北理工模拟电子半导体基础

1、模拟(mn)电子技术基础（3.5学分）自动化学院(xuyun)电子技术教研室：王美玲wangml网址： 1共七十五页相关(xinggun)信息“电子技术基础”课程(kchng)为学校精品课程(kchng)，分为数电A/B，模电A/B。电子学教研室承担全校自动化学院、光电学院等9个学院，16个专业，共计39个班级，1100人的理论与实验课程教学工作。2共七十五页相关(xinggun)信息电子技术(jsh)是一门实践性很强的课程。先修课程：大学物理、电路分析后续课程：计算机接口技术、单片机、信号与系统、电力电子等特别说明：研究生入学考试课程之一3共七十五页实验室良乡（理学楼电工电子(dinz)实验

2、中心） ：三电中心电子学实验室及EDA实验室中关村：电子学实验室及EDA实验室北京理工大学和美国美信公司： “单总线技术联合实验室”北京理工大学和德国控创（北京）科技有限公司 “嵌入式联合实验室”4共七十五页开放(kifng)实验大二下：电子设计能力训练-PSOC在系统(xtng)可编程系统(xtng)系统设计制作训练5共七十五页课程(kchng)安排参考教材(jioci)：模拟电子技术基础 （王远主编，第3版, 机工出版社 ）总课时：56学时实验（1.5学分）：单独开设实验教材：电子技术实验 （张玉平主编，北京理工大学出版社）6共七十五页7各班课代表(dibio)：3月9日（本周日）上午9点

3、到理学楼B-207房间选实验。实验选课时间(shjin)安排共七十五页成绩(chngj)说明平时总计：30分 包括课堂（考勤及测验，不能补交）及课后（作业，可以补交，但影响平时成绩）期末考试：卷面(jun min)100分，折合70分。8共七十五页9作业(zuy)作业分为自测题和作业两部分，自测题不交，部分自测题会在课堂上讲一下， 课代表按学号排序后交老师。 上课前收作业，课间及课后不收作业，未能按时上交作业，可随下一章作业一起上交。由于已出版习题(xt)解答辅导教材，老师不批改作业，只考查是否缺题，并登录成绩。共七十五页10测验(cyn)说明学时较多的章节和重要章节一般都要进行测验(cyn)

4、。未参加测验的同学不能补交。共七十五页模拟电子(dinz)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(jbn)应用及基本分析和设计方法11共七十五页12学习方法：工程的观点，学会近似处理(chl)实践性强，理论与实践相结合，注重实验、习题共七十五页13放大(fngd)电路的频响模拟电子技术基础知识结构(jigu)框图共七十五页14前言(qin yn)电子技术是现代社会发展最迅速(xn s)、应用最广泛的技术，已使人们的日常生活发生了根本的变革。在电子电路中，产生、传递、加工和处理的信号可以分为模拟信号和数字

5、信号两大类。模拟信号在时间和数值上都是连续的，即对应于任意时间均有确定的电流或电压值，并且其幅值是连续的，如正弦波信号就是典型的模拟信号共七十五页15某天最低气温是15C，最高气温是25C，则一天的气温变化(binhu)是连续的。共七十五页16与模拟信号不同，数字信号在时间(shjin)和数值上是离散的，或者说是不连续的，且其数值的变化都是某个最小量值的整数倍 。共七十五页17处理模拟信号的电路称为模拟电路。 处理数字信号的电路称为数字电路。自然界存在大量的模拟信号和数字信号以及模拟系统和数字系统，并且这些系统往往并非独立，而是相互渗透的，因此(ync)在进行信号处理时需要将两者通过接口电路进

6、行转换。共七十五页 第1章 半导体基础(jch)和二极管1.1半导体的基础知识 本征半导体，杂质半导体，PN结及其特性1.2半导体二极管 结构(jigu)与类型，伏安特性，参数，型号及其选择， 模型，应用举例，稳压管18共七十五页作业(zuy)6，8，9，10自测题：2，319共七十五页难点:半导体中载流子的运动(yndng)以及用载流子运动(yndng)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(ndin)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。20共七十五页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

7、之间的物质(wzh)。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的特殊性质：光敏特性、热敏特性及掺杂特性等。1.1.1 本征半导体21共七十五页在热力学温度零度(ln d)和没有外界激发时，本征半导体不导电。把纯净的、结构完整(wnzhng)的半导体单晶体称为本征半导体 图1.2 本征半导体的共价键结构硅原子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、本征半导体的结构22共七十五页+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子(z yu din z)空穴(kn xu)本征激发复合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23共七十五页+4+4

8、+4+4+4+4+4+4+4外电场(din chng)方向空穴移动方向 电子移动方向 在外电场作用下，电子和空穴(kn xu)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24共七十五页四、本征浓度(nngd)在一定温度条件下，产生与复合的过程虽然(surn)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/cm325共七十五页26半导体材料性能对温度的敏感性，使其既可以用来(yn li)

9、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。共七十五页+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2 杂质(zzh)半导体一 . N 型半导体在硅或锗的晶体(jngt)中 掺入少量的五价元 素,如磷,则形成N型半导体。 磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子图1-4 N型半导体27共七十五页 N 型半导体结构(jigu)示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导体中,电子是多数载流子（多子）, 空穴(kn xu)是少数载流子（少子），但仍是电中性第1章 1.128共七十五页+4+4+4+4+4+4+4空穴(kn xu)二. P型半导体在硅或锗的晶体(jngt)中掺入少量的三价元素,如硼,

10、则形成P 型半导体。 +4+4硼原子填补空位+3负离子29共七十五页电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子在P型半导体中,空穴是多数(dush)载流子,电子是少数载流子。30共七十五页一、PN 结的形成(xngchng)在同一块(y kui)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31共七十五页 由于(yuy)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(zh ge)

