大班文件XXXX级电子电路一讲稿新

1.1半导体基础知识半导体的概念：导电能力处于导体和绝缘体之间的材料；原子之间的共价键键能较弱。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。GeSi1.1.1本征半导体概念：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。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，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共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：硅和锗的共价键结构：共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子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，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，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。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。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4本征激发：本征半导体中的价电子在受热或者光照的情况下获得能量从共价键中脱离出来成为自由电子的过程。

本征激发过程产生两种载流子：①自由电子②空穴复合：自由电子落入空穴，使自由电子和空穴成对消失

的过程。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子本征半导体中载流子的浓度：式中：ni表示自由电子浓度，pi表示空穴的浓度；

A0是与半导体材料有关的常数；

k是波尔兹曼常数，k＝8.63×10-5(eV.K-1)；Eg0是T＝0K时的禁带宽度。结论：本征半导体中的自由电子浓度和空穴浓度相同，

具体浓度值与半导体材料和温度有很大关系。1.1.2杂质半导体概念：掺入了杂质元素的半导体。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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。两种类型的杂质元素：①施主杂质（高价元素，提供电子）

②受主杂质（低价元素，提供空位）1.1.2.1N型半半导体概念：在本征征半导体中掺掺入高价元素素（施主杂质质）使半导导体中的的电子浓度大大大高于空穴穴浓度的半导导体。+4+4+5+4多余电子磷原子掺杂浓度远大大于本征半导导体中载流子子浓度，所以以，自由电子子浓度远大于于空穴浓度。。自由电子称称为多数载流子（多子），空穴称为为少数载流子（少子）。1.1.2.2P型半半导体概念：在本征征半导体中掺掺入低价元素素（受主杂质质）使半导导体中的的空穴浓度大大大高于自由由电子浓度的的半导体。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空空穴是多子，，自由电子是是少子。杂质半导体的的示意表示法法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子子和少子的移移动都能形成成电流。但由由于数量的关关系，起导电电作用的主要要是多子。近近似认为多子子与杂质浓度度相等。1.1.2.3杂质半半导体中的载载流子浓度结论：①杂质半导体中中，自由电子子和空穴浓度度的乘积等于于同温度度下本征半半导体中自由由电子或空穴穴的浓度平方方。②杂质半导导体中，多子子的浓度近似似等于掺杂浓浓度，少子浓度随温度升升高而迅速增增大。