模拟数字电路

1、Q12N33901.1 半导体的基础知识半导体的基础知识1.1.1 1.1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1.1.2 1.1.2 半导体的种类及其内部结构半导体的种类及其内部结构返回返回1.1.3 PN1.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性3 3、掺杂特性掺杂特性：在纯净的半导体材料中，掺杂微量：在纯净的半导体材料中，掺杂微量杂质，其导电能力大大增强。杂质，其导电能力大大增强。（可增加几十万至几（可增加几十万至几百万倍）百万倍）1.1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1、热敏性热敏性：半导体受热时，其导电能力增强。：半导体受热时，其导电能力增强。利用利用这种特性，有些对温度

2、反应特别灵敏的半导体可做成这种特性，有些对温度反应特别灵敏的半导体可做成热电传感器热电传感器2、光敏性光敏性：半导体光照时，其导电能力增强。：半导体光照时，其导电能力增强。利用利用这种特性，有些对光特别敏感的半导体可做成各种光这种特性，有些对光特别敏感的半导体可做成各种光敏元件。敏元件。 返回返回1.1.2 半导体的种类及其内部结构半导体的种类及其内部结构1. 种类种类半导体半导体P型半导体型半导体(空穴型）空穴型）杂质半导体杂质半导体N型半导体（电子型）型半导体（电子型）本征半导体本征半导体价电子价电子：最外层的电子受原子核的束缚最最外层的电子受原子核的束缚最小，最为活跃，故称之为价电子。小

3、，最为活跃，故称之为价电子。 最外层有几个价电子就叫几价元素，最外层有几个价电子就叫几价元素，半导体材料硅和锗都是半导体材料硅和锗都是四价元素四价元素。 Si+14 2 8 4 Ge+32 2 8 18 4 常用半导体材料硅和锗的原子结构常用半导体材料硅和锗的原子结构1).本征半导体本征半导体对半导体提纯，使之成为对半导体提纯，使之成为单晶体结构。这种纯净的晶体叫本征半导体。单晶体结构。这种纯净的晶体叫本征半导体。晶体管就是由此而来的。晶体管就是由此而来的。2. 半导体的内部结构及导电方式半导体的内部结构及导电方式：SiSiSiSiSiSi共价键结构共价键结构每个价电子为每个价电子为两个相邻原

4、子两个相邻原子核所共有。核所共有。l l 内部结构：内部结构：本征激发本征激发价电子获得一定的能价电子获得一定的能量后挣脱共价键的束缚成为自由电子的现量后挣脱共价键的束缚成为自由电子的现象叫本征激发。象叫本征激发。SiSiSiSiSiSi自由电子自由电子当当温度升高时，一温度升高时，一些价电子获得一些价电子获得一定的能量后，挣定的能量后，挣脱共价键的束缚，脱共价键的束缚，成为自由电子。成为自由电子。空穴空穴:留下的空位留下的空位自由电子数自由电子数=空穴数空穴数自由电子和空穴统称为载流子自由电子和空穴统称为载流子本征半导体的特点本征半导体的特点 l 导电方式导电方式SiSiSiSiSiSi电子

5、电流电子电流空穴电流空穴电流共价健中的价共价健中的价电子在外电场电子在外电场的力的作用下的力的作用下挣脱共价键的挣脱共价键的束缚，沿与外束缚，沿与外电场方向相反电场方向相反方向填补空穴，方向填补空穴，就好像空穴沿就好像空穴沿与外电场方向与外电场方向相同的方向作相同的方向作定向运动，形定向运动，形成电流，这个成电流，这个电流称为空穴电流称为空穴电流。电流。 外电场外电场所以，所以， 本征半导体中有两种电流：电子电流和空穴电流，本征半导体中有两种电流：电子电流和空穴电流，他们的方向一致，总电流为电子电流与空穴电流之和。他们的方向一致，总电流为电子电流与空穴电流之和。在半导体上加电场时在半导体上加电

6、场时 本征半导体中电流的大小取本征半导体中电流的大小取决于决于自由电子和空穴的数量自由电子和空穴的数量，数，数量越多，电流越大。即本征半导量越多，电流越大。即本征半导体的导电能力与载流子的数量有体的导电能力与载流子的数量有关，而当光照和加热时，载流子关，而当光照和加热时，载流子的数量都会增加，这就说明了光的数量都会增加，这就说明了光敏性和热敏性。敏性和热敏性。动画动画1-1本征半导体中的自由电子和空穴本征半导体中的自由电子和空穴动画动画1-2空穴的运动空穴的运动在在本征半导体中掺入五价杂质元素，本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成例如磷，可形成 N N型半导体型半导体, ,也称也称电子

