模电课件第一章

1、2021-12-21电子电路基础n北京邮电大学 电子工程学院n信息与电子技术研究室：王卫东nEmail：n课件下载网址：2021-12-21推荐教材n电子电路基础-刘宝玲-高等教育出版社n模拟电子技术基础（第四版）-华成英、童诗白高等教育出版社n电子技术基础（模拟部分第五版）-康华光高等教育出版社n电子线路（第五版）-谢嘉奎-高等教育出版社2021-12-21课程目的n学习常用半导体器件的外部特性，掌握放大、波形变换等单元电路的工作原理、性能特点、基本分析方法n培养对集成电路的运用能力和基本的工程估算能力2021-12-21考察方法n考试期中考试、期末考试n作业周三交作业(请同学们注意，在作业

2、本上要写清自己的姓名、班级及学号)n实验虚拟仿真实验2021-12-21知识构架n第一章半导体基础知识及二极管电路n第二章双极型晶体管及其放大电路n第三章场效应晶体管及其放大电路n第四章小信号放大电路的频率特性n第五章反馈放大电路n第六章模拟集成电路及其应用n第七章脉冲信号的产生与处理电路2021-12-21第一章半导体基础知识及二极管电路n半导体的基本特性n半导体二极管的工作原理及特性n半导体二极管电路2021-12-21能力要求n理解半导体导电载流子的概念n理解PN结及二极管的单向导电性n掌握二极管的模型和伏安特性n熟悉基本的二极管参数2021-12-211.1半导体的基本特性n物质根据导

3、电能力(电阻率)的区分u导体109cm（如塑料、陶瓷、天然矿物油、空气等）u半导体10-3cm0K时，半导体本征激发产生的游离自由电子回到空穴中的过程n热平衡状态n本征激发和复合在一定的温度下达到的动态平衡n温度一定时，载流子浓度一定2021-12-211.1.1本征半导体n载流子浓度n电子浓度nn空穴浓度pn本征载流子浓度:本征半导体中电子和空穴的浓度，只和温度和材料有关n热平衡状态:n0=p0=nin0p0=ni22021-12-211.1.1本征半导体n本征载流子浓度和温度的关系本征载流子中载流子浓度与环境的温度密切相关，所以本征半导体工作具有热不稳定性2021-12-211.1.2掺杂

4、产生两种半导体n本征半导体的特点n电子浓度=空穴浓度n载流子浓度低，导电性差n温度稳定性差n杂质半导体n掺入某些微量元素，改善半导体的导电性n掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体本征半导体N型半导体P型半导体掺杂2021-12-211.1.2掺杂产生两种半导体nN型半导体：在本征半导体中掺入磷等五价元素在N型半导体中，自由电子是多数载流子，主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。提供自由电子的五价磷原子因带正电荷而称为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。热平衡时自由电子浓度：00DDnNpN2021-12-21nN型半导体示意图2021-12-211.1.2掺杂产生两种半导体nP

5、型半导体：在本征半导体中掺入硼等三价元素在P型半导体中，空穴是多数载流子，主要由杂质原子提供；自由电子是少数载流子，由热激发形成。提供空穴的三价硼原子因带负电荷而称为负离子，因此三价杂质原子也称为受主杂质。2021-12-21nP型半导体示意图2021-12-211.1.2掺杂产生两种半导体n杂质对半导体导电性的影响n掺杂对本征半导体的导电性有很大影响nT=300K时，本征硅的电子和空穴浓度：n=p=1.5*1010/cm3n掺杂后N型半导体中自由电子浓度：n=5*1016/cm3n掺杂后N型半导体中空穴浓度：p=4.5*103/cm3n本征硅的原子浓度4.96*1022/cm3浓度基本上依次

6、相差106/cm3200innp2021-12-211.1.3半导体中载流子的两种运动n载流子在半导体中的运动n载流子的扩散运动n热平衡状态：温度不变，且无其他激发，载流子浓度分布均匀n非热平衡状态：n若半导体某部分受到光照，或者从某一区域注入载流子，使载流子浓度分布不均匀，热平衡状态被破坏n载流子的扩散运动形成扩散电流2021-12-211.1.3半导体中载流子的两种运动n载流子在半导体中的运动n载流子的漂移运动n原因：载流子在电场作用下产生定向运动n载流子的漂移运动形成漂移电流，电场越强，电流越大n半导体相当于一个电阻，称为体电阻，电阻值取决于掺杂浓度、半导体的形状、温度等载流子的漂移运动

7、外电路的电流空穴漂移电流电子漂移电流2021-12-211.2半导体二极管的工作原理及特性n半导体二极管是利用杂质半导体制成的，其核心器件是PN结本征半导体掺杂N型半导体P型半导体PN结掺入五价杂质元素，电子是多数载流子，空穴是少数载流子热激发产生电子-空穴对，直至热平衡；载流子：电子和空穴掺入三价杂质元素，空穴是多数载流子，电子是少数载流子2021-12-211.2.1PN结及其单向导电性P区N区空穴负离子正离子自由电子空间电荷区内建电场E低电势高电势浓度差多子扩散和少子漂移达到动态平衡，两种半导体结合的离子薄层形成空间电荷区，称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称为耗尽层、阻挡层

