第一章ch模拟电子技术

1、1 模拟电子线路模拟电子线路 课程号：课程号：B0400041S 车晶车晶 QQ:1637738755 2 模拟电子线路课程是什么？模拟电子线路课程是什么？ v模拟电子线路是工科本科的一门主干专业基模拟电子线路是工科本科的一门主干专业基 础课程，不仅因为这门课程涵盖的理论知识础课程，不仅因为这门课程涵盖的理论知识 在理工科专业中占有基础性地位，更为重要在理工科专业中占有基础性地位，更为重要 的是这是一门理论与实际联系非常紧密、实的是这是一门理论与实际联系非常紧密、实 践性很强的课程。践性很强的课程。 3 模拟电子线路课程是什么？（续）模拟电子线路课程是什么？（续） v由于这门课程是联系公共基础

2、课程由于这门课程是联系公共基础课程 与专业课程的一个重要桥梁，因此与专业课程的一个重要桥梁，因此 许多工科学校把它视为工科学生进许多工科学校把它视为工科学生进 入工程领域的第一门课程。入工程领域的第一门课程。 4 v本课程的主要任务是使学生获得电本课程的主要任务是使学生获得电 子线路方面的基本理论、基本分析子线路方面的基本理论、基本分析 方法和基本技能，着重培养学生发方法和基本技能，着重培养学生发 现问题、分析问题和解决问题的能现问题、分析问题和解决问题的能 力。力。 模拟电子线路课程是什么？（续）模拟电子线路课程是什么？（续） 5 v 是重要的专业基础课是重要的专业基础课 v 是电子信息类专

3、业的主干课程是电子信息类专业的主干课程 v 是强调硬件应用能力的工程类课程是强调硬件应用能力的工程类课程 v 是工程师训练的基本入门课程是工程师训练的基本入门课程 v 是很多重点大学的考研课程是很多重点大学的考研课程 模拟电子线路课程是什么？（续）模拟电子线路课程是什么？（续） 6 电子电路的发展历程以及应用前景电子电路的发展历程以及应用前景 v最早源于最早源于50年代的电子管放大器年代的电子管放大器 v60年代逐步演变为分立元件的晶体管放大电年代逐步演变为分立元件的晶体管放大电 路路 v80年代开始引入集成电路年代开始引入集成电路 v90年代引入年代引入EDA技术。技术。 7 电子电路元器件

4、的历史电子电路元器件的历史 v当代，是包括计算机在内的当代，是包括计算机在内的电子电子 学学繁荣昌盛的时代，其背景与电繁荣昌盛的时代，其背景与电 子电路元器件由电子管子电路元器件由电子管-晶体管晶体管 集成电路的不断发展有着密切集成电路的不断发展有着密切 的关系。的关系。 8 （1）电子管）电子管 v电子管是一种在气密性封闭容器（一般电子管是一种在气密性封闭容器（一般 为玻璃管）中产生电流传导，以获得信为玻璃管）中产生电流传导，以获得信 号放大或振荡的电子器件。号放大或振荡的电子器件。 v早期应用于电视机、收音机扩音机等电早期应用于电视机、收音机扩音机等电 子产品中，近年来逐渐被晶体管和集成子

5、产品中，近年来逐渐被晶体管和集成 电路所取代。电路所取代。 9 v目前在一些高保真音响器材中，仍目前在一些高保真音响器材中，仍 然使用电子管作为音频功率放大器然使用电子管作为音频功率放大器 件。件。 v电子管是沿着二极管电子管是沿着二极管-三极管三极管-四极管四极管 -五极管的顺序发明出来的。五极管的顺序发明出来的。 （1）电子管）电子管 10 电子管图片 11 （2）晶体管）晶体管 v晶体管是一种固体半导体器件，可晶体管是一种固体半导体器件，可 以用于放大、开关、稳压、信号调以用于放大、开关、稳压、信号调 制和许多其他功能。晶体管作为一制和许多其他功能。晶体管作为一 种可变开关，基于输入的电

6、压，控种可变开关，基于输入的电压，控 制流出的电流。制流出的电流。 12 晶体管的应用晶体管的应用 v在模拟电路中，晶体管用于放大器，在模拟电路中，晶体管用于放大器， 音频放大器，射频放大器，稳压电音频放大器，射频放大器，稳压电 源，在计算机电源中，主要用于开源，在计算机电源中，主要用于开 关电源。关电源。 晶体管也应用于数字电路，晶体管也应用于数字电路， 主要功能是模拟电子开关。主要功能是模拟电子开关。 13 晶体管图片晶体管图片 14 （3）集成电路）集成电路 v大约在大约在1956年，英国的达马就从晶体管年，英国的达马就从晶体管 原理预想到了集成电路的出现。原理预想到了集成电路的出现。

7、v1958年美国提出了用半导体制造全部电年美国提出了用半导体制造全部电 路元器件，实现集成电路化的方案。路元器件，实现集成电路化的方案。 v1961年，得克萨斯仪器公司开始批量生年，得克萨斯仪器公司开始批量生 产集成电路。产集成电路。 15 （3）集成电路）集成电路 v集成电路并不是用一个一个电路集成电路并不是用一个一个电路 元器件连接成的电路，而是把具元器件连接成的电路，而是把具 有某种功能的电路有某种功能的电路“埋埋”在半导在半导 体晶体里的一个器件。它易于小体晶体里的一个器件。它易于小 型化和减少引线端，所以具有可型化和减少引线端，所以具有可 靠性高的优点。靠性高的优点。 16 （3）集

