模拟电路课件第三章

1、第三章 半导体及其基本电路半导体及其基本电路2半导体的导电特性半导体的导电特性 在物理学中，根据材料的导电能力，可以将其划分在物理学中，根据材料的导电能力，可以将其划分导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体。典型的半导体是。典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。sisi硅 原 子硅 原 子(+14)(+14)Ge锗 原 子锗 原 子(+32)(+32)Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。半导体二极管及其应用半导体二极管及其应用3+4+4+4+4+4+4+4+4+4共共价价键键在绝对温度在绝对温度T=0K和无外和

2、无外界激发（光照或受热）时，界激发（光照或受热）时，所有的价电子都被共价键紧所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成紧束缚在共价键中，不会成为为自由电子自由电子，因此本征半导因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝体的导电能力很弱，接近绝缘体。缘体。本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”。本征半导体结构本征半导体结构价价电电子子4本征激发或热激发：本征激发或热激发：当温度升高或受到光的照当温度升高或受到光的照射时，受束缚电子能量增

3、射时，受束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电子核的束缚，而参与导电，成为，成为自由电子自由电子。自由电。自由电子产生的同时，在其原来子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个的共价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空空穴穴1、自由电子和空穴成对出现，且数量相等；2、外加激励能量越高，产生的电子-空穴数量越多；5复合：复合：自由电子在运动过程中与空穴相遇并填补空穴，两者同时消失；与本征激发相反的现象与本征激发相反的现象复合复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡，此时，电子

4、空穴对的浓度一定。6电子和空穴产生，复合过程动画演示电子和空穴产生，复合过程动画演示7半导体的导电机制：半导体的导电机制：本征半导体中存在两种载流子：自由电子自由电子和和空穴空穴在外电场作用下，半导体中出现两部电流：1 1、自由电子定向运动所成电子流（电子导电）、自由电子定向运动所成电子流（电子导电）2 2、价电子（注意：不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流（空穴导电、价电子（注意：不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流（空穴导电）8半导体导电机理动画演示半导体导电机理动画演示9a. 电阻率大电阻率大n 本征半导体的特点本征半导体的特点b. 导电性能随温度变化大导电性能随温度变化大本征半导体不能

5、在半导体器件中直接使用本征半导体不能在半导体器件中直接使用10杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为的半导体称为杂质半导体杂质半导体。1. N1. N型半导体型半导体在本征半导体中掺入少量五价杂质元素，例如磷，砷等，使得在本征半导体中掺入少量五价杂质元素，例如磷，砷等，使得晶体中某些原子被杂质原子所代替，杂质原子最外层有晶体中某些原子被杂质原子所代替，杂质原子最外层有5个价个价电子与周围电子与周围Si或或Ge原子最外层原子最外层4个价电子形成共价键后，还多个价电子形成共价键后，还多余一个自由电子，使得其中空穴浓度远小于自由电子浓

6、度。余一个自由电子，使得其中空穴浓度远小于自由电子浓度。此时，半导体内此时，半导体内多数载流子（多子）多数载流子（多子）：自由电子，：自由电子，少数载流子少数载流子（少子）（少子）为空穴。由于此类半导体主要依靠自由电子导电，而为空穴。由于此类半导体主要依靠自由电子导电，而自由电子带负电，称此类半导体为自由电子带负电，称此类半导体为N型半导体型半导体。 11+4+4+4+4+4+4+4+4+5硅原子硅原子施主原子施主原子多余电子多余电子共价键共价键+N型半导体自由电子自由电子施主原子施主原子电子空穴对电子空穴对5价杂质原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为带正电的离子，把这种杂质称为施主杂

7、质。施主杂质。 12N型半导体形成过程动画演示型半导体形成过程动画演示13P P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3价杂质元素，例如硼、镓等，使得价杂质元素，例如硼、镓等，使得晶体中某些原子被杂质原子所代替，杂质原子最外层有晶体中某些原子被杂质原子所代替，杂质原子最外层有3个价个价电子与周围电子与周围Si或或Ge原子最外层原子最外层4个价电子形成共价键后将产生个价电子形成共价键后将产生一个空穴，使得其中自由电子浓度远小于空穴浓度。一个空穴，使得其中自由电子浓度远小于空穴浓度。此时，半导体内多数载流子（多子）：空穴，少数载流子（少此时，半导体内多数载流子（多子）：空穴，

