模拟电子电路1

1、第一章第一章 半导体基础及应用电路半导体基础及应用电路 1.1 半导体基础知识半导体基础知识 1.2 PN结原理结原理 1.3 晶体二极管及应用晶体二极管及应用应用应用返回1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.1 本征半导体本征半导体 1.1.2 杂质半导体杂质半导体1.1.3 漂移电流与扩散电流漂移电流与扩散电流引言引言返回引引言言：固固体体按按导导电电性性能能上上可可分分为为三三类类：3 . 半半导导体体具具有有的的基基本本特特性性： 对对 影影 响响 较较 大大的的 因因 素素：杂杂质质 ，温温度度 ，光光 照照1.1半导体材料及导电特性半导体材料及导电特性返回1.1 .1 本征半

2、导体本征半导体( (一一) ) 本本征征半半导导体体的的共共价价键键结结构构143244惯性核价电电返回 当当Si（或（或Ge）原子组成单晶体后，各）原子组成单晶体后，各原子之间有序、整齐的排列在一起，原子之间有序、整齐的排列在一起，原子原子之间靠得很近，价电子不仅受本原子的作之间靠得很近，价电子不仅受本原子的作用，还要受相邻原子的作用。用，还要受相邻原子的作用。 因此因此Si（或（或Ge）单晶体每个原子都从四）单晶体每个原子都从四周相邻原子得到周相邻原子得到4个价电子才能组成稳定状个价电子才能组成稳定状态。即态。即每一个价电子为相邻原子核所共有每一个价电子为相邻原子核所共有，每相邻两个原子都

3、共用一对价电子。形成每相邻两个原子都共用一对价电子。形成共价键结构。共价键结构。根据原子的理论：根据原子的理论：原子外层电子有原子外层电子有8 8个个才能处于稳定状态。才能处于稳定状态。 1.1 .1 本征半导体本征半导体（intrinsic semiconductor）4 4 4 4 4 4 4 4 4 电电子子能能量量禁带Eg导带价带返回 量子力学证明：量子力学证明：原子中电子具有的能量原子中电子具有的能量状态是离散的，量子化的状态是离散的，量子化的，每一个能量状态，每一个能量状态对应于一个能级，一系列能级形成能带。对应于一个能级，一系列能级形成能带。 Ega: 空穴带正电量空穴带正电量b

4、：空穴是半导体中所特有的带单位：空穴是半导体中所特有的带单位正电荷的粒子，与电子电量相等，符正电荷的粒子，与电子电量相等，符号相反号相反c：空穴在价带内运动，也是一种带空穴在价带内运动，也是一种带电粒子。在外电场作用下可在晶体内电粒子。在外电场作用下可在晶体内定向移动定向移动空穴：空穴：4 4 4 4 4 4 4 4 4 （二）本征激发和两种载流子（二）本征激发和两种载流子 电电子子能能量量禁禁带带gE导导带带价价带带自由电子载流子：带单位负电荷自由电子载流子：带单位负电荷空穴载流子空穴载流子 ：带单位正电荷：带单位正电荷在在常常温温下下本本征征半半导导体体内内有有两两种种载载流流子子：返回（

5、三）本征载流子本征载流子（intrinsic carrier）浓度浓度本征激发本征激发电子电子空穴空穴Eg1电子电子 空穴空穴随机碰撞随机碰撞复合复合 （自由电子释放能量）电子空穴对消失（自由电子释放能量）电子空穴对消失23本征激发本征激发动态平衡动态平衡复合复合 是电子空穴对的两种矛盾运动形式。是电子空穴对的两种矛盾运动形式。 在在本本征征半半导导体体中中电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度总总是是相相等等的的返回1.1.2 杂质半导体杂质半导体（donor and acceptor impurities） 2 2 为为什什么么要要掺掺杂杂：提提高高半半导导体体的的导导电电能能力力3.31012

6、分之一分之一根根据据掺掺入入杂杂质质的的种种类类可可分分为为：返回（一）（一）N型半导体型半导体（N Type semiconductor） 4 4 4 5 4 4 4 4 4 杂质原子杂质原子能能提供多余电子提供多余电子称为称为施主杂质施主杂质 多多余余电电子子位位于于施施主主能能级级 （进进入入导导带带）成成为为自自由由电电子子室温T=300k电电子子能能量量禁禁带带Eg导导带带价价带带施施主主能能级级+5返回 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入5价元素价元素的的杂质（砷、磷、锑）就成为杂质（砷、磷、锑）就成为N型杂质型杂质半导体。半导体。 （一）（一）N型半导体型半导体（N Type