8、成电路）集成电路 v集成电路的集成度在逐年增加。元件数集成电路的集成度在逐年增加。元件数 在在100个以下的个以下的小规模集成电路小规模集成电路， 1001000个的中规模集成电路，个的中规模集成电路， 1000100000个大规模集成电路，以及个大规模集成电路，以及 100000个以上的个以上的超大规模集成电路超大规模集成电路，都，都 已依次开发出来，并在各种装置中获得已依次开发出来，并在各种装置中获得 了广泛应用。了广泛应用。 17 （3）集成电路）集成电路 v虽然现在集成电路的应用日渐普遍，虽然现在集成电路的应用日渐普遍， 但是分立元件仍是不可或缺的，特但是分立元件仍是不可或缺的，特 别

9、在大功率输出方面，而别在大功率输出方面，而LED作为作为 新型节能环保光源的前途更是不可新型节能环保光源的前途更是不可 限量。限量。 18 集成电路图片 19 要怎么学习这样的课程要怎么学习这样的课程 v模拟电子技术的价值主要体现在它模拟电子技术的价值主要体现在它 是解决生产实际中的需要而建立的是解决生产实际中的需要而建立的 系统，而不是独立分散的电路或者系统，而不是独立分散的电路或者 器件。器件。 建立系统的概念建立系统的概念 建立工程的概念建立工程的概念 20 例：我校教师上课时所用的无线例：我校教师上课时所用的无线 扩音器系统扩音器系统 21 怎样学好这门课怎样学好这门课 v 强调自学能

10、力，注意学习方法。强调自学能力，注意学习方法。 v 入门时可能会遇到一些困难。入门时可能会遇到一些困难。 v 注意不断改进、总结和调整、提高。注意不断改进、总结和调整、提高。 22 学习方法学习方法“过四关过四关” v基本器件关基本器件关- 电路构成电路构成 v工程近似关工程近似关- 分析方法分析方法 v实验动手关实验动手关- 实践应用实践应用 v EDA应用关应用关- 设计能力设计能力 23 几点建议：几点建议： v“爱好爱好”和和“志向志向”很重要！很重要！ “兴趣是最好的老师兴趣是最好的老师” v学习主观能动性是学好这门课的学习主观能动性是学好这门课的“关关 键键”。 “让我学让我学”和

11、和“我要学我要学” v教学相长教学相长 “教师是启发和引导者教师是启发和引导者” “好学生不是教出来的好学生不是教出来的” 24 考试成绩评定考试成绩评定 v平时平时 20% (无期中考试）无期中考试） v期末期末 80% 25 教材教材 参考书参考书 1 康华光主编电子技术基础（模拟部分，第四康华光主编电子技术基础（模拟部分，第四 版），北京：高等教育出版社，版），北京：高等教育出版社，1988 2 谢嘉奎主编电子线路（线性部分，第四版）谢嘉奎主编电子线路（线性部分，第四版） ，北京：高等教育出版社，北京：高等教育出版社，1999 26 两种信号两种信号 v模拟信号模拟信号 Analog s

12、ignal v数字信号数字信号 Digital signal 27 模拟信号模拟信号 v 是连续的、平滑的周期或非周期函数信是连续的、平滑的周期或非周期函数信 号。号。 v 如语音（音频）信号、图像（视频）信如语音（音频）信号、图像（视频）信 号、模拟温度、压力的物理量检测信号号、模拟温度、压力的物理量检测信号 等。等。 28 数字信号数字信号 v是间断的、离散的瞬时值周期或非周期是间断的、离散的瞬时值周期或非周期 函数信号函数信号 v 如开关信号、脉冲信号、计算机编码信如开关信号、脉冲信号、计算机编码信 号等号等 。 29 两种电路两种电路 v模拟电路模拟电路 Analog circuit

13、v数字电路数字电路 Digital circuit 30 电子电路电子电路 数字电路数字电路 模拟电路模拟电路 低频电路（处理低频信号）低频电路（处理低频信号） 高频电路（处理高频信号）高频电路（处理高频信号） 电路分类电路分类 电子电路电子电路 数字电路数字电路 模拟电路模拟电路 线性电路（处理小信号）线性电路（处理小信号） 非线性电路（处理大信号）非线性电路（处理大信号） 31 全国大学生电子设计竞赛全国大学生电子设计竞赛 全国大学生电子设计竞赛是全国大学生电子设计竞赛是教育部教育部倡导的大学倡导的大学 生学科竞赛之一，是面向大学生的群众性科技生学科竞赛之一，是面向大学生的群众性科技 活动

14、，目的在于推动高等学校促进信息与电子活动，目的在于推动高等学校促进信息与电子 类学科课程体系和课程内容的改革。竞赛的特类学科课程体系和课程内容的改革。竞赛的特 点是与高等学校相关专业的课程体系和课程内点是与高等学校相关专业的课程体系和课程内 容改革密切结合，以推动其课程教学、教学改容改革密切结合，以推动其课程教学、教学改 革和实验室建设工作。革和实验室建设工作。 32 全国大学生电子设计竞赛的组织全国大学生电子设计竞赛的组织 运行模式为：运行模式为：“政府主办、专家政府主办、专家 主导、学生主体、社会参与主导、学生主体、社会参与”十十 六字方针，以充分调动各方面的六字方针，以充分调动各方面的

