模拟电子技术第一章ppt

1、上页下页后退模拟电子1.1.1 PN1.1.1 PN结的形成结的形成第第1 1章章 半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用1.1 PN1.1 PN结结半导体的特点半导体的特点： 1.1.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 2.2.对温度或者光照敏感对温度或者光照敏感 3.3.掺杂后导电性能变化明显掺杂后导电性能变化明显常用的半导体材料：常用的半导体材料： 硅、锗、硒一些氧化物硫化物等硅、锗、硒一些氧化物硫化物等上页下页后退模拟电子1.1.本征半导体本征半导体硅原子结构示意图硅原子结构示意图 锗原子结构示意图锗原子结构示意图+ 4原子结构简化图原子结构简化图上页下页后退模

2、拟电子晶体平面结构晶体平面结构将锗和硅材料提纯并形成单晶体后，所有原子便基本将锗和硅材料提纯并形成单晶体后，所有原子便基本上整齐排列。上整齐排列。晶体立体结构晶体立体结构半导体一般都有这种晶体结构半导体一般都有这种晶体结构上页下页后退模拟电子本征半导体就是本征半导体就是完全纯净的，具有晶体结构的完全纯净的，具有晶体结构的半导体。半导体。在本征半导体的晶体结构中，在本征半导体的晶体结构中，每个原子与相邻的四个原子结合每个原子与相邻的四个原子结合，每一个原子的每一个原子的 一个价电子与另一个原子的一个价电子与另一个原子的 一个价电子组成一个一个价电子组成一个共共用电子对用电子对，把相邻的两个原子结

3、合起来，形成，把相邻的两个原子结合起来，形成共价键共价键结构。结构。上页下页后退模拟电子共价键共价键对价电子的对价电子的束缚力较弱束缚力较弱， 在获得一定能量（在获得一定能量（温度增高或温度增高或受光照受光照）后，）后， 即可挣脱原子核的束缚（即可挣脱原子核的束缚（电子受到激发电子受到激发）成为）成为自自由电子由电子。同时，在原来的。同时，在原来的共价键中留下一个空位共价键中留下一个空位，称为，称为空穴空穴。上页下页后退模拟电子 本征激发（本征激发（主要是热激发主要是热激发）使）使空穴和自由电子空穴和自由电子成成对产生；它们相遇对产生；它们相遇复合复合时，时，成对成对消失。消失。 当当温度一定

4、时温度一定时，激发和复合，激发和复合动态平衡动态平衡，“空穴、电空穴、电子对子对”浓度一定浓度一定 。上页下页后退模拟电子在外电场的在外电场的 作用下作用下价电子价电子受电场作用受电场作用填补空穴填补空穴，同时，同时产生新的空穴产生新的空穴，这种空穴转移，这种空穴转移可看作可看作带正电的粒子带正电的粒子在外电场的作用下沿着上述价电子相反的在外电场的作用下沿着上述价电子相反的 方方向向转移转移，形成，形成空穴电流空穴电流，即，即空穴也参与导电空穴也参与导电。U自由电子受自由电子受电场作用转电场作用转移，形成电移，形成电子电流。子电流。上页下页后退模拟电子在半导体中有两种带电粒子在半导体中有两种带

5、电粒子-载流子载流子：带负电的带负电的自由自由电子电子和带正电的和带正电的空穴。空穴。同时存在着同时存在着电子导电和空穴电子导电和空穴导电，这是半导体导电方导电，这是半导体导电方式特点，式特点， 也是也是半导体和金属导电半导体和金属导电原理的原理的 本质区别。本质区别。2 2掺杂半导体掺杂半导体 在在本征半导体本征半导体硅或锗中硅或锗中掺入微量掺入微量的其它适当的其它适当元素元素， 这这类半导体称为类半导体称为掺杂半导体掺杂半导体。能使半导体的导电能力成。能使半导体的导电能力成千上万倍的提高。千上万倍的提高。根据掺杂的不同，杂质半导体分为：根据掺杂的不同，杂质半导体分为：N型半导体和型半导体和