7、电子型半导体型半导体。2).2).杂质半导体：杂质半导体：N N型半导体（电子型半导体）型半导体（电子型半导体）SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP热激发产生热激发产生的自由电子的自由电子掺杂磷产生掺杂磷产生的自由电子的自由电子掺杂磷产生的自由电子数掺杂磷产生的自由电子数 热激发产生的自由电子数热激发产生的自由电子数N型半导体中自由电子数型半导体中自由电子数 空穴数空穴数自由电子自由电子为为 N型半导体的型半导体的多数载流子（简称多子）多数载流子（简称多子）空穴空穴为为N型型半导体的半导体的少数载流子（简称少子）少数载流子（简称少子）因五价杂质原子中四因五价杂质原子中四个价电子与周围

8、四个个价电子与周围四个半导体原子中的价电半导体原子中的价电子形成共价键，多余子形成共价键，多余的一个价电子因无共的一个价电子因无共价键束缚而很容易形价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。N N型半导体简化图型半导体简化图SiSiSiSiSiP空空间间电电荷荷多多子子SiSiSiSiSiBl P P型半导体：型半导体：往本征半导体中掺杂往本征半导体中掺杂三价杂质三价杂质硼形成的杂质半导体硼形成的杂质半导体, P, P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成；电电子是少数载流子，子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电空穴很容易俘

9、获电子，使杂质原子成为子，使杂质原子成为负离子负离子。因而也称为。因而也称为受主杂质受主杂质。SiSiSiSiSiB热激发产生热激发产生的空穴的空穴掺杂磷产生的掺杂磷产生的空穴空穴自由电子为自由电子为P P型半导体的少数载流子，空穴为型半导体的少数载流子，空穴为P P型半导型半导体的多数载流子体的多数载流子掺杂硼产生的空穴数掺杂硼产生的空穴数热激发产生的空穴数热激发产生的空穴数P P型半导体中空穴数型半导体中空穴数自由电子数自由电子数P型半导体简化图型半导体简化图SiSiSiSiSiB 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质质, ,分别形成分别形成N N

10、型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半导体和型半导体和P P型半导体的结合面上形成如下物理过型半导体的结合面上形成如下物理过程程: :PN+ +内电场PN+ +1.1.3 PN1.1.3 PN结结1 PN1 PN结的形成结的形成因因浓浓度度差差多子产多子产生扩散生扩散运动运动(PN)形成空形成空间电荷间电荷区区(N(NP)P)形成内形成内电场电场(N(NP)P) 阻止多阻止多子扩散子扩散促使少子漂移促使少子漂移（ N NP P）动态动态平衡平衡 动画1-3 PN节的形成 PNPN结的特性结的特性单向导电性单向导电性当外加电压时，当外加电压时，PNPN结就会显示

11、单向导电性结就会显示单向导电性单向导电性单向导电性：PNPN结加结加反向反向电压时，电压时，截止截止。规定规定：P P区接电源正，区接电源正，N N区接电源负为区接电源负为PNPN结加结加正向正向电压电压N N区接电源正，区接电源正，P P区接电源负为区接电源负为PNPN结加结加反向反向电压电压PNPN结加结加正向正向电压时，电压时，导通导通。PN+ + (1)PN(1)PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 PNPN结加正向电压时结加正向电压时，外加的正向电压有一，外加的正向电压有一部分降落在部分降落在PNPN结区，方结区，方向与向与PNPN结内电场方向相结内电场方向相反，削弱

12、了内电场。于反，削弱了内电场。于是是, ,内电场对多子扩散运内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，移电流的影响，PNPN结呈结呈现低阻性。其理想模型现低阻性。其理想模型：开关闭合：开关闭合内电场内电场外电场外电场 动画动画1-4 PN结结正偏正偏 (2) PN(2) PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在外加的反向电压有一部分降落在PNPN结区，方向与结区，方向与PNPN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩结内电场方向相同，加强

13、了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时扩散电流大大减小。此时PNPN结区的少子在内电场的结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流是少子电流，由于漂移电流是少子形成的电流，故反向电流形成的电流，故反向电流非常小，非常小，PNPN结呈现高阻性。结呈现高阻性。 PNPN结加反向电压时结加反向电压时内电场内电场外电场外电场 动画1-5 PN结反偏 在一定的温度条件下，由本征激发决定的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少子浓度是一定的，

