模拟电子技术基础 课件 01-1讲义(PN结).ppt

1、教材,1 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.第三版.北京：高等教育出版社，2001.,20世纪60年代初，童诗白主持编写了我国最早出版的电子学教材，从此结束了我国长期使用外国翻译教材的历史，将我国高等院校以大功率、整流技术为主的“工业电子学” 课程内容体系，转变为以小功率、控制为主的整流放大振荡脉冲的“电子技术基础”课程内容体系，完成了从工业电子学到电子技术基础的转换，为培养我国自动化方面的人才打下基础。,课程发展历史,模拟电子技术是一门在电子技术方面入门性质的技术基础课程，它既有自身的理论体系，又有很强的实践性；是高等教育工科电类各专业和部分非电类必修的技术基础课，而且随着电子工业的飞速发

2、展和计算机技术的迅速普及，它已成为几乎所有理工科专业本科生的必修课程。,课程地位,通过本课程的学习，不但使学生掌握电子技术的基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验技能，而且有利于学生建立以下几个观点，形成正确的认识论。 （1）系统的观念： （2）工程的观念： （3）科技进步的观念： （4）创新的观念：,课程作用,体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小和功率转换效率高,目录, 常用半导体器件 基本放大电路 多级放大电路 集成运算放大电路 频率响应 反馈放大电路 信号的运算与处理电路 信号发生和转换 功率放大电路 直流电源, 1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 双极性晶体管

3、1.4 场效应管 1.5 晶闸管,第一章 常用半导体器件,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，,常用的半导体材料： （1）元素半导体： 硅14（Si）、锗32（Ge）； （2）化合物半导体：砷化镓（GaAs）。,1.1 半导体基础知识,本征半导体纯净、结构完整的半导体。,共价键结构：,一、本征半导体,价电子,本征激发在室温下，少数价电子因热激发而获得足够的能量，因而脱离共价键的束缚成为自由电子。同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“孔穴”。,本征半导体中自由电子和空穴是成对出现、成对消失的。,在热力学零度时，半导体是不能导电的。,自由电子在电场的作用下定向移动形成电子电流。

4、,如果在本征半导体两端外加一电场，则：,填补孔穴的价电子作定向移动也形成电流。价电子填补孔穴的运动无论在形式上还是在效果上都相当于带正电荷的孔穴在与价电子的运动相反的方向运动。为了区别于自由电子的运动，我们把这种运动叫做孔穴运动，认为孔穴是一种带正电荷的载流子。,本征半导体中有两种载流子，分别为自由电子和孔穴。在电场的作用下两种载流子分别形成电子电流和孔穴电流，它们电流方向一致。它们的电流和称为半导体的电流。,总结,本征半导体内载流子的浓度,本征半导体的导电能力是很弱的，如果在本征半导体中掺入微量的其它元素就会使半导体的导电性能发生显著变化。,杂质这些微量元素的原子称为杂质。 杂质半导体掺入杂

5、质的半导体称为杂质半导体。 杂质半导体分类N型半导体、P型半导体。,二、杂质半导体,N型半导体,在本征半导体的晶体中掺入五价元素后，杂质原子就代替了晶格中某些硅原子的位置，它的五个价电子中有四个与周围的硅原子结成共价键，多余的一个价电子处在共价键之外。杂质原子对这个共价键外的电子的束缚能力较弱，在室温下很容易激发成自由电子，同时杂质原子变成带正电荷的离子。,施主原子杂质原子提供电子，故称为施主原子,N型半导体： 电子为多数载流子，孔穴为少数载流子的杂质半导体称为N型半导体。,P型半导体,在本征半导体的晶体中掺入三价元素后，杂质原子的三个价电子与周围的硅原子结成共价键时，出现一个孔穴，在室温下这