7、semiconductor） 4 4 4 5 4 4 4 4 4 电电子子能能量量禁禁带带Eg导导带带价价带带施施主主能能级级+5返回1.与本征激发不同，与本征激发不同，施主原子在提供多余电施主原子在提供多余电子的同时并不产生空穴，而成为正离子被束子的同时并不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构中，不能自由移动，不起导电缚在晶格结构中，不能自由移动，不起导电作用。作用。2.在室温下，在室温下，多余电子全部被激发为自由电子，多余电子全部被激发为自由电子，故故N型半导体中自由电子数目很高（浓度大）型半导体中自由电子数目很高（浓度大）,主 要 靠 电 子 导 电 。 称 为 电 子 半 导 体 。

8、主 要 靠 电 子 导 电 。 称 为 电 子 半 导 体 。 3.在在N型半导体中同样也有本征激发产生的电子型半导体中同样也有本征激发产生的电子空穴对，但数量很小，自由电子浓度远大于空穴空穴对，但数量很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。浓度。自由电子自由电子多数载流子（多子）。多数载流子（多子）。且多数载流子浓度且多数载流子浓度ni空穴空穴少数载流子（少子）。少数载流子（少子）。 少数载流子浓度少数载流子浓度pi（二）（二）P型半导体（型半导体（P type semiconductor）电电子子能能量量禁禁带带Eg导导带带价价带带受受主主能能级级-4 4 4 3 4 4 4 4 4 -返回在本

9、征半导体中掺入在本征半导体中掺入3价元素（如价元素（如B硼），硼），就成为就成为P型半导体。型半导体。 3价杂质原子价杂质原子接受电子接受电子负离子负离子受主杂质受主杂质 受主原子受主原子位于受主能级位于受主能级 产生空位产生空位室温室温T=300k杂质产生（空位）杂质产生（空位）受主能级受主能级 在在价带中形成空穴价带中形成空穴晶格中留下负离子晶格中留下负离子 接受接受电子电子（二）二）P型半导体（型半导体（P type semiconductor）电电子子能能量量禁禁带带Eg导导带带价价带带受受主主能能级级-P型型半半导导体体的的特特点点：4 4 4 3 4 4 4 4 4 -P P型型半

10、半导导体体： 多多子子 空空穴穴 且且：多多子子浓浓度度pi 少少子子 电电子子 少少子子浓浓度度ni返回（三）（三）杂质半导体中的载流子浓度杂质半导体中的载流子浓度 本征半导体中载流子由本征激发产生：本征半导体中载流子由本征激发产生：ni=pi掺杂半导体中（掺杂半导体中（N or P）掺杂越多掺杂越多多子浓度多子浓度少子浓度少子浓度 杂质半导体载流子由两个过程产生：杂质半导体载流子由两个过程产生： 杂质电离杂质电离多子多子 本征激发本征激发少子少子由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系：由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系：1 1 热平衡条件：温度一定时，两种载流子

11、浓度积之，等于本征浓热平衡条件：温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。度的平方。N型半导体：若以型半导体：若以nn表示电子（多子），表示电子（多子），pn表示空穴（少子）表示空穴（少子） 则有则有 nn.pn=ni2P型半导体：型半导体：pp表示空穴（多子）表示空穴（多子），np表示电子浓度（少子）表示电子浓度（少子） pp.np=ni2返回（三）（三）杂质半导体中的载流子浓度杂质半导体中的载流子浓度 2 电中性条件：电中性条件：整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。 N型：型： ND表示施主杂质浓度，则：表示施主杂质浓度，则：nn=ND+pn

