大班文件级电子电路一讲稿(新)

1、1.1 半导体基础知识半导体的概念：导电能力处于导体和绝缘体之间的材料； 原子之间的共价键键能较弱。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi1.1.1 本征半导体概念：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：硅和锗的共价键结构：共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子

2、，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4本征激发：本征半导体中的价电子在受热或者光照的情况下 获得能量从共价键中脱离出来成为自由电子的过程。 本征激发过程产生两种载流子： 自由电子 空穴复 合：自由电子落入空穴，使自由电子和空穴成对消失 的过程。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子本征半导体中载流子的浓度：式中：ni表示自由电子浓度，pi表示空穴的浓度； A0是与半导体材料有关的常数； k是波尔兹曼常数，k8.6310-5(eV.K-1)； Eg0是T

3、0K时的禁带宽度。结论：本征半导体中的自由电子浓度和空穴浓度相同， 具体浓度值与半导体材料和温度有很大关系。1.1.2 杂质半导体概念：掺入了杂质元素的半导体。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。两种类型的杂质元素： 施主杂质（高价元素，提供电子） 受主杂质（低价元素，提供空位）1.1.2.1 N型半导体概念：在本征半导体中掺入高价元素（施主杂质）使半 导体中的电子浓度大大高于空穴浓度的半导体。+4+4+5+4多余电子磷原子掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子

4、（多子），空穴称为少数载流子（少子）。1.1.2.2 P型半导体概念：在本征半导体中掺入低价元素（受主杂质）使半 导体中的空穴浓度大大高于自由电子浓度的半导体。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。杂质半导体的示意表示法P 型半导体+N 型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。1.1.2.3 杂质半导体中的载流子浓度 结论： 杂质半导体中，自由电子和空穴浓度的乘积等于同温 度下本征半导体中自由电子或空穴的浓度平方。 杂质半导体中，多子的浓度近似等于掺杂浓度，少子 浓度随温度升高而迅速增

5、大。nnpn=ni2=pi2nppp=ni2=pi2nn=ND+pnpp=NA+npN型半导体：P型半导体：式中：nn表示N型半导体中自由电子浓度，pn表示N型半导体中 空穴浓度，np表示P型半导体中自由电子浓度，pp表示P 型半导体中空穴浓度，ni，pi分别表示本征半导体中自由 电子和空穴浓度，ND表示施主杂质浓度，NA表示受主杂 质浓度1.1.3 载流子在半导体内的运动1.1.3.1 载流子在电场作用下的漂移运动概念：在外加电场作用下，自由电子和空穴产生定向运动Jpt=p qpEJnt=-(-q)nn E= n qnE Jt=Jpt+Jnt=(pp+nn)qE式中：Jpt 表示空穴漂移电流

6、密度； Jnt 表示电子漂移电流密度； Jt 表示漂移电流密度； n 表示自由电子迁移率； p 表示空穴迁移率。1.1.3.2 载流子在浓度梯度作用下的扩散运动概念：在浓度差的作用下，自由电子和空穴产生的定向运动式中：JnD 表示电子电流密度； JpD 表示空穴电流密度； Dn 表示自由电子扩散率； Dp 表示空穴扩散率。1.2 PN结与晶体二极管在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。1.2.1 PN结的动态平衡过程和接触电位差 P型区到N型区的过渡带两边的自由电子和空穴浓度相差很大，在浓度差下形成扩散运动，P区的空穴（多

7、子）向N区扩散，N区的自由电子（多子）向P区扩散，在过渡区域产生强烈的复合作用使自由电子和空穴基本消失，在过渡带中产生一个空间电荷区（耗尽区），扩散运动使过渡带内失去了电中性，产生电位差和电场，分别称为接触电位差和内建电场，内建电场由N区指向P区阻碍多子的扩散运动，却促进过渡带中少子的漂移运动，漂移运动中和过渡区中的电荷从而削弱内建电场，随着扩散运动和漂移运动的进行，最后达到一个平衡状态，即内建电场的强度恰好使扩散运动和漂移运动的速度相等，这种平衡称为动态平衡，这时过渡带中的接触电位差，内建电场强度，空间电荷区宽度均处于稳定值，这时我们认为PN结已经形成，并把P、N的过渡带称为PN结，PN结的

8、宽度为空间电荷区的宽度。PN结的接触电位差：T=300K 时，锗的V0.20.3V，硅的V0.60.8VP型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。+ 空间电荷区N型区P型区V01.2.2 PN结和晶体二极管的伏安特性与小信号等效模型在PN结上加欧姆接触电极引出管脚便构成晶体二极管欧姆接触：通过隧道效应，消除金属半导体势垒

9、的接触方式1.2.2.1 单向导电性 PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P区加正、N 区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。概念：正向偏置形成电流较大，反向偏置形成电流很小。二极管基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：+REPN 结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。PN 结反向偏置+内电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE 外电场1.2.2.2