6、P型半导体。型半导体。上页下页后退模拟电子（1 1）N N型半导体型半导体 在本征半导体中，掺入少量在本征半导体中，掺入少量五价杂质五价杂质元素，如磷、砷：元素，如磷、砷：上页下页后退模拟电子电子电子是多数载流子（空穴是少数载流子），简称是多数载流子（空穴是少数载流子），简称多子多子。电子带负电电子带负电，所以称这种半导体为，所以称这种半导体为N(negative)N(negative)型或电子型半型或电子型半导体导体。所所掺入的杂质掺入的杂质能给出电子，称为能给出电子，称为施主杂质施主杂质。加入杂质后，杂质加入杂质后，杂质P原子替代某些硅原子原子替代某些硅原子。杂质原子的。杂质原子的五个价五

7、个价电子电子中，只能有中，只能有四个价电子四个价电子与相邻的四个硅原子的价电子与相邻的四个硅原子的价电子组组成共价键成共价键，多余的那个价电子多余的那个价电子很容易受激发脱离原核的束缚很容易受激发脱离原核的束缚成为成为自由电子自由电子，但，但并不同时产生空穴，并不同时产生空穴， 相应的五价元素的相应的五价元素的原原子子因失去一个电子而成为因失去一个电子而成为不能自由移动的正离子不能自由移动的正离子，掺入的杂，掺入的杂质密度足够大时，质密度足够大时，有大量的自由电子产生有大量的自由电子产生。上页下页后退模拟电子(2) P(2) P型半导体型半导体 当本征半导体中掺入当本征半导体中掺入三价杂质元素

8、三价杂质元素，如硼等，如硼等: :因三价元素因三价元素缺少一个价缺少一个价电子，而电子，而从而产生一个从而产生一个空穴和一个负离子。空穴和一个负离子。使半导体中使半导体中空穴空穴成为成为多多子，空穴带正电子，空穴带正电，所以，所以称为称为P(positive)型或空穴型或空穴型半导体。型半导体。所所掺入的杂质掺入的杂质能接受电能接受电子，称为子，称为受主杂质受主杂质。上页下页后退模拟电子 N N型半导体和型半导体和P P型半导体均属非本征半导体，其中型半导体均属非本征半导体，其中多子的浓度取决于掺入的杂质元素原子的密度多子的浓度取决于掺入的杂质元素原子的密度；少子少子的浓度主要取决于温度的浓度

9、主要取决于温度；所产生的；所产生的离子离子，不能在外电，不能在外电场作用下作漂移运动，不参与导电，场作用下作漂移运动，不参与导电，不属于载流子。不属于载流子。 当当N N型半导体中再型半导体中再掺入三价杂质元素掺入三价杂质元素，且其密度大，且其密度大于原掺入的五价杂质元素，可于原掺入的五价杂质元素，可转型为转型为P P型半导体；型半导体； 反反之，之，P P型半导体也可通过掺入足够的五价元素而转型为型半导体也可通过掺入足够的五价元素而转型为N N型半导体。型半导体。 上页下页后退模拟电子3.PN3.PN结的形成：结的形成： 当半导体的一边是当半导体的一边是N N型半导体型半导体，另一边是，另一

10、边是P P型半导体型半导体时，时，由由于浓度差于浓度差的作用使得多子互相扩散，的作用使得多子互相扩散， 通过交界面到达对方，通过交界面到达对方， 并与对方的多子复合。并与对方的多子复合。 在在N N区和区和P P区之间区之间的的交界面附近交界面附近将形成一将形成一个极薄的个极薄的空间电荷层，称为空间电荷层，称为PNPN结。结。上页下页后退模拟电子 PN PN结一方面阻碍多子的扩散；另一方面，加速少结一方面阻碍多子的扩散；另一方面，加速少子的漂移。子的漂移。 当当N N区及区及P P区中的少子靠近区中的少子靠近PNPN结时，受内电场的作结时，受内电场的作用而被加速，向另一侧漂移。形成用而被加速，