nnpn=ni2=pi2nppp=ni2=pi2nn=ND+pnpp=NA+npN型半导体：：P型半导体：：式中：nn表示N型半导导体中自由电电子浓度，pn表示N型半导导体中空空穴浓度，，np表示P型半导导体中自由电电子浓度，pp表示P型型半导体中中空穴浓度，，ni，pi分别表示本征征半导体中自自由电电子和空穴浓浓度，ND表示施主杂质质浓度，NA表示受主杂质质浓度度1.1.3载载流子在半半导体内的运运动1.1.3.1载流子子在电场作用用下的漂移运运动概念：在外加加电场作用下下，自由电子子和空穴产生生定向运动Jpt=μpqpEJnt=-(-q)nμnE=μnqnEJt=Jpt+Jnt=(pμp+nμn)qE式中：Jpt表示空穴漂移移电流密度；；Jnt表示电子漂移移电流密度；；Jt表示漂移电流流密度；μμn表示自由电子子迁移率；μp表示空穴迁移移率。1.1.3.2载流子子在浓度梯度度作用下的扩扩散运动概念：在浓度度差的作用下下，自由电子子和空穴产生生的定向运动动式中：JnD表示电子电流流密度；JpD表示空空穴电电流密密度；；Dn表示自自由电电子扩扩散率率；Dp表示空空穴扩扩散率率。1.2PN结与与晶体体二极极管在同一一片半半导体体基片片上，，分别别制造造P型型半半导体体和N型型半导导体，，经过过载流流子的的扩散散，在在它们们的交交界面面处就就形成成了PN结。1.2.1PN结结的动动态平平衡过过程和和接触触电位位差P型区区到N型区区的过过渡带带两边边的自自由电电子和和空穴穴浓度度相差差很大大，在在浓度度差下下形成成扩散散运动动，P区的的空穴穴（多多子））向N区扩扩散，，N区区的自自由电电子（（多子子）向向P区区扩散散，在在过渡渡区域域产生生强烈烈的复复合作作用使使自由由电子子和空空穴基基本消消失，，在过过渡带带中产产生一一个空间电电荷区区（耗尽尽区）），扩扩散运运动使使过渡渡带内内失去去了电电中性性，产产生电电位差差和电电场，，分别别称为为接触电电位差差和内建电电场，内建建电场场由N区指指向P区阻阻碍多多子的的扩散散运动动，却却促进进过渡渡带中中少子子的漂漂移运运动，，漂移移运动动中和和过渡渡区中中的电电荷从从而削削弱内内建电电场，，随着着扩散运动动和漂漂移运运动的的进行行，最最后达达到一一个平平衡状状态，，即内内建电电场的的强度度恰好好使扩扩散运运动和和漂移移运动动的速速度相相等，，这种种平衡衡称为为动态平平衡，这时时过渡渡带中中的接接触电电位差差，内内建电电场强强度，，空间间电荷荷区宽宽度均均处于于稳定定值，，这时时我们们认为为PN结已已经形形成，，并把把P、、N的的过渡渡带称称为PN结结，PN结的的宽度度为空空间电电荷区区的宽宽度。。PN结结的接接触电电位差差：T=300K时时，，锗的的Vφ≈0.2~0.3V，硅硅的Vφ≈0.6~0.8VP型半导导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的的结果果是使使空间间电荷荷区逐逐渐加加宽，，空间间电荷荷区越越宽。。内电场场越强强，就就使漂漂移运运动越越强，，而漂漂移使使空间间电荷荷区变变薄。。空间电荷区，也称耗尽层。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩扩散和和漂移移这一一对相相反的的运动动最终终达到到平衡衡，相相当于于两个个区之之间没没有电电荷运运动，，空间间电荷荷区的的厚度度固定定不变变。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电电荷荷区N型区P型区V01.2.2PN结结和晶晶体二二极管管的伏伏安特特性与与小信信号等等效模模型在PN结上上加欧姆接接触电极引引出管管脚便便构成成晶体二二极管管欧欧姆接接触：：通过隧隧道效效应，，消除除金属属半导导体势势垒的的接触触方式式1.2.2.1单单向导导电性性PN结结加上正正向电电压、正向偏偏置的意思思都是是：P区区加正正、N区区加负负电压压。PN结结加上反反向电电压、反向偏偏置的意思思都是是：P区区加负负、N区区加正正电压压。概念：：正向向偏置置形成成电流流较大大，反反向偏偏置形形成电电流很很小。。二极管管基本本结构构PN结加上上管壳壳和引引线，，就成成为半半导体体二极极管。。引线外壳线触丝线基片点接触触型PN结面接触触型PN二极管的电路符号：－－－－++++REPN结正向向偏置置内电场外电场变薄PN+_内电场场被削削弱，，多子子的扩扩散加加强能能够形形成较较大的的扩散散电流流。PN结反向向偏置置－－－－++++内电场变厚NP+_内电场场被被被加强强，多多子的的扩散散受抑抑制。。少子子漂移移加强强，但但少子子数量量有限限，只只能形形成较较小的的反向向电流流。RE