8、少数载流子（少子）为自由电子。由于此类半导体主要依靠空穴导电，而空穴子）为自由电子。由于此类半导体主要依靠空穴导电，而空穴带负电，称此类半导体为带负电，称此类半导体为P型半导体型半导体。 14+4+4+4+4+4+4+3+4+4硅原子硅原子受主原子受主原子多余空穴多余空穴共价键共价键空穴空穴受主原子受主原子电子空穴对电子空穴对P型半导体3价杂质原子可以向半导体硅提供一个空穴，而本身接受一个电子成为带负电的离子，把这种杂质称为受主杂质。受主杂质。 15P型半导体的形成过程动画演示型半导体的形成过程动画演示16+P型半导体+N型半导体+因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩

9、散 空间电荷区（不移动）空间电荷区（不移动） 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层或阻挡区耗尽层或阻挡区PN结的形成结的形成 内电场E少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡：扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流018PN结形成过程动画演示结形成过程动画演示19P

10、N结的单向导电性结的单向导电性1PN结正向偏置结正向偏置 PN结正向偏置结正向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结P型半导体型半导体的一端的电位高于的一端的电位高于N型半导体一端的电位时，称型半导体一端的电位时，称PN结正结正向偏置，简称正偏。向偏置，简称正偏。PN结反向偏置结反向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结N型半导体型半导体的一端的电位高于的一端的电位高于P型半导体一端的电位时，称型半导体一端的电位时，称PN结反结反向偏置，简称反偏。向偏置，简称反偏。20(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内

11、电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场 耗尽层变窄扩散运动漂移运动多子扩散形成正向电流I F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流21PN结正偏动画演示结正偏动画演示22(2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故

12、在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上只与温度有关，基本上只与温度有关，而与外加反压的大小无关而与外加反压的大小无关，所以称为所以称为反向饱和电流反向饱和电流。23PN结反偏动画演示结反偏动画演示24PN结的电压与电流关系结的电压与电流关系+_PN_uiS(e1)TuUiI25PN结结的伏安特性曲线及表达式：的伏安特性曲线及表达式：PN结的伏安特性曲线结的伏安特性曲线正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿26)1(eTSUuIi 根据理论分析：根据理论分析：其中，其中，u

13、为为PN结两端的电压降，结两端的电压降，i 为流过为流过PN结的电流结的电流IS 为反向饱和电流，为反向饱和电流，UT 称为温度的电压当量，一般取称为温度的电压当量，一般取26mV当当 u0 uUT时时1eTUuTeSUuIi 当当 u|U T |时时1eTUuSIi27PN结的电容效应结的电容效应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。 (1) 势垒电容势垒电容CB空空 间间 电电 荷荷 区区W+R+E+PN28(2) 扩散电

14、容扩散电容CD扩散区中电荷随外加偏扩散区中电荷随外加偏压变化而变化所产生的压变化而变化所产生的电荷存储效应等效为电电荷存储效应等效为电容，称扩散电容。容，称扩散电容。 +NPpLx浓浓 度度 分分 布布耗耗 尽尽 层层NP区区区区 中中 空空 穴穴区区 中中 电电 子子区区浓浓 度度 分分 布布nLnPN结正偏时，扩散电容起主要作用；反之，势垒电容起主要作用结正偏时，扩散电容起主要作用；反之，势垒电容起主要作用n电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容）极间电容（结电容）为两者之和为两者之和29思思 考考 题题1. 半导体中的载流子浓度主

15、要与哪些因素有关？半导体中的载流子浓度主要与哪些因素有关？2. 扩散电流与漂移电流的主要区别是什么？扩散电流与漂移电流的主要区别是什么？301.2 半导体二极管半导体二极管 二极管二极管 = PN结结 + 管壳管壳 + 电极引线电极引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极-31 二极管按结构分三大类：二极管按结构分三大类：(1) (1) 点接触型二极管点接触型二极管N型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝PNPN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路 二极管按材料分二大类：硅二极管和锗二极管二极管按材料分二大类：硅二极管和锗二

16、极管32(2) 面接触型二极管面接触型二极管负极引线正极引线N型硅P型硅铝合金小球底座PNPN结面积大，用于工频大电流整流电路结面积大，用于工频大电流整流电路33(3) 平面型二极管平面型二极管SiO2正极引线负极引线N型硅P型硅 用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。PN PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。34半导体二极管实物半导体二极管实物35半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。