15、参与积极性。参与积极性。 33 2011年年08月月31日全国大学生电子设计竞赛开赛日全国大学生电子设计竞赛开赛 三三 万达人沪上打擂万达人沪上打擂 上午的比赛现场，大学生选手设计作品上午的比赛现场，大学生选手设计作品 34 晚报讯晚报讯 今天上午，瑞萨杯今天上午，瑞萨杯2011全国大学生电全国大学生电 子设计竞赛在全国子设计竞赛在全国30个赛区正式开赛。个赛区正式开赛。 1042 所院校、所院校、11002支队伍、支队伍、33006名学生将通过为名学生将通过为 期四天的角逐，争夺一等奖、二等奖、以及本期四天的角逐，争夺一等奖、二等奖、以及本 年度的最高荣誉奖年度的最高荣誉奖“瑞萨杯瑞萨杯”奖

16、。奖。 35 36 第一章第一章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路 1-1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识 导体导体 半导体半导体 绝缘体绝缘体 物质物质 半导体的特性：半导体的特性： 1导电能力介于导体和绝缘体之间；导电能力介于导体和绝缘体之间； 2导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而 发生显著变化。发生显著变化。 37 +14284+3228 18 4 硅原子（硅原子（Silicon）锗原子（锗原子（Germanium） 图图1 硅和锗原子结构图硅和锗原子结构图 硅（硅（Si）、锗（）、锗（Ge）和砷化镓（）和砷化镓（GaAs） - 本

17、征半导体本征半导体 38 +4 图图1-1 硅和锗原子结构简化模型硅和锗原子结构简化模型 惯性核惯性核 电子电子 39 +4 +4+4 +4 共共 价价 键键 价价 电电 子子 图图1-2 单晶硅和锗共价键结构示意图单晶硅和锗共价键结构示意图 40 说明：说明： 1、共价键共价键：相邻两个原子中的价电子作为共用：相邻两个原子中的价电子作为共用 电子对而形成的相互作用力。电子对而形成的相互作用力。 2、单晶硅单晶硅：原子按一定的间隔排列成有规律的：原子按一定的间隔排列成有规律的 空间点阵结构。通常共价键的电子受到所属原子空间点阵结构。通常共价键的电子受到所属原子 核的吸引，是不能自由移动的。核的

18、吸引，是不能自由移动的。束缚电子，束缚电子， 不能参与导电。不能参与导电。 3、本征半导体：本征半导体：纯净的（未掺杂）单晶半导体纯净的（未掺杂）单晶半导体 称为本征半导体。称为本征半导体。 41 v绝对零度（绝对零度（-273-2730 0C C）时晶体中无自由电）时晶体中无自由电 子子相当于相当于绝缘体绝缘体。 v载流子载流子(Carrier) (Carrier) 指半导体结构中获得运指半导体结构中获得运 动能量的带电粒子。动能量的带电粒子。 v有温度环境就有载流子有温度环境就有载流子本征激发本征激发 一、半导体中的载流子一、半导体中的载流子 自由电子和空穴自由电子和空穴 42 +4 +4

19、+4 +4 自自 由由 电电 子子 空空 穴穴 束束 缚缚 电电 子子 图图1-3 本征激发产生电子和空穴本征激发产生电子和空穴 在一定的温度下，或者受到光照时，使价电子获得一在一定的温度下，或者受到光照时，使价电子获得一 定的额外能量，一部分价电子就能够冲破共价键的束定的额外能量，一部分价电子就能够冲破共价键的束 缚变成自由电子。本征激发缚变成自由电子。本征激发 动画演示动画演示 43 注意：注意： 1、空穴的运动可以看成一个带正电荷的粒子的运动。、空穴的运动可以看成一个带正电荷的粒子的运动。 2、一个空穴的运动实际上是许多价电子（不是自由、一个空穴的运动实际上是许多价电子（不是自由 电子）

20、作相反运动的结果。但是一个空穴运动所引电子）作相反运动的结果。但是一个空穴运动所引 起的电流的大小只与空穴的多少有关，与多少个价起的电流的大小只与空穴的多少有关，与多少个价 电子运动无关。电子运动无关。 3、若没有空穴，价电子不会运动，即使互换位置也、若没有空穴，价电子不会运动，即使互换位置也 不会带来电荷的迁移。不会带来电荷的迁移。 动画演示动画演示 44 结论结论 v在半导体中，有在半导体中，有两种两种载流子：载流子：自由电子自由电子（负（负 电荷）和电荷）和空穴空穴（正电荷）。（正电荷）。 v在本征半导体中，自由电子和空穴是在本征半导体中，自由电子和空穴是成对成对出出 现的。现的。 45

21、 二、本征载流子浓度二、本征载流子浓度 v复合：复合：由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴 成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一 对电子、空穴，这一过程称为复合。与本征激发是对电子、空穴，这一过程称为复合。与本征激发是 相反的过程。相反的过程。 一分为二一分为二 本征激发本征激发 复复 合合 合二为一合二为一 v载流子浓度：载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越多。载流子浓度越大，复合的机会就越多。 在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空 穴对的产生

22、与复合最终达到一种热平衡状态，使本穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状态，使本 征半导体中载流子的浓度一定。征半导体中载流子的浓度一定。 46 本征载流子浓度：本征载流子浓度： kTE ii G eTApn 2/2/3 0 0 式中：式中： ni、pi 分别表示电子和空穴的浓度（分别表示电子和空穴的浓度（-3）；）； T为热力学温度（为热力学温度（K）；）； EG0为为T= 0K（-273oC）时的禁带宽度（硅为）时的禁带宽度（硅为 1.21eV，锗为，锗为0.78eV）；）； k为玻尔兹曼常数（为玻尔兹曼常数（8.6310-6V/K）；）； A0为与半导体材料有关的常数（硅为为与半导体材料有