11、向另一侧漂移。形成漂移电流。漂移电流。 在在PNPN结两端开路的条件下，少数能量大的多子可结两端开路的条件下，少数能量大的多子可以克服内电场（即自建场）产生的电场力扩散到另一以克服内电场（即自建场）产生的电场力扩散到另一侧，形成侧，形成扩散电流扩散电流。 经过交界面的由多子扩散形成的经过交界面的由多子扩散形成的扩散电流扩散电流与少子与少子漂移形成的漂移形成的漂移电流漂移电流大小相等、方向相反、大小相等、方向相反、动态平衡动态平衡。 上页下页后退模拟电子+_空间电 荷层P体导半型N电场方向体导半型+_内性区中性区中形成的形成的PNPN结结 上页下页后退模拟电子 PN结一侧结一侧带正电带正电，另一

12、侧，另一侧带负电带负电，在两种半导体之间，在两种半导体之间存在存在电位壁垒电位壁垒，对，对多子多子向另一侧向另一侧扩散扩散起起阻碍阻碍作用，称为作用，称为势势垒或位垒，垒或位垒，记作记作U0。势垒U0+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _空空 间间 电电 荷荷 层层P P体体导导半半型型N N电电 场场方方向向体体导导半半型型+ + + + + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _内内性性区区中中性性区区中中上页下页后退模拟电子当当N N区和区和P P区的区的掺杂浓度不等掺杂浓度不等时，掺杂时，掺杂浓度高的浓度高的一侧（

13、常用一侧（常用P P+ +或或N N+ +表表示）离子电荷密度大，示）离子电荷密度大，空间电荷区的宽度较窄；空间电荷区的宽度较窄； 掺杂浓度低掺杂浓度低的一的一侧，离子电荷密度低，侧，离子电荷密度低，空间电荷区的宽度较宽空间电荷区的宽度较宽，PNPN结不对称。结不对称。+_PN+不对称的不对称的PN结结上页下页后退模拟电子1.1.2 PN1.1.2 PN结的单向导电性结的单向导电性1 1PNPN结正向偏置结正向偏置 V电场方向内UUU0电场方向外0F_+_UFU= ( )IFI= ( )限流电阻+_PNR 此时，一部分多子在此时，一部分多子在扩散过程中与空间电荷区扩散过程中与空间电荷区的离子中

14、和，使的离子中和，使PNPN结变窄结变窄。 PNPN结中的外电场削弱结中的外电场削弱了内电场，势垒下降了内电场，势垒下降, ,有利有利于多子扩散，于多子扩散， 大量的多子大量的多子通过通过PNPN结，形成大的正向结，形成大的正向电流。电流。PNPN结呈现低阻、导通状态。结呈现低阻、导通状态。上页下页后退模拟电子2 2PNPN结反向偏置结反向偏置 V+_IRI=(- )+_PN_+限流电阻RU=- UR外电场方向内电场方向U0-URU0 PNPN结中产生的外电场加强结中产生的外电场加强了内电场，势垒增加，了内电场，势垒增加，PNPN结变结变宽。宽。势垒提高，有利于少子漂势垒提高，有利于少子漂移，

15、不利于多子扩散。移，不利于多子扩散。 由于少子是由热激发产生由于少子是由热激发产生的，浓度很低。的，浓度很低。 当反向电压当反向电压使几乎所有的少子均参与了导使几乎所有的少子均参与了导电，电， 反向电流不再增加，此反向电流不再增加，此电流称为电流称为反向饱和电流，记作反向饱和电流，记作I IS S。 PNPN结呈现高阻、截止状态。结呈现高阻、截止状态。 上页下页后退模拟电子1.1.3 PN1.1.3 PN结的电压与电流关系结的电压与电流关系) 1(TUuseIiIS反向饱和电流反向饱和电流qkTUT时，K)300(TmV26TU ，为温度电压当量，为温度电压当量，T为绝对温度，为绝对温度，K玻

16、耳玻耳兹曼常数，兹曼常数， q为电子电量。在室温为电子电量。在室温 上页下页后退模拟电子（1）当）当u=0时，时，i=0时，TUu （2）当）当u0，且，且 TSUueIi 时，TUu （3）当）当uUT后，曲线上升后，曲线上升斜率斜率TDTUuSDDUiUeIdudiTD 11 TDUueTDuuSDeIi -40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向正向反向反向击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)I/ATDUu 导通后的管压降导通后的管压降uD 约为约为0.7V(硅管硅管)、0.3V(锗管锗管)。上页下页后退模拟电子2 2反向特性反向特性 (1)(1)二极管反向偏置

