模电第三章讲解课件

1、模电第三章讲解课件模电第三章讲解课件3.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体 3.1.4 杂质半导体23.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料 3.1. 3.1.1 半导体材料 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。1、什么是半导体？ 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体

2、与绝缘体之间3 3.1.1 半导体材料 导电性介于导体与绝缘 3.1.2 半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构4 3.1.2 半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶 3.1.3 本征半导体本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键动态平衡 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。无杂质5 3.1.3 本征半导体本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。两种载

3、流子外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？运载电荷的粒子称为载流子。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。6两种载流子外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导 3.1.4 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。磷（P）杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子空穴比未加杂质时

4、的数目多了？少了？为什么？1. N型半导体7 3.1.4 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂2. P型半导体硼（B）多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？82. P型半导体硼（B）多数载流子 P型半导体主要靠小结：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半

5、导体(b) P 型半导体杂质半导体的简化表示法9小结：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少3.2 PN结的形成及特性 3.2.2 PN结的形成 3.2.3 PN结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容效应 3.2.1 载流子的漂移与扩散103.2 PN结的形成及特性 3.2.2 PN结的形成 3. 3.2.1 载流子的漂移与扩散 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动N区自由电子浓度远高于P区。 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。11 3.2.1 载流子的漂移与扩散

6、物质因浓度差而产生的 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。12 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。 3.2.2 PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的

7、扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 13 3.2.2 PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过 3.2.3 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时 低电阻 大的正向扩散电流PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。必要吗？14 3.2.3 PN结的单向导电性 当外加电压使PN (2) PN结加反向电压时 高电阻 很小的反向漂移电流PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近

8、似认为其截止。 在一定的温度条件下，由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是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。15 (2) PN结加反向电压时 高电阻PN结加反向电压截止： (3) PN结V-I 特性表达式其中PN结的伏安特性IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）16 (3) PN结V-I 特性表达式其中PN结的伏安特性IS 3.2.4 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击

9、穿可逆17 3.2.4 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增 3.2.5 PN结的电容效应(1)势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。(2)扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容： 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！18 3.2.5 PN结的电容效应(1)势垒电容 PN结外3.3 半导体二极管 3.3.1 半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性 3.3

10、.3 二极管的主要参数193.3 半导体二极管 3.3.1 半导体二极管的结构 3.3.3.1 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1) 点接触型二极管(a)点接触型 二极管的结构示意图 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。203.3.1 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封(2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。21(2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的伏安特性曲线可用下式表示:温度的

11、电压当量硅二极管2CP10的V-I 特性锗二极管2AP15的V-I 特性正向特性反向特性反向击穿特性开启电压反向饱和电流22 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗Ge0.1V0.10.3V几十A从二极管的伏安特性可以反映出：单向导电性正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线23材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.50.83.4 二极管基本电路及其分析方法 3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法243.4 二极管基本电路及其分析方法 3.4.1 简

12、单二极管3.4.1 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，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线。253.4.1 简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。 解：由电路的KVL方程，可得 即 是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线 Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点26例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电 3.4.2 二极管电路的简化

13、模型分析方法（1）理想模型 将指数模型 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。 应用条件：电源电压远比二极管的管压降大。1.二极管V-I 特性的建模正向偏置时的电路模型反向偏置时的电路模型V-I特性代表符号27 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法（1）理想模型 应用条件：二极管的电流近似等于或 大于1mA。(2)恒压降模型（硅二极管典型值）（锗 二极管典型值）导通压降：V-I特性电路模型 28 应用条件：二极管的电流近似等于或(2)恒压降模型（硅二极管等效的电池为：门坎电压硅管约为0.5V等效的电阻为：当二极管导通电流为1毫安，管子压降为0.7V时，电阻rD大约为200欧姆（3）折线模型

14、V-I特性电路模型 29等效的电池为：门坎电压等效的电阻为：当二极管导通电流为1毫安（4）小信号模型vs =0 时, Q点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。vs =Vmsint 时（VmVT 。 31即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K） 特别注意： 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法2模型分析法应用举例（1）整流电路32 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法2模型分析法应用（2）静态工作情况分析理想模型（R=10k） 当VDD=10V 时，恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设当VDD=1V 时，（自看）（a）简单二极管电路 （b）习惯画法 33（2

15、）静态工作情况分析理想模型（R=10k） 当VDD=（3）限幅电路 电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI = 6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。 34（3）限幅电路 电路如图，R = 1k，VRE（4）开关电路 先断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。 则接D阳极的电位为-6V，接阴极 的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。解：35（4）开关电路 先断开D，以O为基准电位， 则接（5）小信号工作情况分析图示电路中，

16、VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinwt V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。 36（5）小信号工作情况分析图示电路中，VDD = 5V，R =3.5 特殊二极管 3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管)1.符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流373.5 特殊二极管 3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管)12.主要参数稳定电压VZ、稳定电流IZT最大功耗PZM IZM VZ动态电阻rzVZ /IZ若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！382.主要参数稳定电压VZ、稳定电流IZT最大功耗PZM I3. 稳压电路# 稳压条件是什