11、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。32共七十五页 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(yndng)，同时使少子产生漂移运动(yndng)，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(kund)及电位差Uho为恒定值。硅：（0.60.8）V；锗：（0.1 0.3）V。33共七十五页在一定的条件(tiojin)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 区内电场方向34共七十五页内电场方向二、

12、PN 结的特性(txng)1、PN 结的单向(dn xin)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。35共七十五页内电场(din chng)方向E外电场方向RIP 区N 区外电场(din chng)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空间电荷区变窄 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。36共七十五页P 区N 区内电场(din chng)方向ER空间电荷区变宽 外电场方向IR（2） 外加反向(fn xin)电压(反偏) （N端接电源正极）少数载流

13、子越过PN结形成很小的反向电流 37共七十五页PN结的单向(dn xin)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(jio d),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。38共七十五页2、PN结的伏安(f n)特性及其表达式I / mAU / VI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(dngling)” ，常温时，UT 26mVPN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。39共七十五页温度对反向电流(dinli)的影响：T，少子(sho z) ，IS PN加正

14、向电压，且UUT时，PN加反向电压，且U UT时，I / mAU / V40共七十五页PN结的正向特性(txng)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(dinli)不变时，环境温度每升调1C,PN结的端电压可减小22.5mV。41共七十五页3、PN结的击穿(j chun)特性当PN结反向电压(diny)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42雪崩击穿2. 齐纳击穿共七十五页齐纳击穿：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/d，其中U为两电场间的电势差，d为两点间沿电场方向的

15、距离），直接破坏共价键，形成电子-空穴对，导致电流(dinli)急剧增加。硅材料一般在4V以下的击穿称为齐纳击穿。43共七十五页雪崩击穿：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(dinz)-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(wnd)特性较好。44共七十五页当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(u r)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。45共七十五页PN结

16、电容势垒电容 扩散电容4、 PN结的电容(dinrng)效应PN结除有单向(dn xin)导电性外，还有电容效应。46共七十五页 PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容(dinrng)称为势垒电容(dinrng)，与平板电容(dinrng)器相同：S：PN结面积(min j)d：PN结宽度：半导体介电常数 （1） 势垒电容CB 47共七十五页 外加(wiji)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 CDI：正向电流：非平衡(pnghng)少子的寿命48共七十五页PN结的结电容CJ为势垒电容CB与

17、扩散电容CD之和，即 ：CJ=CB+CD 正向偏置时，结电容一般 以扩散电容为主；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(cnzi)就可能破坏PN结的单向导电性。49共七十五页符号阳极阴极1.2 半导体二极管 +SiO2保护层P型区 平面型N型硅PN结点接触型 +触丝N型锗支架外壳PN结1.2.1 半导体二极管的结构(jigu)和类型50共七十五页U / V1.2.2 二极管的伏安(f n)特性一、正向(zhn xin)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

18、.1 0.3)V (取0.2V）I / mA正向特性反向特性Uth51共七十五页二、反向(fn xin)特性加反向电压(diny)时，反向电流很小。U / VI / mA正向特性反向击穿特性反向特性Uth三、击穿特性52共七十五页材料开启电压Uth /V导通电压/V反向饱和电流/A硅0.50.6 - 0.80.1锗0.20.1 - 0.3几十两种不同(b tn)材料构成二极管的比较:53共七十五页1.2.3 二极管的主要参数1. 最大整流(zhngli)电流IF2. 最大反向(fn xin)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

19、加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。54共七十五页1.2.3 二极管的主要参数3、反向(fn xin)电流IR4、 最高工作频率fM二极管未击穿(j chun)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。55共七十五页1.2.4 半导体二极管的型号(xngho)及选择一、半导体器件型号命名(mng mng)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2CP1056共七十五页1.2.4 半导体二极管的型号(xngho)及选择二、选用(xunyn

20、g)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。57共七十五页1.2.5二极管的等效电路一、理想二极管等效(dn xio)模型：理想开关I/ mAU / V符号(fho)：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”。58共七十五页1.2.5二极管的等效电路二、理想(lxing)二极管+恒压源模型符号(fho)：Uon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。Uo

21、n是二极管的导通电压I/ mAU/ VUon059共七十五页对微小变化的信号，可以用伏安特性在Q点（静态(jngti)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(xnho)模型UDQIDI/ mAU/ VUDIDQQU+-IDrd动态电阻与直流工作点位置有关60共七十五页1.2.6半导体二极管应用(yngyng)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(boku)串联限幅电路、并联限幅电路和双向限幅电路等。61共七十五页1、串联(chunlin)限幅电路推广到整流电路二极管与负载电阻串联(chunlin)ui正半周且数值大

22、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 062共七十五页1.2.6半导体二极管应用(yngyng)举例2、并联(bnglin)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 onui负半周或数值小于导通电压，二极管截止， uo ui63共七十五页1.2.6半导体二极管应用(yngyng)举例3、双向限幅电路(dinl)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 on64共七十五页65电源误接（反接）保护-单向导电性集成 运放(yn fn)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）稳压管共七

23、十五页VS正极负极1、稳压管的伏安(f n)特性1.2.7 稳压管AI/mAU/V0正向特性反向击穿区UZIminIZmaxBAB段，电流(dinli)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。66共七十五页 2、稳压管的主要参数（1） 稳定电压UZ （2） 最小稳定(wndng)电流 IZmin 电流(dinli)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I/mAU/V0UZIminIZmax67共七十五页 2、稳压管的主要参数（5） 动态(dngti)电阻 rZrZ = IZ UZ（6） 稳定电压的温度(wnd)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0IZUZU/VIminIZmaxI/mA68共七十五页69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