17、时，二极管反向偏置时，反向电流反向电流由少数载流子由少数载流子漂移形成，在常温下漂移形成，在常温下很小很小。小功率硅二极管的反向饱。小功率硅二极管的反向饱和电流和电流I IS S一般小于一般小于0.10.1微安，锗管的微安，锗管的I IS S约为几十到几百约为几十到几百微安。微安。 在二极管击穿之前，反向电流几乎不随反向电在二极管击穿之前，反向电流几乎不随反向电压的变化而改变。压的变化而改变。因此，反向时管子的直流等效电因此，反向时管子的直流等效电阻阻RD(=UD/ID) 随反向电压的增大而增大；随反向电压的增大而增大；上页下页后退模拟电子 (2)(2)当反向电压超过一定范围以后，反向电压的增

18、加当反向电压超过一定范围以后，反向电压的增加使使反向电流急剧增大。二极管发生反向击穿。反向电流急剧增大。二极管发生反向击穿。 二极管发生反向击穿后，当反向电流还不太大时，二极管发生反向击穿后，当反向电流还不太大时，二极管的功耗二极管的功耗PD( = |UDID| )不大，不大，PNPN结的温度还不会超过结的温度还不会超过允许的最高结温（允许的最高结温（硅管约为硅管约为150200150200o oC C，锗管约为，锗管约为75 75 100100o oC C），二极管仍不会损坏，一旦降低反向电压，二极），二极管仍不会损坏，一旦降低反向电压，二极管仍能正常工作，这种管仍能正常工作，这种击穿击穿是

19、是可逆的可逆的，称为，称为电击穿。电击穿。 反之，若仍继续增加反向电压，反向电流也随之增反之，若仍继续增加反向电压，反向电流也随之增大，管子会因功耗过大使大，管子会因功耗过大使PNPN结的温度超过最高允许温度结的温度超过最高允许温度而烧坏，造成二极管的永久性损坏，这种而烧坏，造成二极管的永久性损坏，这种击穿击穿是是不可逆不可逆的，称为的，称为热击穿热击穿。上页下页后退模拟电子(a)(a)齐纳击穿齐纳击穿 (3)(3)产生击穿的机理：产生击穿的机理： 对于对于掺杂浓度高掺杂浓度高的的PNPN结，结，空间电荷层的宽度很薄，空间电荷层的宽度很薄，所所以在较低的反向电压下，以在较低的反向电压下，空间电

20、荷区中就有较强的电场空间电荷区中就有较强的电场，足以把空间电荷层里的半导体原子的足以把空间电荷层里的半导体原子的价电子从共价键中激价电子从共价键中激发出来发出来，使反向电流突然增大，出现击穿，称，使反向电流突然增大，出现击穿，称这种击穿为这种击穿为齐纳击穿。齐纳击穿。击穿电压低于击穿电压低于4 4伏伏时，主要是由齐纳击穿时，主要是由齐纳击穿。 当温度上升时，价电子的能量增加，当温度上升时，价电子的能量增加， 使价电子激发需使价电子激发需要的电压变小。要的电压变小。齐纳击穿电压具有负的温度系数。齐纳击穿电压具有负的温度系数。上页下页后退模拟电子 对于掺杂浓度低的对于掺杂浓度低的PNPN结，空间电

21、荷层的宽度很宽，需要更高结，空间电荷层的宽度很宽，需要更高的电压才能在空间电荷层中有较强的电场，的电压才能在空间电荷层中有较强的电场， 使作漂移运动的少使作漂移运动的少子加速，能量加大。子加速，能量加大。 当它们与共价键中的价电子发生当它们与共价键中的价电子发生“碰撞碰撞”时，会产生新的载流子，这一现象称为时，会产生新的载流子，这一现象称为“碰撞电离碰撞电离”。碰撞电离。碰撞电离产生新的载流子又被加速，又会与共价键中的价电子发生产生新的载流子又被加速，又会与共价键中的价电子发生“碰碰撞撞”，产生越来越多新的载流子，出现雪崩似的连锁反应，反向，产生越来越多新的载流子，出现雪崩似的连锁反应，反向电