外电场1.2.2.2伏伏安特特性伏安特特性指指流过过二极极管的的电流流与二二极管管两端端电压压之间间的的关系系式或或曲线线。二极管管理想想伏安安特性性可用用PN结的的电流流方程程来表表示：：式中：：iD表示流流过二二极管管的电电流；；vD表示二二极管管两端端的电电压，，正向向偏置置为正正；Is表表示示反向向饱和和电流流（硅硅：10-9～10-15A）。。二极管管的伏伏安特特性曲曲线：：UI死区电电压硅硅管管0.6V,锗管0.2V。。导通压压降:硅硅管0.6~0.8V,锗管0.2~0.3V。。反向击击穿电电压UBR1.2.2.3二二极管管的电电阻直流等等效电电阻RD：交流（（动态态）电电阻rd：1.2.2.4二二极管管的交交流小小信号号模型型1.2.3PN结结的反反向击击穿特特性与与高稳稳定性性埋层层齐纳纳稳压压管Izmin为稳压压管DZ的最小小允许许电流流，Izmax为最大大允许许电流流，输输入入电压压vI在VImin～VImax变化时时，要要使DZ正常工工作，，则限限流流电阻阻R必必须满满足下下列关关系：：①在在VImax和Ilmin时，IZ应不超超过最最大允允许电电流Izmax：②在在VImin和Ilmax时，IZ应不低低于最最小允允许电电流Izmin：稳压二二极管管UIIZIZmaxUZIZ稳压误误差曲线越越陡，，电压压越稳稳定。。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。齐纳击击穿与与雪崩崩击穿穿齐纳击击穿：：掺杂浓浓度很很高（（例如如ND=NA=1018/cm3）的PN结结很很薄，，例如如宽度度只有有0.04μm，只只要对对PN结加加上不不大大的反反向电电压，，就可可以产产生很很强的的电场场，例例如反反压压4V，场场强可可达106V/cm。。强电电场可可强耗耗尽区区内内原子子共价价键中中的电电子拉拉出，，自由由电子子和空空穴成成对对产生生，反反向电电流剧剧增。。齐纳纳击穿穿电压压较低低（<6V）雪崩击击穿：：掺杂浓浓度较较低的的PN结较较厚，，在较较大的的反向向电压压时形形成成漂移移电流流的少少子在在耗尽尽区内内获得得加速速，动动能越越来来越大大，在在反向向电压压大到到漂移移少子子的动动能足足以撞撞击击出耗耗尽区区内原原子的的共价价键电电子，，产生生自由由电子子和和空穴穴，新新生电电子又又撞击击出其其他自自由电电子，，反向向电电流剧剧增。。雪崩崩击穿穿电压压较高高（>6V)埋层齐齐纳击击穿稳稳压管管：齐纳管管被掩掩埋在在顶层层硅晶晶体下下面，，噪声声很小小，温温度稳稳定性性很高高（5））最大大允许许功耗耗稳压二二极管管的参参数:（1））稳定定电压压VZ（2）电压温度系数U（%/℃）稳压值受温度变化影响的的系数。（3））动态态电阻阻（4））稳定定电流流IZ、最大、、最小小稳定定电流流Izmax、Izmin。1.2.4PN结结的结结电容容特性性与变变容二二极管管PN结结电电容容CJ包括括势势垒垒电电容容CT和扩扩散散电电容容CD即：：CJ=CT＋CD1.2.4.1势势垒垒电电容容CT反偏偏电电压压变变化化引引起起耗耗尽尽区区厚厚度度变变化化，，从从而而引引起起PN结结中中的的电电荷荷量量变变化化，，这这种种电电容容效效应应称称为为势势垒垒电电容容。。式中中：：CT表示示势势垒垒电电容容数数值值；；Q表表示示PN结结的的电电荷荷量量；；vD表示示二二极极管管的的偏偏置置电电压压突变变结结CT与反反偏偏电电压压的的关关系系式式：：(n=0.5)式中中：：CT(0)表表示示vD=0时时的势势垒垒电电容容。。Vφ表示示接接触触电电位位差差1.2.4.2扩扩散散电电容容CDPN结结正正偏偏时时，，载载流流子子在在扩扩散散过过程程中中存存在在电电荷荷积积累累，，正正偏偏电电压压大大，，积积累累电电荷荷多多，，反反之之积积累累电电荷荷少少，，这这种种电电容容效效应应称称为为扩扩散散电电容容。。式中中：：ττ表表示示非非平平衡衡载载流流子子的的平平均均寿寿命命。。1.2.5PN结结的的温温度度特特性性1.PN结结正正向向电电压压的的温温度度系系数数αvD保持持二二极极管管正正向向电电流流不不变变，，温温度度变变化化1℃℃所所引引起起的的vD变化化αvD≈-(1.9～～2.5)mV/℃℃2.PN结结的的反反向向饱饱和和电电流流随随温温度度按按指指数数规规律律变变化化不论论是是硅硅管管还还是是锗锗管管，，反反向向电电流流大大约约随随温温度度每每变变化化10℃℃而而变变化化一一倍倍。。