23、关的常数（硅为3.871016 -3 ， 锗为锗为1.761016-3 ）。）。 2 3 K 2 3 K 47 说明说明 v随着随着T的增加，载流子浓度按指数规律增加。的增加，载流子浓度按指数规律增加。 对温度非常敏感对温度非常敏感。 在在T=300K的室温下，的室温下， 本征硅（锗）的载流子浓度本征硅（锗）的载流子浓度=1.431010-3 （2.381013-3），）， 本征硅（锗）的原子密度本征硅（锗）的原子密度=51022-3 （4.41022-3）。）。 相比之下，室温下只有极少数原子的价电子相比之下，室温下只有极少数原子的价电子(三三 万亿分之一万亿分之一)受激发产生电子、空穴对。

24、受激发产生电子、空穴对。 48 结论结论 v本征半导体的导电能力是很弱的；本征半导体的导电能力是很弱的； v本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律 增大，所以其导电性能对温度的变化很敏感。增大，所以其导电性能对温度的变化很敏感。 49 1-1-2 杂质半导体（掺杂半导体）杂质半导体（掺杂半导体） v在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂 质），会使其导电性能发生显著变化。质），会使其导电性能发生显著变化。 杂质半导体杂质半导体。 v根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N 型半导体和型半导

25、体和P型半导体。型半导体。 50 一、一、N型半导体型半导体 图图1-4 N型半导体原子结构示意图型半导体原子结构示意图 +4 +5+4 +4 键外电子键外电子 束缚电子束缚电子 施主原子施主原子 51 说明说明 v在本征硅（锗）中掺入少量的五价元素（如：磷、在本征硅（锗）中掺入少量的五价元素（如：磷、 砷、锑等）就得到砷、锑等）就得到N型半导体。型半导体。 v杂质原子顶替硅原子，多一个电子位于共价键之外，杂质原子顶替硅原子，多一个电子位于共价键之外， 受原子的束缚力很弱，很容易激发成为自由电子。受原子的束缚力很弱，很容易激发成为自由电子。 v几乎一个杂质原子能提供一个自由电子，从而自由几乎一

26、个杂质原子能提供一个自由电子，从而自由 电子数大大增加。电子数大大增加。施主杂质。施主杂质。 v由于自由电子的浓度增加，与空穴（本征激发产生由于自由电子的浓度增加，与空穴（本征激发产生 的）复合的机会也增加，因此空穴浓度相应减少。的）复合的机会也增加，因此空穴浓度相应减少。 52 在在N型半导体中：型半导体中： 自由电子自由电子多数载流子，简称多子；多数载流子，简称多子； 空穴空穴少数载流子，简称少子。少数载流子，简称少子。 答：答：N型半导体是电中性的。虽然自由电子数型半导体是电中性的。虽然自由电子数 远大于空穴数，但由于施主正离子的存在，远大于空穴数，但由于施主正离子的存在， 使正、负电荷

27、数相等，即使正、负电荷数相等，即 自由电子数自由电子数= 空空 穴穴 数数 + 施主正离子施主正离子 问题问题： N型半导体是带正电还是带负电？型半导体是带正电还是带负电？ 53 图图1-5 P型半导体原子结构示意图型半导体原子结构示意图 受主原子受主原子 空空 位位 +4 +3+4 +4 束缚电子束缚电子 二、二、P型半导体（型半导体（Positive type） 54 在本征硅（或锗）中，掺入少量的三价元在本征硅（或锗）中，掺入少量的三价元 素（硼、铝等），就得到素（硼、铝等），就得到P型半导体型半导体。 室温时，几乎全部杂质原子都能提供一个空室温时，几乎全部杂质原子都能提供一个空 穴。穴

28、。 多子多子（多数载流子）：（多数载流子）：空穴；空穴； 少子少子（少数载流子）：（少数载流子）：自由电子；自由电子； P型半导体是型半导体是电中性的。电中性的。 空空 穴穴 数数 = 自由电子数自由电子数 + 受主负离子受主负离子 55 三、杂质半导体的载流子浓度三、杂质半导体的载流子浓度 v多子的浓度多子的浓度 在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数 远大于本征激发的载流子数。远大于本征激发的载流子数。 结论：结论：多子的浓度主要由掺杂浓度决定。多子的浓度主要由掺杂浓度决定。 v少子的浓度少子的浓度 少子主要由本征激发产生，因掺杂不同，会少子主要由本征

29、激发产生，因掺杂不同，会 随多子浓度的变化而变化。随多子浓度的变化而变化。 56 结论结论：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值 的乘积恒等于本征载流子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。的平方。 对对N型半导体，多子型半导体，多子nn与少子与少子pn有有 D i n i n inn N n n n p npn 22 2 57 对对P型半导体，多子型半导体，多子pp与少子与少子np有有 A i p i p ipp N n p n n nnp 22 2 58 小结小结 1.本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体 内

30、载流子的浓度，并使一种载流子多，另一内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一 种载流子少。种载流子少。 2.多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度 几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有 关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。 59 1-1-3 半导体中的电流半导体中的电流 在导体中，载流子只有一种：自由电子。在导体中，载流子只有一种：自由电子。 在电场作用下，产生定向的漂移运动形成漂移电在电场作用下，产生定向的漂移运动形成漂移电 流。流。 在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴

