模拟电子技术基础.ppt

模拟电子技术基础,授课教师：高婕I_joey_you,导论,1.模拟电路主要学什么？（1）放大电路（2）滤波电路（3）运算电路（4）信号转换电路（5）信号发生电路（6）直流电路,2.如何学好这门课程（1）重点掌握“基本概念，基本电路，基本分析方法”。（2）学会高度概括总结，精而少地掌握知识，把书本读薄。（3）注重练习的积累，及时消化。（4）多做思考，注意联系和区分。,成绩的计算方法,平时成绩（60%）+期末成绩（40%）其中平时成绩包括：1.出勤率；2.作业；3.课堂表现；4.实验情况,第一章常用半导体器件,本章掌握以下几点：一、熟悉下列定义、概念及原理：自由电子与空穴，扩散与漂移，复合，空间电荷区，PN结，耗尽层，导电沟道，二极管的单向导电性，稳压管的稳压作用，晶体管和场效应管的放大作用和三个工作区域。,二、掌握二极管、稳压管、晶体管、场效应管的工作原理、外特性和主要参数三、了解选用器件的原则,1.1半导体的基本知识与PN结,1.1.1半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，称为半导体。常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。,半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。所以，利用这一特性，可以制造出不同性能、不同用途的半导体器件，而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。半导体之所以具有上述特性，根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。,1.1.2本征半导体一切物质都是由原子构成的，而每个原子都由带正电的原子核和带负电的电子构成。由于内层电子受原子核的束缚较大，很难活动，因此物质的特性主要由受原子核的束缚力较小的最外层电子，也就是价电子来决定。硅原子和锗原子的电子数分别为32和14，所以它们最外层的电子都是四个，是四价元素。其原子结构可以表示成如图1-1所示的简化模型。,图1-1硅和锗的原子结构简化模型,图1-2本征硅（或锗）的晶体结构（a）结构图；（b）平面示意图与共价键,在绝对零度（273）时，半导体中的价电子不能脱离共价键的束缚，所以在半导体中没有自由电子，半导体呈现不能导电的绝缘体特性。,1.本征激发和复合当温度逐渐升高或在一定强度的光照下，本征硅或锗中的一些价电子从热运动中获得了足够的能量，挣脱共价键的束缚而成为带单位负电荷的自由电子。同时，在原来的共价键位置上留下一个相当于带有单位正电荷电量的空位，称之为空穴，也叫空位。这种现象，叫做本征激发。在本征激发中，带一个单位负电荷的自由电子和带一个单位正电荷的空穴总是成对出现的，所以称之为自由电子空穴对，如图1-3所示。,图1-3本征激发产生自由电子空穴对,自由电子和空穴在热运动中又可能重新相遇结合而消失，叫做复合。本征激发和复合总是同时存在、同时进行的。所以，在一定温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。当环境温度升高，热运动加剧，自由电子与空穴的浓度升高，使得导电性能增强，反之，则降低。可见，本征半导体的导电能力与温度影响密切相关。,2自由电子运动与空穴运动经过分析，我们知道在本征半导体中，每本征激发出一个自由电子，就会留下一个空穴，这时本来不带电的原子，就相当于带正电的正离子，或者说留下的这个空穴相当于带一个单位的正电荷。在热能或外加电场的作用下，邻近原子带负电的价电子很容易跳过来填补这个空位，这相当于此处的空穴消失了，但却转移到相邻的那个原子处去了，如图1-4所示，价电子由B到A的运动，就相当于空穴从A移动到B。,图1-4空穴运动,因此，半导体中有两种载流子：一种是带负电荷的自由电子，一种是带正电荷的空穴。若在本征半导体两端外加一电场。则自由电子会出现定向移动，形成电子电流IN，另一方面，由于空穴的存在，价电子依次填补空穴。