8、。多子扩散运动空间电荷区形成内建电场PN结的形成PNPNPNPNPNPNPNPNPNPNP P P PNP PNP PNP P PNP PNP P P P P P PNP P PNP P PNP PNP PNP PNP P PNP P PNP PNP PNP PNP PN杂质离子形成空间电荷区内建电场阻止多子扩散 内建电场促使少子漂移n动态平衡情况下的PN结2021-12-211.2.1PN结及其单向导电性n动态平衡情况下的PN结n若T不变，交界面两侧空间电荷量，空间电荷区宽度，内建电场E等参数维持不变，漂移与扩散运动达到动态平衡n空间电荷区内仍然存在载流子，但浓度远小于中性区内载流子浓度20

9、21-12-211.2.1PN结及其单向导电性n接触电势差V（电位势垒，势垒）n由于PN结内电荷和内建电场的存在，空间电荷区形成的电位差称为接触电位差n在室温下，硅的电位差：0.60.8V锗的电位差：0.20.3Vn温度升高，电位差减小；温度每升高1，电位差大约下降22.5mV2VlnADiN NkTqn掺杂浓度本征浓度2021-12-211.2.1PN结及其单向导电性n势垒宽度WD(1)动态平衡时(2)掺杂浓度与势垒宽度成反比DnpWWW1/22ADADNNVqN NDTVWnApDWNWN势垒区的宽度主要分布在掺杂浓度较低的一侧2021-12-211.2.1PN结及其单向导电性nPN结加正

10、向电压的导电情况nP区的电位高于N区的电位，PN结正偏nE外与E内方向相反，削弱了内电场的作用n阻挡层内合成电场减小n多子扩散运动加强n空间电荷区变窄n形成正向电流，方向P-NnE外越大，电流越大nPN结呈现低阻性/(1)DTVDsiI e2021-12-211.2.1PN结及其单向导电性nPN结加反向电压时的导电情况nN区的电位高于P区的电位，PN结反偏nE与E方向相同，加强了内电场的作用n阻挡层内合成电场增大n空间电荷区变宽n漂移电流大于扩散电流在一定温度下，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恒定，基本上与所加的反向电压大小无关，这个电流称为反向饱和电流IS2021-12

11、-211.2.1PN结及其单向导电性nPN结的重要特性：单向导电性nPN结正偏时呈低阻，反偏时呈高阻nPN结具有单向导电性2021-12-211.2.2二极管的结构和类型n在PN结上加上引线和封装即为二极管n分类：点接触型、面接触性、平面型(1)点接触型二极管二极管的电路符号点接触型二极管的PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。2021-12-211.2.2二极管的结构和类型n(2)面接触型二极管n(3)平面型二极管面接触型二极管PN结面积大，用于低频大电流整流电路。平面型用于集成电路制造工艺，PN结面积可大可小，用于整流和开关电路2021-12-211.2.3二极管的伏安特性n二

12、极管的电流方程00()nppnsnpD nD pIqALL室温下：硅Is6V雪崩击穿电压具有正温度系数2021-12-211.2.4二极管的反向击穿特性n电击穿：齐纳击穿n产生条件n掺杂浓度很高的PN结n反向电压足够大n产生机理n对于掺杂浓度很高的PN结，空间电荷区较窄；n随场强加大，这个场强可能把空间电荷区中的原子的价电子直接从共价键拉出，形成大量电子-空穴对n击穿电压V(BR)时，导通，截止，因此，被限制在了；当0时，和都截止，=同理可以分析rDVsmVR2021-12-211.3.3二极管模拟电路n稳压电路n利用PN结的反向击穿特性，制成稳压二极管，在工作时反接并串入一电阻，起到限流保护

13、作用。稳压管反向击穿特性曲线越陡，稳压性能越好2021-12-21例1.3.4在下图所示稳压管稳压电路中，已知电源电压Vs=10V，稳压管稳定电压VZ=6V，最小稳定电流Izmin=5mA，最大稳定电流Izmax=25mA；负载电阻RL=600。试求限流电阻R的取值范围。2021-12-21例1.3.4解：稳压管工作在反偏击穿状态，因此所以电阻R上的电压因而限流电阻R的取值范围为114267。/6/6000.0110LZLIVRAAmA(106)4RSZVVVVVmax3min426715 10RRVRI min3max411435 10RRVRI (525)10(1535)RZLIIImAmAmA2021-12-211.3.3二极管模拟电路n开关电路n基本逻辑运算：与逻辑运算(逻辑乘)n表达式F=ABn逻辑与门：实现“与”逻辑运算的电路二极管与门电路和符号表示与逻辑真值表ABF000100010111(以下部分请参考课件自行了解)2021-12-211.3.3二极管模拟电路n开关电路n基本逻辑运算：或逻辑运算(逻辑加)n表达式F=A+Bn逻辑或门：实现“或”逻辑运算的电路