31、。在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。 电场作用下的电场作用下的漂移电流漂移电流 两种类型的电流两种类型的电流 浓度差导致的浓度差导致的扩散电流扩散电流 60 IpIn 一、漂移电流一、漂移电流 pn III 总电流：总电流： 1、定义：、定义： 在电场作用下，半导体中的载流子作在电场作用下，半导体中的载流子作 定向飘移运动而形成的电流。定向飘移运动而形成的电流。 61 载流子浓度载流子浓度 2. 漂移电流漂移电流大小大小取决于取决于 外加电场强度外加电场强度 迁移速度迁移速度 二、扩散电流二、扩散电流 在半导体工作中，扩散运动是比漂移运动在半导体工作中，扩散运动是比漂移运动 更为重要的导

32、电机理。金属导体是不具有这种更为重要的导电机理。金属导体是不具有这种 电流的，正是由于扩散电流特性，才能够将它电流的，正是由于扩散电流特性，才能够将它 做成电子器件。做成电子器件。 62 平衡载流子浓度：平衡载流子浓度：一般的本征半导体在温度不一般的本征半导体在温度不 便、无光照或其他激发下，载流子浓度分布均便、无光照或其他激发下，载流子浓度分布均 匀。匀。 非平衡载流子浓度：非平衡载流子浓度：若一端注入载流子或用光若一端注入载流子或用光 线照射该端。则该端的载流子浓度增加。线照射该端。则该端的载流子浓度增加。 63 x0 x0 n(0) n(x)p(x) n0 图图16半导体中载流子的浓度分

33、布半导体中载流子的浓度分布 64 扩散电流扩散电流大小大小主要取决于该处载流子浓度主要取决于该处载流子浓度 差（即浓度梯度）。差（即浓度梯度）。 浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的 浓度值无关浓度值无关。 65 思考题与习题思考题与习题 v导体、半导体和绝缘体的区别和在电子线路以导体、半导体和绝缘体的区别和在电子线路以 及集成电路制造中的作用？及集成电路制造中的作用？ v说明半导体材料的特性及其应用说明半导体材料的特性及其应用 v解释本征半导体、杂质半导体的区别？解释本征半导体、杂质半导体的区别？ v解释解释N型半导体与型半导体与P型半导体的区别？型半导体

34、的区别？ v为什么说这两种半导体仍然对外呈电中性？为什么说这两种半导体仍然对外呈电中性？ v解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何 种因素决定的？种因素决定的？ v解释漂移电流和扩散电流的构成？解释漂移电流和扩散电流的构成？ 66 1-2 PN结结 PN结是半导体器件的核心，可以构成一结是半导体器件的核心，可以构成一 个二极管。个二极管。 PN 本征硅的一边做成本征硅的一边做成P型半导体，一边做成型半导体，一边做成 N型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物 理层。理层。PN结结 67 + + + + + + + + +

35、 + + + + + PN （a）空穴和电子的扩散空穴和电子的扩散 1-2-1 结的形成结的形成 由于扩散运动，使接触面附近的空穴和电子由于扩散运动，使接触面附近的空穴和电子 形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域 称为空间电荷区（耗尽层），即称为空间电荷区（耗尽层），即PN结。结。 动画演示动画演示 68 P N 空间电荷区空间电荷区 内电场内电场 UB （b）平衡时的平衡时的PN结结 图图1-7 PN结的形成结的形成 + + + + + + + + + + + + + + 69 空间电荷区（耗尽层）空间电荷区（耗尽层） 70 vPN结形成结形成

36、“三步曲三步曲” （1）多数载流子的）多数载流子的 扩散运动。扩散运动。 （2）空间电荷区空间电荷区的形成的形成促进促进少子的少子的 漂漂 移运动移运动，阻止阻止多子的多子的扩散运动扩散运动。 （3）扩散运动与漂移运动的）扩散运动与漂移运动的 动态平衡动态平衡。 vPN结又称为结又称为势垒区、阻挡层势垒区、阻挡层。 vPN结很窄结很窄（几个到几十个（几个到几十个 m)。 71 问题问题：达到动态平衡时，在：达到动态平衡时，在 PN结流过的总电流结流过的总电流 为多少，方向是什么？为多少，方向是什么？ 如下图，多子的扩散电流方向为从左到右，少子如下图，多子的扩散电流方向为从左到右，少子 的漂移电

37、流方向从右到左。两者在动态平衡时，的漂移电流方向从右到左。两者在动态平衡时， 大小相等，而方向相反，所以流过大小相等，而方向相反，所以流过PN结的总电流结的总电流 为零。为零。 多子扩散电流方向多子扩散电流方向 少子漂移电流方向少子漂移电流方向 P N多子多子 少子少子 多子多子 少子少子 72 对称对称PN结：结：如果如果P区和区和N区的掺杂浓度相同，区的掺杂浓度相同， 则耗尽区相对界面对称，称为对称结则耗尽区相对界面对称，称为对称结 不对称不对称PN结结：如果一边掺杂浓度大（重掺：如果一边掺杂浓度大（重掺 杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），此耗杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），此耗 尽区主要伸