12、P型：型： NA表示受主杂质浓度，表示受主杂质浓度， pp=NA+np由于一般总有由于一般总有: : NDpn NAnp 所以有所以有 N型：型：nnND 且：且： pn ni2/ND P型：型： ppNA np ni2/NA多子浓度等于掺杂浓度多子浓度等于掺杂浓度 少子浓度与本征浓度少子浓度与本征浓度ni2有关，有关， 与温度无关与温度无关 随温度升高而增加，是半导随温度升高而增加，是半导 体元件温度漂移的主要原因体元件温度漂移的主要原因多子多子浓度浓度少子少子浓度浓度返回1. 1 . 3 漂移电流与扩散电流漂移电流与扩散电流半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会半导体中

13、有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会 引起导电电流。引起导电电流。 引起载流子定向运动的原因有两种：引起载流子定向运动的原因有两种：由于电场而引起的定向运动由于电场而引起的定向运动漂移运动。（漂移电流）漂移运动。（漂移电流）由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动扩散运动（扩散电流）扩散运动（扩散电流）（一）漂移电流（一）漂移电流（drift current） 在电子浓度为在电子浓度为n,空穴浓度为空穴浓度为p的半导体两端外加电压的半导体两端外加电压U，在电场，在电场E的作的作用下，空穴将沿电场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动：用下，空穴将沿电

14、场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动：（单单位位电电场场强强度度下下载载流流子子的的平平均均漂漂移移速速度度）返回空穴的平均漂移速度为空穴的平均漂移速度为: Vp=upE 电子的平均漂移速度为电子的平均漂移速度为: Vn=- -unE (二）扩散二）扩散 电电 流流（diffusion current） Jpo=-qDpdx)x(dp Jno=-(-q) Dndx)x(dn=qDndx)x(dn 返回1.2 PN结结1.2 .2 PN结的单向导电特性结的单向导电特性 1.2.1 PN结的形成及特点结的形成及特点返回NP+-1.2 PN结结E返回1.2.1 PN结的形成及特点结的形成及特点NP

15、+-1. PN结的形成结的形成返回空间电荷区空间电荷区(space charge region) 在在N型和型和P型半导体的界面两侧，明型半导体的界面两侧，明显地存在着电子和空穴的浓度差，导致显地存在着电子和空穴的浓度差，导致载流子的扩散运动：载流子的扩散运动： P型半导体中空穴型半导体中空穴N区扩散区扩散与与N区中电子复合区中电子复合 P区留下负离子区留下负离子N区生成正离子区生成正离子 N型半导体中电子（多子）型半导体中电子（多子）P区扩散区扩散与与P区空穴复合区空穴复合 N区留下正离子区留下正离子P区生成负离子。区生成负离子。 伴随着扩散和复合运动在伴随着扩散和复合运动在PN结界面附近形

16、成一个空间电荷区：结界面附近形成一个空间电荷区： N区一则为正区一则为正P区一则为负区一则为负 形成形成内建电场内建电场E内建电场内建电场形成少子的漂移运动形成少子的漂移运动 N区中空穴区中空穴P区区P区中电子区中电子N区区具有消弱具有消弱内建电场内建电场E的作用的作用NP+-ENP+- 显然半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动是一对矛显然半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动是一对矛盾运动的两个方面：盾运动的两个方面： 多子扩散运动多子扩散运动空间电荷区空间电荷区 内建电场内建电场E 少子漂移少子漂移结果：多子扩散运动结果：多子扩散运动 少子的漂移少子的漂移 扩散电流扩散电流 漂移电流漂移

17、电流 达到热平衡（动态平衡）达到热平衡（动态平衡） PN结中总电流为零。结中总电流为零。空间电荷区宽度稳定形成空间电荷区宽度稳定形成PN结。结。2. PN结的特点结的特点 返回NP+-E电荷密度电荷密度E电场强度电场强度电位电位U内建电位内建电位势垒（电子势能）势垒（电子势能）qUPN1.2.2 PN结的单向导电特性结的单向导电特性偏偏置置：在在 PN 结结两两端端外外接接电电源源电电压压 正正向向偏偏置置：P P区区接接正正电电源源，NN区区接接负负 反反向向偏偏置置：NN区区接接正正，P P区区接接负负返回1. 1. 正向偏置，正向电流正向偏置，正向电流RUDNP+-UiD正正向向偏偏置置

