大连理工大学模拟电子线路复习

1、会计学1大连理工大学模拟电子线路复习大连理工大学模拟电子线路复习第1页/共80页3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.1.1 本征半导体本征半导体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧

2、化物等。 1）导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体第2页/共73页第2页/共80页半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。第3页/共73页第3页/共80页 2） 本征半导体本征半导体一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的

3、工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，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。的最外层电子（价电子）都是四个。第4页/共73页第4页/共80页本征半导体：本征半导体：在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，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，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与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结

4、构：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。第5页/共73页第5页/共80页硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子第6页/共73页第6页/共80页共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，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。本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后

5、，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+4第7页/共73页第7页/共80页二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电），它的导电能力为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些

6、价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由自由电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴第8页/共73页第8页/共80页+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子第9页/共73页第9页/共80页2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于

7、而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。 电子空穴对电子空穴对第10页/共73页第10页/共80页温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体

8、中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。第11页/共73页第11页/共80页3.1.2 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会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。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体

9、：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。第12页/共73页第12页/共80页一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子这个电子几乎不受束缚，很容

10、易被激发而成为自由电子这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子每个磷原子给出一个电子，称为每个磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子+4+4+5+4第13页/共73页第13页/共80页+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么？么？1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自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。自由电子称为由电

11、子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。第14页/共73页第14页/共80页二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得

12、硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。第15页/共73页第15页/共80页三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。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但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近近似认为多子与杂质浓度相等。似认为多子与杂质浓度相等。第16页/共73页

13、第16页/共80页3.2 PN 结结 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体，经过载流子的移动，在它们的型半导体，经过载流子的移动，在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。3.2.1 PN3.2.1 PN结的形成结的形成第17页/共73页第17页/共80页浓度差P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间

14、电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。复合复合有何种影响？有何种影响？第18页/共73页第18页/共80页漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，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。度固定不变。第19页/共73页第19页/共80页+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位VV0阻挡层阻挡层势垒势垒耗尽层耗尽层第20页/共73页第20页/共80页1 1、空间电

15、荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2 2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴、中的空穴、N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3 3、P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少子子），数量有限，因此由它们形成的电流），数量有限，因此由它们形成的电流很小。很小。注意注意: :第21页/共73页第21页/共80页 3.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是： P 区区加正、加正、N 区加负电压。区加负电压

16、。 PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。第22页/共73页第22页/共80页+RE一、一、PN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。PN结导通，电阻小第23页/共73页第23页/共80页二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限

17、，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。REPN结截止，电阻大第24页/共73页第24页/共80页) 1(/TDVSDveIi图311 PN结的伏安特性 第25页/共73页第25页/共80页图311 PN结的伏安特性 (3-2-3) 1(/TDVSDveIi第26页/共73页第26页/共80页图311 PN结的伏安特性 第27页/共73页第27页/共80页当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。碰撞电离碰撞电离倍增效应倍增效应第28页/共73

18、页第28页/共80页反向击穿过程为电击穿，过程可逆。热击穿过程不可逆。第29页/共73页第29页/共80页3.3 半导体二极管半导体二极管 3.3.1 3.3.1 基本结构基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为结加上管壳和引线，就成为半导体二极管半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型PN二极管的电路符号：二极管的电路符号：第30页/共73页第30页/共80页第31页/共73页第31页/共80页 3.3.2 3.3.2 伏安特性伏安特性VI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,

19、锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压VBR) 1(/TDVSDveIi第32页/共73页第32页/共80页3.3.3 主要参数主要参数1. 最大整流电流最大整流电流 IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。正向平均电流。2. 反向击穿电压反向击穿电压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过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压压V VWRM一般是一般是V VBR的一半。的一

20、半。第33页/共73页第33页/共80页3. 反向电流反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、主要利

21、用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。保护等等。下面介绍两个交流参数。第34页/共73页第34页/共80页3.3.4 二极管的等效电路二极管的等效电路 1）微变电阻微变电阻 rDiDvDIDVDQ iD vDrD 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工作点作点Q 附近电压的变化与附近电压的变化与电流的变化之比：电流的变化之比：显然，显然，rD是对是对Q附近的微小附近的微小变化区域内的电阻。变化区域内的电阻。DDDivr第35页/共73页第35页/共80页TDTDVTsDdVIViveVIdvdigTDD/)()(261mAImVIVgrDDTdd) 1()