22、流剧增，二极管被击穿。称为雪崩击穿。电流剧增，二极管被击穿。称为雪崩击穿。 (b)(b)雪崩击穿雪崩击穿 雪崩击穿击穿电压一般大于雪崩击穿击穿电压一般大于6 6伏。伏。 当温度上升时，晶体中的原子热运动加剧，被加速的少子当温度上升时，晶体中的原子热运动加剧，被加速的少子在产生碰撞电离前与原子发生在产生碰撞电离前与原子发生“摩擦摩擦”的机会增加，损耗部分的机会增加，损耗部分能量，所以要有更高的反向电压才能使二极管击穿，即能量，所以要有更高的反向电压才能使二极管击穿，即雪崩击雪崩击穿具有正的温度系数。穿具有正的温度系数。上页下页后退模拟电子1.2.4 1.2.4 半导体二极管的主要电参数半导体二极

23、管的主要电参数-40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向正向反向反向击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)I/A1.1.额定电流额定电流IF3.3.最高允许反向工作电压最高允许反向工作电压UR2.2.反向击穿电压反向击穿电压U(BR)4.4.反向电流反向电流IR5.5.正向电压降正向电压降UF6.6.最高工作频率最高工作频率fM上页下页后退模拟电子1.2.3 1.2.3 温度对半导体二极管特性的影响温度对半导体二极管特性的影响1.当温度上升时，死区电压缩小，正向电压降当温度上升时，死区电压缩小，正向电压降降低。降低。在同样电流下，温度每升高在同样电流下，温度每升高1 1

24、 o oC C，二极，二极管的正向电压降将降低管的正向电压降将降低22.5mV22.5mV。2. 温度升高温度升高，反向饱和电流增大。反向饱和电流增大。 温度每升温度每升高高10 10 o oC C左右时左右时，反向饱和电流将增大一倍。反向饱和电流将增大一倍。10)CBO()CBO(002TTTTII 上页下页后退模拟电子1.3 1.3 半导体二极管的应用半导体二极管的应用1.3.1 1.3.1 在整流电路中的应用在整流电路中的应用 利用半导体利用半导体二极管的单向导电特性二极管的单向导电特性，可以将交流电，可以将交流电变成直流电，完成整流作用。变成直流电，完成整流作用。整流整流：将交流电变成

25、直流电。：将交流电变成直流电。整流电路整流电路：完成整流功能的电路。：完成整流功能的电路。 以电路形式区分，整流电路有以电路形式区分，整流电路有半波整流电路半波整流电路、全波全波整流电路整流电路及及桥式整流电路桥式整流电路等，其中桥式整流电路在小型等，其中桥式整流电路在小型电子设备中使用较为广泛。电子设备中使用较为广泛。上页下页后退模拟电子2 u t0 t0iD1O u t0iD2 t0iO t0工作波形工作波形+_uORLTR+_u2+_u1D1D2D3D4iOiD1iD2ab工作原理工作原理当当u20时时, ,D1、D3导通，导通，D2、D4截止。截止。电流流向：电流流向：aD1 RL D

26、 3 b当当u20时时, ,D2、D4导通，导通，D1、D3截止。截止。电流流向：电流流向：bD2 RL D4 a上页下页后退模拟电子1.3.1 1.3.1 在检波电路中的应用（无线通讯）在检波电路中的应用（无线通讯）音频放大器话筒话筒高频振荡器调 制 器发 射 器u0t用音频信号去控制高频用音频信号去控制高频信号的幅值。信号的幅值。幅值按音幅值按音频信号规律频信号规律变化的高频变化的高频信号信号上页下页后退模拟电子3u0t1u0t2u0tDR1R2CC1LC21u2u3u高放大器频低频放大检波的过程检波的过程上页下页后退模拟电子1.3.1 1.3.1 限幅电路限幅电路iut0iuiuiuR2D1DiuiuARi工作原理工作原理当当ui i 6V管子出现雪崩击穿，管子出