17、代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。36半导体二极管半导体二极管的伏安特性曲线的伏安特性曲线 硅：硅：0.5 V 锗：锗： 0.1 V(1) 正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2) 反向特性反向特性死区死区电压电压iu0击穿电压击穿电压UBR特性曲线分为三部分：正向、反向和反向击穿特性特性曲线分为三部分：正向、反向和反向击穿特性uEiVmAuEiVuA

18、锗锗硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.2V37小结：小结： 正向特性：正向特性： 外加正向电压时，存在阻碍二极管导通的死区电压；当正向电压超过该电压值时，二极管导通，此时，正向电流在较大范围内变化，而管子的电压降变化较小。 反向特性：反向特性： 外加反向电压时，产生由少子漂移形成的反向电流，其特点是受温度影响较大，当反向电压不超过某值时，反向电流大小基本不变（亦称反向饱和电流Is)，与反向电压高低无关。1. 反向击穿特性：反向击穿特性： 外加反向电压超过UR（反向击穿电压）时，反向电流急剧增大，二极管发生击穿。PN结击穿可分为：雪崩击穿、齐纳击穿（击穿过程可逆）和热击穿（不可逆）结击穿可分为：雪

19、崩击穿、齐纳击穿（击穿过程可逆）和热击穿（不可逆）381.2.3 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、正向管压降降低。当温度上升时，死区电压、正向管压降降低。uD/ T = （22.5）mV/ C2. 温度升高温度升高，反向饱和电流增大。反向饱和电流增大。即即 温度每升高温度每升高1C，管压降降低（，管压降降低（22.5）mV。即即 平均温度每升高平均温度每升高10C，反向饱和电流增大一倍。，反向饱和电流增大一倍。010SS0( )2()T TI TI T391.2.4 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IF(2

20、) 反向击穿电压反向击穿电压UBR (3) 反向电流反向电流IR二极管长期连续工作时，允许通过的最大平均电流（防止过热损坏）二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR（最高允许反向击穿电压一般取实际值的1/2）。在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。其值越小，管子单向导电性越好。(4) 最高工作频率最高工作频率fMfM与结电容有关，当工作频率超过与结电容有关，当工作频率超过fM时，二极管的单向导电性变坏。时，二极管的单向导电性变坏。 403.4.1 简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件，因而

21、其电路一般要采用非线二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的较简单，但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线。特性曲线。例例 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电阻和电阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD 。 解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一条斜率为是一条斜率为-1/R的

22、直线，称为的直线，称为负载线负载线 Q的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的点称为电路的工作点工作点42ui正偏正偏反偏反偏-+iu模型一：理想二极管模型模型一：理想二极管模型U D 二极管的导通压降二极管的导通压降0V。适用条件：电源电压远大于二极管管压降时适用条件：电源电压远大于二极管管压降时二极管的模型及近似分析计算二极管的模型及近似分析计算43二极管的模型及近似分析计算二极管的模型及近似分析计算二极管的模型：二极管的模型：导通压降导通压降二极管的伏安特性二极管的伏安特性iu0iuDU+-uiDUDU模型二：恒压降模型模型二：恒压降模型DUu DUu U D

23、 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。适用条件：二极管电流近似等于或大于适用条件：二极管电流近似等于或大于1mA时时44模型三：折线模型模型三：折线模型 模型三为模压降模型的修正，其中模型三为模压降模型的修正，其中Vth为门坎电压，电阻为门坎电压，电阻rD值由值由流过二极管的实际电流决定，由于二极管特性的分散性，流过二极管的实际电流决定，由于二极管特性的分散性， Vth和和rD的值均不固定。的值均不固定。Dthd DuUr i伏安特性表达式伏安特性表达式: :451.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模（4 4）小信号模型）小信号模型vs =0 时时, Q点称为静态工作点点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。)(11sDDDDvv VRRivs =Vmsin t 时（时（VmIz(min);当：当：VI = 10 + 1 = 11V 时，时，IZ = 15.78 mA.稳压管的电流变化为：稳压管的电流变化为：IZ = 15.78 5.95 = 9.83 mA输出电压变化为：输出电压变化为：V = rZ IZ = 0.2 V62练习：计算下列稳压管的稳压值，设每个稳压管的稳压练习：计算下列稳压