22、1(/TDVSkTqvSDveIeIiTDVSDveIi/第36页/共73页第36页/共80页2） 二极管的极间电容二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容势垒电容CB和和扩散电容扩散电容CD。势垒电容：势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是的电容是势垒电容势垒电容。扩散电容：扩散电容：为了形成正向电流为了形成正向电流（扩散电流），注入（扩散电流），注入P 区的

23、少子区的少子（电子）在（电子）在P 区有浓度差，越靠区有浓度差，越靠近近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P 区有电区有电子的积累。同理，在子的积累。同理，在N区有空穴的区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散多。这样所产生的电容就是扩散电容电容CD。P+-N第37页/共73页第37页/共80页CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电势垒电容和扩

24、散电容的综合效应容的综合效应rd第38页/共73页第38页/共80页3.4 3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法第39页/共73页第39页/共80页第40页/共73页第40页/共80页vDiDo二极管理想模型理想二极管vD0vDVDvDVthvDVthvDiDoVth12VthrD理想二极管二极管死区电压第43页/共73页第43页/共80页第44页/共73页第44页/共80页 图317二极管半波整流电路及波形(a)电路； (b)输入、输出波形关系 判断原则：断开二极管，判断二极管两端电压tvo0tvi0(b)DvivoRL(a)vi0,二极管导通第45页/共73页第45

25、页/共80页tttvivRvoRRLvivRvo第46页/共73页第46页/共80页RVDDvD-+DiDVDDvD-+iD简单二极管电路习惯画法第47页/共73页第47页/共80页vD=0RVIDDD=1mAvD=0.7VRVVIDDDDk107 . 010mA93. 0DthDDDrRVVIkk2 . 0105 . 010mA931. 0DDrIVvD5 . 0V69. 0vD=0RVIDDD=0.1mAvD=0.7VRVVIDDDDk107 . 01mA03. 0DthDDDrRVVIkk2 . 0105 . 01mA049. 0DDrIVvD5 . 0V51. 0iDVDDvD-+iD

26、VDDvD-+RiDVDDvD-+RVDiDVDDvD-+RrDVth0.5V0.2k理想模型恒压降模型折线模型VDD=10VVDD=1V第48页/共73页第48页/共80页第49页/共73页第49页/共80页 图318二极管上限幅电路及波形(a)电路 (b)输入、输出波形关系(a)DvivoRE2V(b)tvi/V05-52.7V2.7Vtvo/V0-55VD2V第50页/共73页第50页/共80页三、二极管开关电路三、二极管开关电路 在开关电路中，利用二极管的单向导电性来接通或断开电路，这在数字电路中得到广泛的应用。开关电路的传输特性如图320所示 图320二极管开关电路及波形(a)电路；

27、 (b)输入、输出波形关系(a)ttt(b)vo/V03.7v1/V30v2/V300.7D1D2vI1vI2vo4.7kVCC第51页/共73页第51页/共80页D1D2vI1vI2vo4.7kVCCD1D2vI1vI2vo4.7kVCCD1D2vI1vI2vo4.7kVCCD1D2vI1vI2vo4.7kVCCD1D205vo4.7kVCCD1D250vo4.7kVCCD1D255vo4.7kVCCD1D200vo4.7kVCCvo=ovo=VCCvo=ovo=o第52页/共73页第52页/共80页第53页/共73页第53页/共80页第54页/共73页第54页/共80页3.5.1 稳压二极

28、管稳压二极管 VIIZIZmax VZ IZ稳压误稳压误差差曲线越陡，电压曲线越陡，电压越稳定。越稳定。+-VZ动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳越小，稳压性能越好。压性能越好。第55页/共73页第55页/共80页（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗稳压二极管的参数稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 VZ（2）电压温度系数电压温度系数 V（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻zzIVrZmaxZZZMIVP第56页/共73页第56页/共80

29、页稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU稳压管的技术参数稳压管的技术参数:k10LR负载电阻负载电阻 。要求要求当输入电压由正常值发当输入电压由正常值发生生 20%波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为流为Izmax 。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1第57页/共73页第57页/共80页令输入电压降到下限令输入电

30、压降到下限时，流过稳压管的电时，流过稳压管的电流为流为Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui第58页/共73页第58页/共80页第59页/共73页第59页/共80页 3.5.2 变容二极管 利用PN结的势垒电容随外加反向电压的变化而变化的特性可制成变容二极管,其符号及特性如图所示。变容二极管的容量很小,为皮法数量级,所以主要用于高频场合下,例如电调谐、调频信号的产生等。 第60页/共73页第60页/共80页压控振荡器第61页/共73页第61页/共80页第62页/共73页第62页/共80页第63页/共73页第63页/共80页3.5.3 光电二极管光电二