区,外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷,扩散运动增强，形成较大的正向电流,（1） 外加正向电压(正偏)（P端接电源正极）,PN结两端不能直接接电源两端。,24,P 区,N 区,内电场方向,R,（2） 外加反向电压(反偏) （N端接电源正极）,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,25,PN结的单向导电性,PN结正向偏置时靠多子导电，产生的正向电流数值较大,此时容易导电；PN结反向偏置时靠少子导电，产生的反向电流数值很小，几乎不导电。,26,2、PN结的伏安特性及其表达式,I为流过PN结的电流，U为PN结两端的外加电压。Is为反向饱和电流，UT 为“温度电压当量” ，常温时，UT 26mV,PN结的伏安特性是指PN结两端的外加电压与流过PN结的电流之间的关系曲线。,27,温度对反向电流的影响：,T，少子 ，IS ,PN加正向电压，且UUT时，,PN加反向电压，且U UT时，,28,PN结的正向特性受温度的影响,温度升高时，正向曲线左移，反向曲线下移。当保持正向电流不变时，环境温度每升调1C,PN结的端电压可减小22.5mV。,29,3、PN结的击穿特性,当PN结反向电压超过一定数值UBR后，反向电流急剧增加，该现象称为反向击穿， UBR称为反向击穿电压,30,雪崩击穿2. 齐纳击穿,齐纳击穿：在掺杂浓度高的情况下，耗尽层很窄，不大的反向电压可以在耗尽层产生很强的电场（E=U/l），直接破坏共价键，形成电子-空穴对，导致电流急剧增加。硅材料一般在4V以下。,31,雪崩击穿：掺杂浓度低，当反向电压比较大时，耗尽层中的少子加快漂移速度，撞击共价键，形成电子-空穴对，新的电子和空穴在电场的作用下加速运动，撞出新的价电子。载流子雪崩式倍增，导致电流急剧增加。一般在7V以上。,在4 7V之间，两者都有，其温度特性较好。,32,当PN结反向电压增加时，可能会发生反向击穿。要保证PN结不因电流过大产生过热而损坏。当反向电压下降到击穿电压（绝对值）以下时，PN结的性能便可恢复击穿前状态。,33,4、 PN结的电容效应,PN结除有单向导电性外，还有电容效应。,34,PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容，与平板电容器相同：,S：PN结面积d：PN结宽度：半导体介电常数,（1） 势垒电容CB,35,外加电压改变时引起扩散区积累的电荷量改变，这就形成了电容效应，其对应的电容称为“扩散电容”。不对称PN结的扩散电容：,（2） 扩散电容 CD,I：正向电流：非平衡少子的寿命,36,PN结的结电容CJ为势垒电容CB与扩散电容CD之和，即 ：CJ=CB+CD 正向偏置时，结电容一般 扩散电容为主；反偏时，则基本上等于垫垒电容。当工作频度很高时，由于结电容的存在就可能破坏PN结的单向导电性。,37,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构和类型,38,U / V,1.2.2 二极管的伏安特性,一、正向特性,阈值电压Uth:使二极管开始导通的电压,硅管Uth=0.5V锗管Uth=0.2V,导通电压(Uon)： 硅(0.60.8)V (取0.7V） 锗(0.1 0.3)V (取0.2V）,39,二、反向特性,加反向电压时，反向电流很小。,三、击穿特性,40,两种不同材料构成二极管的比较:,41,1.2.3 二极管的主要参数,1. 最大整流电流IF,2. 最大反向工作电压UR,二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，由PN结面积及散热条件决定。,二极管在使用时所允许加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。,42,1.2.3 二极管的主要参数,3、反向电流IR,4、 最高工作频率fM,二极管未击穿时的反向电流值。,主要由PN结的结电容大小决定。超过此值，单向导电性变差。,43,1.2.4 半导体二极管的型号及选择,一、半导体器件型号命名方法 (教材13页）,第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 第五部分,数字表示器件的电极数,拼音字母表示器件的材料和极性,拼音字母表示器件的类别,数字表示序号,拼音表示规格号,2CP10,44,1.2.4 半导体二极管的型号及选择,二、选用二极管的一般原则,1、要求导通后正向压降小的选锗管；要求反向电流小选硅管。,2、工作电流大时选面接触型；工作频率高时选点接触型。,3、反向击穿电压高时选硅管。,4、要求耐高温时选硅管。,45,1.2.5二极管的等效电路,一、理想二极管等效模型：理想开关,符号：,正偏时压降为零；反偏时电流为零。,为便于分析，在一定条件下，对其进行线性化处理，建立二极管的“线性模型”。,46,1.2.5二极管的等效电路,二、理想二极管+恒压源模型,符号：,只有正偏电压超过导通电压，二极管才导通，其两端电压为常数；否则二极管不导通，电流为零。,Uon是二极管的导通电压,47,对微小变化的信号，可以用伏安特性在Q点（静态工作点）的切线近似表示实际的这段曲线。动态电阻等效电阻：,三、微变信号模型,动态电阻与直流工作点位置有关,48,1.2.6半导体二极管应用举例,二极管有着广泛的应用，如限幅电路：限幅：限制电路的输出幅值。 二极管的限幅电路包括串联限幅电路、并联限幅电路和双向限幅电路等。,49,1、串联限幅电路推广到整流电路,二极管与负载电阻串联,ui正半周且数值大于导通电压，二极管导通，,ui负半周或数值小于导通电压，二极管截止， uo 0,50,1.2.6半导体二极管应用举例,2、并联限幅电路,二极管与负载电阻并联,ui正半周且数值大于导通电压，二极管导通， uo on,ui负半周或数值小于导通电压，二极管截止， uo ui,51,1.2.6半导体二极管应用举例,3、双向限幅电路,两个二极管反向并联在输出端,限制了输出信号的正负幅度,uo on,52,53,电源误接（反接）保护-单向导电性集成 运放的线性应用（运算）-对数、指数电路发光二极管光电二极管（发射管、接收管）稳压管,1、稳压管的伏安特性,1.2.7 稳压管,AB段，电流变化很大而电压基本不变，可用来稳压,是一种特殊的二极管，一定条件下稳定电压。,稳压管必须工作在反向工作区，多采用硅材料。,54,2、稳压管的主要参数,（2） 最小稳定电流 IZmin,电流为规定值时稳压管两端的电压值,稳压管稳压工作时的最小电流,（3） 最大耗散功率PZM和最大工作电流,55,2、稳压管的主要参数,（5） 动态电阻 rZ,（6） 稳定电压的温度系数 ,稳压管两端电压变化量与对应的电流变化量的比值,温度每变化1C，稳定电压UZ的相对变化量,56,57,稳定电压高于7V的稳压管具有正温度系数，低于4V的稳压管具有负温度系数，4-7V之间的温度系数最小。因此一般选用6V稳压管，或先用具有温度补偿的稳压管，也可将两个稳压值相同的管子反向串联使用。,稳压管正常工作的条件：,（1）工作在反向击穿状态,（2）稳压管中的电流在稳定电流及最大工作电流之间,3、应用电路,uo z,58,限流电阻的选取在第10章介绍。,其他类型二极管,1、发光二极管： 当外加