锗锗管管的的IS（（T0））要要比比硅硅管管大大3～～6个个数数量量级级1.2.6二二极极管管的的主主要要常常数数1.最大大整整流流电电流流IF二极极管管长长期期使使用用时时，，允允许许流流过过二二极极管管的的最最大大正正向向平平均均电电流流。。2.反向向击击穿穿电电压压VBR二极极管管反反向向击击穿穿时时的的电电压压值值。。击击穿穿时时反反向向电电流流剧剧增增，，二二极极管管的的单单向向导导电电性性被被破破坏坏，，甚甚至至过过热热而而烧烧坏坏。。手手册册上上给给出出的的最最高高反反向向工工作作电电压压VR一般般是是VBR的一一半半。。3.反向向电电流流IR指二二极极管管加加反反向向峰峰值值工工作作电电压压时时的的反反向向电电流流值值。。稍稍大大于于反反向向饱饱和和电电流流IS。4.最高高工工作作频频率率fM由PN结结电电容容决决定定的的参参数数，，二二极极管管的的工工作作频频率率高高到到一一定定的的程程度度，，CJ对PN结结起起的的旁旁路路作作用用不不容容忽忽略略，，工工作作频频率率超超过过fM，二二极极管管的的单单向向导导电电性性能能变变坏坏。。势垒垒电电容容和和扩扩散散电电容容的的综综合合效效应应rdRLuiuouiuott二极极管管的的应应用用举举例例1：：二极极管管半半波波整整流流二极极管管的的应应用用举举例例2：：tttuiuRuoRRLuiuRuo负载载电电阻阻：要求求当输输入入电电压压由由正正常常值值发发生生20%波波动动时时，，负负载载电电压压基基本本不不变变。。稳压压二二极极管管的的应应用用举举例例稳压压管管的的技技术术参参数数:解：：令令输输入入电电压压达达到到上上限限时时，，流流过过稳稳压压管管的的电电流流为为Izmax。求：：电阻阻R和输输入入电电压压ui的正正常常值值。。———方方程程1uoiZDZRiLiuiRL令输输入入电电压压降降到到下下限限时时，，流流过过稳稳压压管管的的电电流流为为Izmin。———方方程程2uoiZDZRiLiuiRL联立立方方程程1、、2，，可可解解得得：：1.3双双极极型型晶晶体体管管（（BJT））概念念：：由由三三个个杂杂质质半半导导体体区区（（发射射区区，，基基区区，，集集电电区区）及及两两个个PN结结（（发射射结结和集电电结结）构构成成的的，，有有两两种种载载流流子子（（自自由由电电子子和和空空穴穴））在在其其内内部部作作扩扩散散、、复复合合、、漂漂移移等等复复杂杂运运动动的的PNP或NPN晶体体管管。。BECIBIEICNPN型三三极极管管BECIBIEICPNP型三三极极管管双极极型型晶晶体体管管的的基本本结结构构：：BECNNP基极极发射射极极集电电极极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型BECNNP基极发射极集电极基区：较较薄，掺掺杂浓度度低集电区：：面积较较大发射区：：掺杂浓度较较高BECNNP基极发射极集电极发射结集电结1.3.1BJT工工作原理理1.3.1.1BJT内部部载流子子的传输输过程1.多子子通过EB结注注入2.载流流子在基基区内扩扩散与复复合3.集电电极对载载流子收收集1.3.1.2共基基连接电电流分配配关系iE=iC+iBiC=αiE+ICBOiB=iB1+iB2-ICBOiB1+iB2=(1-α)iE是共基BJT输输出端交交流短路路条件下下交流电电流增益益。是共基BJT的的直流电电流增益益。对小功率率BJT，在相相当大的的电流范范围内，，BJT的的电流分分配关系系1.3.1.3共射射（共E）BJT工作作原理以发射极极（E极极）作为为公共端端，EB结正偏偏，CB结反偏偏。令：则：β是共射射BJT输出交交流短路路下的交交流电流流增益BJT电电流放放大原理理BECNNPEBRBECIEIBE进入P区区的电子子少部分分与基区区的空穴穴复合，，形成电电流IBE，多数扩扩散到集集电结。。发射结正正偏，发发射区电电子不断断向基区区扩散，，形成发发射极电电流IE。基区空穴向发射区的扩散可忽略。BECNNPEBRBECIE集电结反反偏，有有少子形形成的反反向电流流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE从基区扩扩散来的的电子作作为集电电结的少少子，漂漂移进入入集电结结而被收收集，形形成ICE。IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE1.3.2