38、向轻掺杂区一边，这样的尽区主要伸向轻掺杂区一边，这样的PN 结称为不对称结结称为不对称结 NP 耗尽区 (a) PN 耗尽区 (b) 73 问题：问题：为什么为什么PN结伸向轻掺杂区？结伸向轻掺杂区？ 答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子）答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子） 的排列稀疏，重掺杂区的施主正离子（或受主的排列稀疏，重掺杂区的施主正离子（或受主 负离子）的排列紧密。如上图，两边电荷量相负离子）的排列紧密。如上图，两边电荷量相 等，所以会伸向轻掺杂区。等，所以会伸向轻掺杂区。 NP 耗尽区 (a) PN 耗尽区 (b) 74 PN 耗尽区耗尽区 内电场内电场 UB -U 图图1

39、-9 正向偏置的正向偏置的PN结结 + +- - E R U + + + + + + + + + + + + + + 1-2-2 结的单向导电特性结的单向导电特性 动画演示动画演示 75 PN结加正向电压结加正向电压 v外加的正向电压大部分降落在外加的正向电压大部分降落在PN结区，方向结区，方向 与与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。结内电场方向相反，削弱了内电场。 v于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱， 扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流， 可忽略漂移电流的影响。可忽略漂移电流的影响。 vPN结呈现低阻性，有较

40、大的正偏电流。结呈现低阻性，有较大的正偏电流。 76图图1-10 反向偏置的反向偏置的PN结结 E R PN 耗尽区耗尽区 内电场内电场 UB +U - -+ + U + + + + + + + + + + + + + + 二、二、 P结加反向电压结加反向电压 动画演示动画演示 77 PN结加反向电压结加反向电压 v外加的反向电压大部分降落在外加的反向电压大部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN 结内电场方向相同，加强了内电场。结内电场方向相同，加强了内电场。 v内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大 减小。此时减小。此时PN结区的少子在内

41、电场作用下形成的漂结区的少子在内电场作用下形成的漂 移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。 vPN结呈现结呈现高阻性高阻性。 v在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度 是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本 上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反反 向饱和电流向饱和电流。 78 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较结加正向电压时，呈现低电阻，具有较 大的正向扩散电流；大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现结加

42、反向电压时，呈现 高电阻，具有很小的反向漂移电流。高电阻，具有很小的反向漂移电流。 结论：结论：PN结具有单向导电性结具有单向导电性。 79 三、三、PN结电流方程结电流方程 )1( / T Uu s eIi 图图1-11 PN结的伏安特性结的伏安特性 当当T=300K (室温室温)时时, UT=26mV。 i u 0 T T - -U( (BR) ) IS为反向饱和电流为反向饱和电流(10-15A) 。 UT=K T/q ,温度电压当量，温度电压当量， 80 PN结伏安特性结伏安特性 由上式由上式 v当当u u为正时为正时 PN结外加正电压时，流过电流为正电压结外加正电压时，流过电流为正电压

43、 的的e指数关系。指数关系。 v当当u u为负时为负时 PN结外加负电压时流过电流为饱和漏结外加负电压时流过电流为饱和漏 电流。电流。 )1( / T Uu s eIi T U/u s eIi s Ii 81 1-2-5 PN结的温度特性结的温度特性 一、一、 反映在伏安特性上为：反映在伏安特性上为： 温度升高，正温度升高，正 向特性向左移，反向特性向下移。向特性向左移，反向特性向下移。 1.保持正向电流不变时，温度每升高保持正向电流不变时，温度每升高1，结电，结电 压减小约压减小约22.5mV，即即 u/T-(22.5)mV/ 2.温度每升高温度每升高10，反向饱和电流，反向饱和电流IS增大

44、一倍。增大一倍。 10/ )( 12 12 2 TT SS II 82 硅管：硅管：UD(on)=0.7V。锗管：。锗管：UD(on)=0.3V i u 0 T T - -U( (BR) ) 导通电压导通电压UD(on) UD(on) )1( / T Uu s eIi 83 1-2-3 PN PN结的击穿特性结的击穿特性 v当对当对PN结结 外加反向电压超过一定的限度，外加反向电压超过一定的限度， PN结会从反向截止发展到反向击穿。结会从反向截止发展到反向击穿。 v反向击穿破坏了反向击穿破坏了PNPN结的单向导电特性结的单向导电特性。 v利用此原理可以制成利用此原理可以制成 稳压管稳压管。 v

45、 U( BR )称为称为PN结的击穿电压。结的击穿电压。 v有两种击穿机理：有两种击穿机理：雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿。齐纳击穿。 84 击穿击穿 种类种类 掺杂情掺杂情 况况 耗尽层耗尽层 宽度宽度 击穿机理击穿机理 雪崩雪崩 击穿击穿 轻掺杂轻掺杂宽宽因为耗尽层宽，使加速的少子因为耗尽层宽，使加速的少子 撞击耗尽区的中性原子，产生撞击耗尽区的中性原子，产生 电子、空穴对，反复作用使载电子、空穴对，反复作用使载 流子数目迅速增加流子数目迅速增加 齐纳齐纳 击穿击穿 重掺杂重掺杂窄窄较窄的耗尽区有很强的电场，较窄的耗尽区有很强的电场， 强电场使耗尽区的价电子被直强电场使耗尽区的价电子被直 接