空穴产生定向移动形成空穴电流IP，如图1-5所示。所以半导体在外加电场作用下，电路中总的电流I是空穴电流IP和电子电流IN的和，即I=IN+IP（1-1）,图1-5本征半导体中载流子的导电方式,1.1.3杂质半导体由于半导体具有杂敏性，因此利用掺杂可以制造出不同导电能力、不同用途的半导体器件。根据掺入杂质的不同，又可分为N型（电子型）半导体和P型（空穴型）半导体。1N型半导体在四价的本征硅（或锗）中，掺入微量的五价元素磷（P）之后，磷原子由于数量较少，不能改变本征硅的共价键结构，而是和本征硅一起组成共价键，如图1-6所示。,图1-6N型半导体,在N型半导体中，由于掺杂带来的自由电子浓度远远高于本征载流子浓度，因此多子浓度约等于掺杂的杂质浓度，远远高于少子空穴的浓度。所以当外加电场时，流过N型半导体的电流应为I=IN+IPIN（1-3）,2P型半导体在四价的本征硅（或锗）中掺入微量的三价元素硼（B）之后，参照上述分析，硼原子也和周围相邻的硅原子组成共价键结构，如图1-7所示。,图1-7P型半导体,三价硼原子的最外层只有三个价电子，和相邻的三个硅原子组成共价键后，尚缺一个价电子不能组成共价键，因此出现了一个空位，即空穴。这样邻近原子的价电子就可以跳过来填补这个空位。所以硼原子掺入后一方面提供了一个带正电荷的空穴，一方面自己成为了带负电的离子，即掺入一个硼原子就相当于掺入了一个能接受电子的空穴，所以称三价元素硼为受主杂质，此时杂质半导体中的空穴浓度约等于掺杂浓度，远远大于自由电子浓度，称空穴为多子、自由电子为少子。这种杂质半导体叫做P型（空穴型）半导体。,同样，这种P型半导体在外加电场的作用下，总的电路电流应为I=IN+IPIP（1-4）,本小节小结,整块半导体宏观上仍为电中性。由于掺入的杂质使多子的数目大大增加，从而使多子和少子符合机会大大增多，因此，对于杂质半导体，多子的浓度越高，少子的浓度就越低。可以认为，多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度，因而它受温度的影响很小；而少子是本征激发形成的，所以尽管浓度很低，却对温度非常敏感，这将影响半导体器件的性能。,1.1.4PN结的形成与单向导电性PN结的形成1）多子的扩散运动建立内电场如图1-8（a）所示，和分别代表P区和N区的受主和施主离子（为了简便起见，硅原子未画出），由于P区的多子是空穴，N区的多子是自由电子，因此在P区和N区的交界处自由电子和空穴都要从高浓度处向低浓度处扩散。这种载流子在浓度差作用下的定向运动，叫做扩散运动。,多子扩散到对方区域后，使对方区域的多子因复合而耗尽，所以P区和N区的交界处就仅剩下了不能移动的带电施主和受主离子，N区形成正离子区，P区形成负离子区，形成了一个电场方向从N区指向P区的空间电荷区，这个电场称为内建电场，简称内电场，如图1-8（b）所示。在这个区域内，多子已扩散到对方因复合而消耗殆尽，所以又称耗尽层。在耗尽层以外的区域仍呈电中性。,图1-8PN结的形成（a）多子的扩散运动;（b）PN结中的内电场与少子漂移,2）内电场阻碍多子扩散、帮助少子漂移运动，形成平衡PN结由于内电场的方向是从N区指向P区，因此这个内电场的方向对多子产生的电场力正好与其扩散方向相反，对多子的扩散起了一个阻碍的作用，使多子扩散运动逐渐减弱。内电场对P区和N区的少子同样产生了电场力的作用。由于P区的少子是自由电子，N区的少子是空穴，因此内电场对少子的运动起到了加速的作用。这种少数载流子在电场力作用下的定向移动，称为漂移运动，如图1-8（b）所示。,2PN结的单向导电特性未加外部电压时，PN结内无宏观电流，只有外加电压时，PN结才显示出单向导电性。1）外加正偏电压时PN结导通将PN结的P区接较高电位（比如电源的正极），N区接较低电位（比如电源的负极），称为给PN结加正向偏置电压，简称正偏，如图1-9所示。,PN结正偏时，外加电场使PN结的平衡状态被打破，由于外电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，扩散增强，漂移几乎减弱为0，因此，PN结中形成了以扩散电流为主的正向电流IF。