14、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是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 PN PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。漂移电流。PN结加反向电压时的导电情况图01.07 PN结加正向电压时的导电情况 PN PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；扩散电流；由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。3 PN结的

15、电容效应 PN PN结具有一定的电容效应，结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。它由两方面的因素决定。 一是势垒电容一是势垒电容CB 二是扩散电容二是扩散电容CD (1) (1) 势垒电容势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使。当外加电压使PNPN结上压降发生变化时，离子薄结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当层的厚度也相应地随之改变，这相当PNPN结中存储结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。图 01.09 势垒电容示意图 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电

16、容是由多子扩散后，在PNPN结的另一结的另一侧面积累而形成的。因侧面积累而形成的。因PNPN结正偏时，由结正偏时，由N N区扩散区扩散到到P P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在过来的电子就堆积在P P 区内紧靠区内紧靠PNPN结的附近，结的附近，形成一定的多子浓度形成一定的多子浓度梯度。梯度。(2) 扩散电容扩散电容CD 反之，由反之，由P P区扩散区扩散到到N N区的空穴，在区的空穴，在N N区区内也形成类似的浓度梯内也形成类似的浓度梯度分布曲线。度分布曲线。扩散电容示意图 当外加正向电压当外加

17、正向电压不同时，扩散电流即不同时，扩散电流即外电路电流的大小也外电路电流的大小也就不同。所以就不同。所以PNPN结两结两侧堆积的多子的浓度侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这梯度分布也不同，这就相当电容的充放电就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电散电容均是非线性电容。容。返回返回1.2 半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构类型半导体二极管的结构类型1.2.2半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线1.2.3 半导体二极管的参数半导体二极管的参数1.2.4半导体二极管的温度特性半导体二极管的温度特性1.2.5半导体二极管的型号半导体二极管的型号

18、1.2.1 1.2.1 半导体二极管的结构类型半导体二极管的结构类型 在在PNPN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型三大类。它们三大类。它们的结构示意图如图所示。的结构示意图如图所示。(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。用于检波和变频等高频电路。(a)(a)点接触型结构图点接触型结构图 (c)平面型结构图结构图 (3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造工往往用于集成电路制造工艺中。艺中

19、。PN PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)面接触型结构图结构图返回返回1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线处于第一象限的是正向伏安特性曲线; ;处于第三象限的是反向伏安特性曲线。处于第三象限的是反向伏安特性曲线。U/V 式中式中I IS S 为反向饱和电流，为反向饱和电流，U U 为二极管两端的电压为二极管两端的电

20、压降，降，U UT T = =kT/qkT/q 称为温度的电压当量，称为温度的电压当量，k k为玻耳兹曼常为玻耳兹曼常数，数，q q 为电子电荷量，为电子电荷量，T T 为热力学温度。对于室温（为热力学温度。对于室温（相当相当T T=300 K=300 K），则有），则有U UT T=26 mV=26 mV。) 1(eTSUUII根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示U/V(1) (1) 正向特性正向特性硅硅二极管的死区电压约为：二极管的死区电压约为： Uth=0.5 V左右左右，锗二极管的死区电压约为：锗二极管的死区电压约为：Uth=0.

21、1 V左右。左右。 当当0UUth时，正向电流为零，时，正向电流为零，U Uthth称为死区称为死区电压或开启电压，管子截止。电压或开启电压，管子截止。 当当U U0 0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：即处于正向特性区域。正向区又分为两段： 当当UUth时，开始出现正向电流，并按指数时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。管子导通。规律增长。管子导通。U/VU(2) (2) 反向特性反向特性当当U0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域： 当当UBRU0时，时，反向电流很小，且基本不随反向反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的

22、反向电流也称电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电反向饱和电流流IS ， IS 0。管子截止。管子截止。 当当UUBR时，反向时，反向电流急剧增加，管子击电流急剧增加，管子击穿穿。UBR称为称为反向击穿反向击穿电压电压 。U/VUBR 从击穿的机理上看，硅二极管若从击穿的机理上看，硅二极管若| |VBR|7V|7V时时, ,主要是雪崩击穿；若主要是雪崩击穿；若|UBR|4V时时, , 则主要则主要是齐纳击穿。当在是齐纳击穿。当在4V4V7V7V之间两种击穿之间两种击穿都有，有可能获得零都有，有可能获得零温度系数点。温度系数点。 在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。在反向区，硅二