6、些孔穴能吸引邻近的价电子来填充，使杂质原子变成带负电荷的离子。,受主原子杂质原子因能吸收电子，故称为受主原子,P型半导体： 电子为少数载流子，孔穴为多数载流子的杂质半导体称为P型半导体。,1、在杂质半导体中，多子是由杂质原子提供，少子是本征激发而产生的。,2、半导体的电流基本上是多子的电流。,3、少子对温度非常敏感；而多子的浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以受温度影响不大。,总结,浓度差,扩散运动,三、PN结,形成PN结,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成 内电场,促进少子的漂移,阻止多子的扩散,动态平衡,PN结中的扩散电流等于漂移电流，并且两者方向相反。PN结中的电流为零。,在无外电场

7、或其它因素激发时PN结处于平衡状态，没有电流流过。空间电荷区的宽度和电位差为恒定值。空间电荷区中没有载流子，所以又称耗尽层，其宽度一般为数微米。,总结,PN结加正向电压的情况,工作原理在外加电场的作用下，多子被推向耗尽层，结果耗尽层变窄，内电场被削弱，这有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。多子的扩散电流通过回路形成正向电流。PN结导通时的结压降一般只有零点几伏，所以不大的正向电压就可以产生相当大的正向电流。通常在回路中串入一个电阻用以限制电流。,四、PN结的单向导电性,PN结加反向电压的情况,工作原理在外加电场的作用下，耗尽层变宽，内电场被加强，结果阻止了多子的扩散，但促使少子漂移，在回路中形

8、成反向电流。因少子的浓度很低，并在温度一定时少子的浓度不变，所以反向电流很小，所以近似分析中常将它忽略不计，认为PN结加反向电压时它处于截止状态。,PN结加正向电压时形成较大的正向电流； 加反向电压时，反向电流很小。 这种特性称为单向导电性。,总结,正向特性,反向特性,五、PN的伏安特性,PN结处于反向偏置时，在一定范围的反向电压作用下，流过PN结的电流是很小的反向饱和电流； 反向电压超过某一电压后，PN结流过的反向电流急剧增加，这种现象成为反向击穿。,反向特性,齐纳击穿在高浓度掺杂的情况下，耗尽层的宽度很小，不太大的反向电压（一般为几伏）就可以在耗尽层中形成很强的电场，它能够直接破坏共价键，

9、把价电子从共价键中“拉出来”，产生电子、孔穴对，引起电流急剧增加。,雪崩击穿当反向电压逐渐增加时，在耗尽层中产生的电场也逐渐加强，使少子在漂移过程中受到更大的加速，可能在与共价键中的价电子相碰撞时把价电子“撞”出共价键，产生电子、孔穴对。新产生的电子、孔穴被电场加速后又可能“撞”出其它的价电子。当反向电压达到一定程度后，这种载流子雪崩式的倍增引起了电流的急剧增加。,对硅材料而言：反向击穿电压在7V以上的为雪崩击穿；4V以下的为齐纳击穿；4V7V间的击穿包括两种击穿。 无论是哪种击穿，只要PN结不因电流过大产生过热而损坏，当反向电压下降到击穿电压以下（均指绝对值）时，它的性能又可以恢复到击穿前的

10、情况。条件为：反向电压和反向电流的乘积不超过PN结容许的耗散功率。热击穿是尽量避免的，电击穿可以加以利用。,势垒电容,势垒电容只在外加电压改变时才起作用。当外加电压频率越高时，每秒钟充放电次数就越高，势垒电容的作用越明显。,充电,放电,六、PN结的电容效应,扩散电容,积累在P区的电子或N区的空穴随外加电压的变化就构成了PN结的扩散电容CD。,PN结正向偏置时，积累在P区的电子和N区的空穴随正向电压的增加而很快增加，扩散电容较大。而反向偏置时，载流子数目很少，扩散电容也很小，一般可以忽略。,PN结正向偏置时，PN结等效电阻较小，结电容较大；反向偏置时，等效电阻较大，结电容较小。,这两个电容都很小，从几皮法至几百皮法。当工作频率很高时要考虑结电容。,总结,1、N型半导体带负电，P型半导体带正电。这种说法是否正确？,2、N型半导体的多子是（），P型半导体的多子是（）。,