因为多子数量较多，所以IF较大。为了防止较大的IF将PN结烧坏，应串接限流电阻R。扩散电流随外加电压的增加而增加，当外加电压增加到一定值后，扩散电流随正偏电压的增大而呈指数上升。由于PN结对正向偏置呈现较小的电阻（理想状态下可以看成是短路情况），因此称之为正偏导通状态。,图1-9PN结外加正偏电压,2）外加反偏电压时PN结截止将PN结的P区接较低电位（比如电源的负极），N区接较高电位（比如电源的正极），称为给PN结加反向偏置电压，简称反偏，如图1-10所示。PN结反偏时，外加电场方向与内电场方向相同，内电场增强，使多子扩散减弱到几乎为零。而漂移运动在内电场的作用下，有所增强，在PN结电路中形成了少子漂移电流。漂移电流和正向电流的方向相反，称为反向电流IR。反向电流非常小，所以认为PN结外加反向电压时处于截止状态。,图1-10PN结外加反偏电压,作业：思考题,自学课本P15P17的内容，思考以下问题：1.PN结两端电压U与流过它的电流I之间有什么关系？2.它们的关系可以用什么图形来表示？当U0，U0时是什么样子？3.反向击穿有哪几种类型？4.PN结具有电容效应。分别为势垒电容和扩散电容，它们是怎么产生的？在什么情况下才考虑结电容的存在？5.复习今天所讲的内容。,1.2半导体二极管,1.2.1二极管的几种常见结构与类型导体二极管按其结构的不同，可分为点接触型、面接触型和平面型三种。常见二极管的结构、外形和电路符号如图1-11所示。二极管的两极分别叫做正极或阳极（P区），负极或阴极（N区）。,图1-11半导体二极管的结构、外形与电路符号（a）点接触型;（b）面接触型;（c）平面型;（d）电路符号;（e）常见二极管的外形,1.2.2二极管的伏安特性曲线1伏安特性曲线二极管的伏安特性也就是PN结的伏安特性。把二极管的电流随外加偏置电压的变化规律，称为二极管的伏安特性，以曲线的形式描绘出来，就是伏安特性曲线。二极管的伏安特性曲线如图1-12所示，下面分三部分对二极管的伏安特性曲线进行分析。,图1-12二极管的伏安特性,1）正向特性外加正偏电压UF当UF0时，IF0，PN结处于平衡状态，即图1-12中的坐标原点。当UF开始增加时，即正向特性的起始部分。由于此时UF较小，外电场还不足以克服PN结的内电场，正向扩散电流仍几乎为零。只有当UF大于死区电压（锗管约0.1V，硅管约0.5V）后，外加电场才足以克服内电场，使扩散运动迅速增加，才开始产生正向电流IF。,2）反向特性外加反向偏压UR当外加反向偏压时，宏观电流是由少子组成的反向漂移电流。当反向电压UR在一定范围内变化时，反向电流IR几乎不变，所以又称为反向饱和电流IS。当温度升高时，少子数目增加，所以IS增加。室温下一般硅管的反向饱和电流小于1A，锗管为几十到几百微安，如图中B段所示。,3）击穿特性外加反压增大到一定程度击穿特性属于反向特性的特殊部分。当UR继续增大，并超过某一特定电压值时，反向电流将急剧增大，这种现象称之为击穿。发生击穿时的UR叫击穿电压UBR，如图1-12中C段所示。如果PN结击穿时的反向电流过大（比如没有串接限流电阻等原因），使PN结的温度超过PN结的允许结温（硅PN结约为150200，锗PN结约为75100）时，PN结将因过热而损坏。,4温度对二极管伏安特性的影响半导体具有热敏性，而电子电路又不可避免地要受到外界温度及电路本身发热的影响。所以，温度变化容易造成半导体器件工作不稳定，研究温度对半导体器件的影响是十分必要的。图1-14所示的正向特性中，对于同一电流，温度每升高1，二极管的正向压降将减小22.5mV。即二极管的正向特性曲线将随温度的升高而左移。温度对二极管的反向特性影响更大：当温度每升高10，反向饱和电流IS将增加一倍。二极管的反向击穿电压也受温度的影响。,图1-14温度对二极管伏安特性的影响,1.2.3二极管的主要参数为了正确选用及判断二极管的好坏，必须对其主要参数有所了解。1最大整流电流IF指二极管在一定温