23、极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极管硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；流也很小；锗二极管锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。圆滑，反向饱和电流较大。 返回返回UBR1.2.3 半导体二极管的主要参数主要参数主要参数极限参数极限参数：使器件损坏的参数：使器件损坏的参数特征参数特征参数：使器件的某个特性：使器件的某个特性消失的参数消失的参数1.最大整流电流最大整流电流IF 在测试温度下，二极管允许通过在测试温度下，二极管允许通过的最大平均电流的最大平均电流。2.2.最高反向工

24、作电压最高反向工作电压U URMRM二极管允许承受的最大反向电压二极管允许承受的最大反向电压。3.3.反向电流反向电流IR在室温下，二极管未击穿时的反向电流在室温下，二极管未击穿时的反向电流。4.4.最高工作频率最高工作频率f fM M 二极管工作的上限频率。二极管工作的上限频率。返回返回1.2.4 1.2.4 半导体二极管的温度特性半导体二极管的温度特性 温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加88，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加，反向电流将约

25、增加一倍；锗二极管温度每增加22，反向电流大约增加一倍。，反向电流大约增加一倍。 另外，温度升高时，二另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每极管的正向压降将减小，每增加增加11，正向压降，正向压降U UF F( (U UD D) )大大约减小约减小2mV2mV，即具有负的温，即具有负的温度系数。这些可以从图度系数。这些可以从图01.1301.13所示二极管的伏安特所示二极管的伏安特性曲线上看出性曲线上看出。uD1.2.5 1.2.5 半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二

26、极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片返回返回 二极管的单向导电性应用很广，可用于：检波、二极管的单向导电性应用很广，可用于：检波、整流、限幅、钳位、开关、元件保护等。整流、限幅、钳位、开关、元件保护等。n例例1 1：设二极管得导通电压为：设二极管得导通电压为0.6V0.6V，求，求UO-6V-12V解：解：D D导通，导通， UO = = - - 6.6V1.3 1.3 二极管基本应用二极管基本应用例例2 2：设二极管的导通电压忽略，已知：设二极管的导通电压忽略，已知ui=Asinwt(V)，画出画出uO的波形。的波形。tuituo例3：设二极管的导通电压忽略，已知设二极管

27、的导通电压忽略，已知ui=10sinwt(V)，E=5V，画画uo的波形的波形。tui10v5vtuo5v 例例4 4：电路如下图，已知：电路如下图，已知u=10sin( t)(V V)，E=5V=5V，试画出，试画出uo的波形的波形解：uuot u uot 例例5 5：VA=3V, VB=0V，求求VF (二极管的导二极管的导通电压忽略通电压忽略)返回1.4 特殊的二极管特殊的二极管稳压二极管 稳压二极管是应稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完极管的伏安特性曲线完全一样，稳压

28、二极管伏全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如符号和典型应用电路如图所示。图所示。一、稳压二极管的伏安特一、稳压二极管的伏安特性曲线及稳压原理：性曲线及稳压原理：(a)符号 (b) 伏安特性 (c)应用电路(c)(a)(b)U/VUZ从稳压二极管的伏安特性曲线从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数上可以确定稳压二极管的参数 (1) 稳定电压稳定电压UZ 在规定的稳压管反向工在规定的稳压管反向工作电流作电流I IZ Z下，所对应的反向下，所对应的反向工作电压。工作电压。二、主要参数二、主要参数 (2)(2)最大稳定工作电流最大稳定工作电流

29、I IZmaxZmax 和和最小稳定工作电流最小稳定工作电流I IZminZmin 稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =UZIZmax 。 若若IDZIZmin则不能稳压。则不能稳压。UZUZU (3) (3) 耗散功率耗散功率 P PZMZM 稳压管的最大功率损耗稳压管的最大功率损耗取决于取决于PNPN结的面积和散热等结的面积和散热等条件。反向工作时条件。反向工作时PNPN结的功结的功率损耗为率损耗为 PZ= UZ IZ，由由 PZM和和UZ可以决定可以决定IZmax。(4)(4) 动态电阻动态电阻r rZ Z_-_- 其

30、概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。rZ愈小愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ = UZ / IZUZ(5) (5) 电压温度系数电压温度系数C CT T 温度的变化将使温度的变化将使V VZ Z改变，在稳压管中当改变，在稳压管中当 UZ 7 V时，时，UZ具有正温度系数，反向击穿具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。是雪崩击穿。 当当 UZ 4 V时，时， UZ具有负温度系数，具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。反向击穿是齐纳击穿。 当当4 V UZ 7 V时，稳压管可以获得时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。为标准稳压管使用。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。起到稳压作用。三