18、UU- -U外外电电场场削削弱弱内内电电场场势势垒垒降降低低阻阻挡挡层层变变窄窄扩散电流的全过程：扩散电流的全过程：扩散扩散+_返回仿真iSiSiSiSNP+-2. 2. 反向偏置，反向电流反向偏置，反向电流RURUiSU NP+-UU+ +UR R+_返回仿真1.3 晶体二极管及应用晶体二极管及应用132 二极管的电阻二极管的电阻133 二极管的交流小信号等效模型二极管的交流小信号等效模型1. 3. 4 二极管应用电路二极管应用电路131晶体二极管的伏安特性晶体二极管的伏安特性引言引言返回135 稳压管稳压管136 PN结电容结电容137 PN结的温度特性结的温度特性138 二极管主要参数二

19、极管主要参数1.3 1.3 晶体二极管及应用晶体二极管及应用晶晶体体二二极极管管 P PNN 结结 欧欧姆姆接接触触电电极极，引引出出线线 管管壳壳1.3.1 晶体二极管的伏安特性晶体二极管的伏安特性返回Si1.3.1 晶体二极管的伏安特性晶体二极管的伏安特性二二极极管管的的电电流流与与端端电电压压之之间间的的关关系系或或曲曲线线1. 二二极极管管的的理理想想伏伏安安特特性性方方程程：Ge 1.0iDuDa: 正正偏偏(uD0 的的区区域域是是正正向向工工作作区区)： UONUON返回一一般般：Si: Is在在1091015A量量级级 Ge: Is在在uA量量级级Si1. 二二极极管管的的理理

20、想想伏伏安安特特性性方方程程：iR=- -ISGeUBRUBR 1.0iDuDb: 反反偏偏(U(BR)uD0和和UDUON，那么最初的假，那么最初的假设就不成立。设就不成立。（3）如果任何一个最初的假设被证明是不成立的，那么必须再）如果任何一个最初的假设被证明是不成立的，那么必须再做一个新的假设，然后分析新的做一个新的假设，然后分析新的“线性线性”电路。必须重复第电路。必须重复第(2)步。步。解：首先假设二极管解：首先假设二极管VD1和和VD2都处于导都处于导通状态，根据电路列写节点通状态，根据电路列写节点A、B的电流的电流方程，可得方程，可得 2AD21ARUIRUE 4BD23B)7 .

21、 0(RUIRUE 注意到注意到UB =UA- -0.7。联立这两个方程并。联立这两个方程并消去消去ID2，可得，可得: UA7.62V 和和 UB6.92V代入上式可得：代入上式可得：ID2- -0. 786mA。 负的二极管电流和最初的假设不一致，需要重新做一次假设。负的二极管电流和最初的假设不一致，需要重新做一次假设。 重新假设二极管重新假设二极管VD2截止和截止和VD1导通。为了求得节点电压导通。为了求得节点电压UA和和UB，可以应用分压公式计算，结果为可以应用分压公式计算，结果为V5212A ERRRUV53. 9)7 . 0(434OB ERRRUU显示二极管显示二极管VD2确实反

22、向偏置截止，所以确实反向偏置截止，所以ID2=0。 仿真仿真 实实际际电电路路：R：限限流流电电阻阻（偏偏置置电电阻阻）交交流流小小信信号号电电路路模模型型电路仿真2二极管的交流小信号等效模型二极管的交流小信号等效模型 返回udIDuDQUDidiD1.3.4 二极管应用电路二极管应用电路1 整流电路整流电路ui0，二级管导通，二级管导通， ，uo=ui0D i电路仿真2二极管限幅电路二极管限幅电路右图为双向的限幅电路右图为双向的限幅电路如果设：二极管的开启电压如果设：二极管的开启电压UON = 0.7V则有：则有：|ui| UON ， VD1导通导通VD2截止，截止，回路中的电流，回路中的电流， 利用二极管正向稳利用二极管正向稳压特性，压特性，uo= UON 。如果，如果， ui0时，时，VD截止，截止， iD=0，回路无回路无法放电，使电容法放电，使电容C的电压保持的电压保持uc=ui=2.5V，而输出电压：而输出电压：uo=ui+uc= ui+ 2.5V=5ViDPN 结结击击穿穿后后，反反向向电电流流急急剧剧增增加加，但但端端电电压压几几乎乎不不变变，表表明明击击穿穿后后的的 PN 结结具具有有稳稳压压功功能能，在在安安全全限限流流条条件件下下，利利用用二二极极