10、 伏安特性 伏安特性指流过二极管的电流与二极管两端电压之间的关系式或曲线。二极管理想伏安特性可用PN结的电流方程来表示：式中：iD 表示流过二极管的电流； vD 表示二极管两端的电压，正向偏置为正； Is 表示反向饱和电流（硅：10-910-15 A）。 二极管的伏安特性曲线：UI死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降: 硅管0.60.8V,锗管0.20.3V。反向击穿电压UBR1.2.2.3 二极管的电阻直流等效电阻 RD：交流（动态）电阻 rd：1.2.2.4 二极管的交流小信号模型1.2.3 PN结的反向击穿特性与高稳定性埋层齐纳稳压管Izmin为稳压管DZ的最小允许电流，Izm

11、ax为最大允许电流，输入电压vI在VIminVImax变化时，要使DZ正常工作，则限流电阻R必须满足下列关系： 在VImax和Ilmin时，IZ应不超过最大允许电流Izmax： 在VImin和Ilmax时，IZ应不低于最小允许电流Izmin：稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。齐纳击穿与雪崩击穿齐纳击穿：掺杂浓度很高（例如ND=NA=1018/cm3）的PN结 很薄，例如宽度只有0.04m，只要对PN结加上 不大的反向电压，就可以产生很强的电场，例如 反压4V，场强可达106V/cm。强电场可强耗尽区 内原子共价键中的电子

12、拉出，自由电子和空穴成 对产生，反向电流剧增。齐纳击穿电压较低（6V)埋层齐纳击穿稳压管：齐纳管被掩埋在顶层硅晶体下面，噪声很小，温度稳定性很高（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压 VZ（2）电压温度系数 U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。1.2.4 PN结的结电容特性与变容二极管PN结电容CJ包括势垒电容CT和扩散电容CD 即：CJ=CTCD1.2.4.1 势垒电容CT 反偏电压变化引起耗尽区厚度变化，从而引起PN结中的电荷量变化，这种电容效应称为势垒电容。式中：CT 表示势垒电容数值； Q 表

13、示PN结的电荷量； vD 表示二极管的偏置电压突变结CT与反偏电压的关系式：(n=0.5)式中：CT(0) 表示vD=0时 的势垒电容。 V 表示接触电位差1.2.4.2 扩散电容CD PN结正偏时，载流子在扩散过程中存在电荷积累，正偏电压大，积累电荷多，反之积累电荷少，这种电容效应称为扩散电容。式中：表示非平衡载流子的平均寿命。1.2.5 PN结的温度特性1. PN结正向电压的温度系数 vD保持二极管正向电流不变，温度变化1所引起的vD 变化 vD-(1.92.5)mV/2. PN结的反向饱和电流随温度按指数规律变化不论是硅管还是锗管，反向电流大约随温度每变化10而变化一倍。锗管的IS（T0

14、）要比硅管大36个数量级1.2.6 二极管的主要常数1. 最大整流电流 IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2. 反向击穿电压VBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VR一般是VBR的一半。3. 反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流值。稍大于反向饱和电流 IS 。4. 最高工作频率fM由PN结电容决定的参数，二极管的工作频率高到一定的程度，CJ对PN结起的旁路作用不容忽略，工作频率超过fM，二极管的单向导电性能变坏。势垒电容和扩散电容的综合效应rdRLuiuouiuott二极管

15、的应用举例1：二极管半波整流二极管的应用举例2：tttuiuRuoRRLuiuRuo负载电阻：要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。 方程 1uoiZDZRiLiuiRL令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。 方程 2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：1.3 双极型晶体管（BJT）概念：由三个杂质半导体区（发射区，基区，集电区） 及两个PN结（发射结和集电结）构成的，有两 种载流子（自由电子和空穴）在其内部作

16、扩散、 复合、漂移等复杂运动的PNP或NPN晶体管。BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管双极型晶体管的基本结构：BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高BECNNP基极发射极集电极发射结集电结1.3.1 BJT工作原理1.3.1.1 BJT内部载流子的传输过程1.多子通过EB结注入2.载流子在基区内扩散与复合3.集电极对载流子收集1.3.1.2 共基连接电流分配关系iE=iC+iBiC=iE+ICBOiB=iB1+iB2-ICBOiB1+iB2=(1

17、- )iE是共基BJT输出端交流短路条件下交流电流增益。是共基BJT的直流电流增益。对小功率BJT，在相当大的电流范围内，BJT的电流分配关系1.3.1.3 共射（共E）BJT工作原理以发射极（E极）作为公共端，EB结正偏，CB结反偏。令：则：是共射BJT输出交流短路下的交流电流增益BJT 电流放大原理BECNNPEBRBECIEIBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。基区空穴向发射区的扩散可忽略。BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE1.3.2 共射BJT的伏安特性曲线1.3.2.1 共射BJT的输出特性曲线ICmAAVVVCEVBERBIBECEB测试共射BJT特性曲线的电路：IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEV(BR)后，iC开始剧增的区域，iB=0对应的V(BR)为V(BR)CBO；iE=0对应的