46、拉出共价键，产生电子、空接拉出共价键，产生电子、空 穴对。穴对。 雪崩击穿和齐纳击穿的雪崩击穿和齐纳击穿的比较比较 85 问题：问题：为什么轻掺杂的为什么轻掺杂的PN结不易出现齐纳击穿？结不易出现齐纳击穿？ 相反重掺杂为什么不易出现雪崩击穿？相反重掺杂为什么不易出现雪崩击穿？ 答：答：因为轻掺杂的耗尽层宽，正负离子分布稀因为轻掺杂的耗尽层宽，正负离子分布稀 疏，电场强度不够强，不足以拉出价电子。而疏，电场强度不够强，不足以拉出价电子。而 重掺杂的耗尽层窄使少子的加速时间短，少子重掺杂的耗尽层窄使少子的加速时间短，少子 的动能不足以撞击中性原子，产生电子空穴对。的动能不足以撞击中性原子，产生电子

47、空穴对。 86 一般来说，对硅材料的一般来说，对硅材料的PN结，结， UBR7V时为雪崩击穿；时为雪崩击穿； UBR 5V时为齐纳击穿；时为齐纳击穿； UBR介于介于57V时，两种击穿都有。时，两种击穿都有。 87 击穿的可逆性击穿的可逆性 v电击穿是电击穿是 可逆的可逆的（可恢复，当有限流电阻（可恢复，当有限流电阻 时）。时）。 v电击穿后如无限流措施，将发生热击穿电击穿后如无限流措施，将发生热击穿 现象。现象。 v热击穿会破坏热击穿会破坏PNPN结结构（烧坏）结结构（烧坏） v热击穿是热击穿是 不可逆不可逆 的。的。 88 1-2-4 PN结的电容特性结的电容特性 PN 结的耗尽区与平板电

48、容器相似，外加电压变结的耗尽区与平板电容器相似，外加电压变 化，耗尽区的宽度变化，则耗尽区中的正负离化，耗尽区的宽度变化，则耗尽区中的正负离 子数目变化，即存储的电荷量变化。子数目变化，即存储的电荷量变化。 一、一、 势垒电容势垒电容CT 89 多子扩散多子扩散在对方区形成非平衡少子的浓度分在对方区形成非平衡少子的浓度分 布曲线布曲线偏置电压变化偏置电压变化分布曲线变化分布曲线变化非平非平 衡少子变化衡少子变化电荷变化。电荷变化。 二、扩散电容二、扩散电容CD 90 N 区 耗 尽 区 P 区 x 0 x0 Ln np0 Qn np(0) np 图图112 P区少子浓度分布曲线区少子浓度分布曲

49、线 91 结电容结电容Cj= CT + CD 结结 论论 因为因为CT和和CD并不大，所以在高频工作时，才考并不大，所以在高频工作时，才考 虑它们的影响。虑它们的影响。 正偏时以扩散电容正偏时以扩散电容CD为主，为主， Cj CD ， 其值通常为几十至几百其值通常为几十至几百pF； 反偏时以势垒电容反偏时以势垒电容CT为主，为主， Cj CT, 其值通常为几至几十其值通常为几至几十pF。（如：。（如：变容二极变容二极 管管） 92 1-3 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路 PN结加上电极引线和管壳就形成晶体二极管。结加上电极引线和管壳就形成晶体二极管。 图图1-13 晶体二极管结构

50、示意图及电路符号晶体二极管结构示意图及电路符号 P区区N区区 正极正极负极负极 （a）结构示意图）结构示意图（b）电路符号）电路符号 PN 正极正极负极负极 93 1-3-1 二极管特性曲线二极管特性曲线 二极管特性曲二极管特性曲 线与线与PN结基本结基本 相同，略有差相同，略有差 异。异。 图图1-14 二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线 i /mA u/V ( A) 0 10 20 30 -5 -10 -0.5 0.5 硅硅 二二 极极 管管 94 一、正向特性一、正向特性 硅硅: UD(on) = 0.50.6V； 1.导通电压或死区电压导通电压或死区电压 2. 曲线分段：曲线分段：

51、锗锗: UD(on) = 0.10.2V。 3. 小功率二极管正常工作的电流范围内，管压降小功率二极管正常工作的电流范围内，管压降 变化比较小。变化比较小。 指数段（小电流时）、直线段（大电流时）。指数段（小电流时）、直线段（大电流时）。 一般硅：一般硅：0.60.8V，锗：，锗：0.10.3V。 95 二、反向特性二、反向特性 2.小功率二极管的反向电流很小。小功率二极管的反向电流很小。 一般硅管一般硅管0.1 A，锗管，锗管几十微安。几十微安。 1.反向电压加大时，反向电流也略有增大。反向电压加大时，反向电流也略有增大。 96 直流电阻和交流电阻直流电阻和交流电阻 v直流电阻直流电阻 RD

52、 是二极管所加直流电压是二极管所加直流电压UD与所流过直与所流过直 流电流流电流ID之比。其几何意义是曲线之比。其几何意义是曲线Q点到点到 原点直线斜率的倒数。原点直线斜率的倒数。 v交流电阻交流电阻 r D 是其工作状态是其工作状态(ID,UD)处电压改变量与处电压改变量与 电流改变量之比。几何意义是曲线电流改变量之比。几何意义是曲线Q点点 处切线斜率的倒数。处切线斜率的倒数。 97 1-3-2 二极管的主要参数二极管的主要参数 一、直流电阻一、直流电阻 图图1-15 二极管电阻的几何意义二极管电阻的几何意义 ID UD Q1 RD=UD / ID RD 的的几何意义几何意义： i u 0

53、Q2 (a)直流电阻直流电阻RD Q点到原点直线斜率的倒数。点到原点直线斜率的倒数。 RD不是恒定的，正向的不是恒定的，正向的RD随工随工 作电流增大而减小，反向的作电流增大而减小，反向的RD 随反向电压的增大而增大。随反向电压的增大而增大。 98 1.正向电阻：几百欧姆；正向电阻：几百欧姆；反向电阻：几百千欧姆；反向电阻：几百千欧姆； 2.Q点不同，测出的电阻也不同；点不同，测出的电阻也不同； 结结 论论 因此，因此，PN结具有单向导电特性。结具有单向导电特性。 99 二二 、交流电阻、交流电阻 二极管在其工作状态二极管在其工作状态(I DQ, UDQ)下的电压微变量下的电压微变量 与电流微

54、变量之比。与电流微变量之比。 DQDQDQDQ UIUI D I U di du r , i u 0 Q i u (b)交流电阻交流电阻rD rD 的的几何意义几何意义:Q(IDQ, UDQ)点处切线斜率的倒数。点处切线斜率的倒数。 100 )( )(26 mAI mV I U DQDQ T Q T Uu S Q U eI du di T / 11 ) 1() 1( / T Uu S kTqu S eIeIi Q D di du r 与与IDQ成反比，并与温度有关。成反比，并与温度有关。 101 例：例：已知已知D为为Si二极管，流过二极管，流过D的直流电流的直流电流 ID=10mA，交流电压

55、，交流电压 U=10mV，求室温下流过，求室温下流过D 的交流电流的交流电流 I=? 10V D R 0.93K U ID 解：交流电阻解：交流电阻 6.2 )(10 )(26 mA mV I U r DQ T D mA mV rR U I D 2 101.1 )(9306.2 )(10 交流电流为：交流电流为： 102 三、最大整流电流三、最大整流电流 I F 四四最大反向工作电压最大反向工作电压 URM 五五反向电流反向电流IR 允许通过的最大正向平均电流。允许通过的最大正向平均电流。 通常取通常取U(BR)的一半，超过的一半，超过U(BR)容易发生反容易发生反 向击穿。向击穿。 未击穿时

56、的反向电流。未击穿时的反向电流。 IR越小，单向导电性越小，单向导电性 能越好能越好 103 六六最高工作频率最高工作频率 f M 需要指出，手册中给出的一般为典型值，需需要指出，手册中给出的一般为典型值，需 要时应通过实际测量得到准确值。要时应通过实际测量得到准确值。 工作频率超过工作频率超过 f M时，二极管的单向导电性能时，二极管的单向导电性能 变坏。变坏。 104 1-3-3 晶体二极管模型晶体二极管模型 由于二极管的非线性特性，当电路加入二极由于二极管的非线性特性，当电路加入二极 管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二 极管的应用条件作合

57、理近似，得到相应的等效电极管的应用条件作合理近似，得到相应的等效电 路，化为线性电路路，化为线性电路 非线性非线性 近似近似 线性线性 105 v对电子线路进行分析对电子线路进行分析(定量分析定量分析)时时,电路电路 中的实际器件必须用相应的电路模型来中的实际器件必须用相应的电路模型来 等效表示，这称为：等效表示，这称为：“建模建模”。 v计算机辅助分析计算要使用管子的模型。计算机辅助分析计算要使用管子的模型。 二极管的大信号等效电路二极管的大信号等效电路 106 图图1-16 二极管特性的折线近似及电路模型二极管特性的折线近似及电路模型 硅管：硅管：UD(on). 7 V 锗管：锗管：UD(

58、on). 3 V i A1 u B UD(on) C 0 （a) 折线近似特性折线近似特性 UUD(on)U UD(on) 12 UD(on) rD(on) （b) 近似电路模型近似电路模型 107 图图1-16 二极管特性的折线近似及电路模型二极管特性的折线近似及电路模型 i A u B UD(on) C 0 （a) 折线近似特性折线近似特性 UUD(on)U UD(on) 12 UD(on) （c) 简化电路模型简化电路模型 108 图图1-16 二极管特性的折线近似及电路模型二极管特性的折线近似及电路模型 i A2 u B0 C 0 （a) 折线近似特性折线近似特性 U0U 0 12 （

59、d) 理想电路模型理想电路模型 109 二极管大信号模型二极管大信号模型 v以上三种电路模型以上三种电路模型(近似、简化、理想近似、简化、理想)均均 为二极管线形化模型。为二极管线形化模型。 v对不同电路模型可在不同需求时采用。对不同电路模型可在不同需求时采用。 110 一、二极管整流电路一、二极管整流电路 v 把交流电转变为直流电称为把交流电转变为直流电称为“整流整流”。 v 反之称为反之称为“逆变逆变”。 整流整流 交流电交流电 直流电直流电 逆变逆变 1-3-4 二极管基本应用电路二极管基本应用电路 111 图图1-11-17 7 二极管半波整流电路及波形二极管半波整流电路及波形 t t

60、 u ui i 0 0 u uo o t t 0 0 (b)(b)输入、输出波形关系输入、输出波形关系 V V R RL L u ui i u uo o ( (a)a)电路电路 二极管近似为理想模型二极管近似为理想模型 思考：思考：二极管近似为简化模型的电路输出？二极管近似为简化模型的电路输出？ 112 u ui i t t 0 0 10V 0.7V 113 二、二极管限幅电路二、二极管限幅电路 v又称为：又称为：“削波电路削波电路”。 v能够把输入电压变化范围加以限制，常能够把输入电压变化范围加以限制，常 用于波形变换和整形。用于波形变换和整形。 114 图图1-1-20 20 二极管上限幅