第1章半导体基础和二极管2

模拟电子技术基础主讲人：王波办公室：理学楼B-304电话mail:wangbo231@

■教材：

《模拟电子技术基础》第3版王远主编■主要参考书：《模拟电子技术基础》华成英主编《电子技术基础》（模拟部分）康华光主编课件：electronicswang@163.com密码：wang204模拟电子技术基础■

学时:48■

先修课：物理、电路分析基础。

■本课程为工科专业重要技术基础课。■入门较困难，要多下功夫。模拟电子技术基础■

一、电子技术的发展概述

■

二、课程的研究重点、研究内容、学习方法和主要特点

■三、课程的组织结构■四、课程的要求■五、考核方式模拟电子技术基础电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管→晶体管→集成电路一、电子技术的发展概述电子管晶体管集成电路

第一台电子计算机ENIAC（1946年）首台晶体管计算机TRADIC（1954年）

首款使用集成电路的计算机IBM360（1964年）世界上第一款商用处理器：Intel4004（1971年）

半导体元器件的发展1904年电子管的诞生1947年贝尔实验室制成第一只晶体管1958年集成电路1969年大规模集成电路1975年超大规模集成电路

■第一支晶体管的发明者美国贝尔实验室JohnBardeen,WilliamSchockleyandWalterBrattain，于1956年获诺贝尔物理学奖■第一个集成电路发明者美国德州仪器公司JackKilby，于2000年获诺贝尔物理学奖。

■研究重点：模拟信号（在时间和幅度上均连续的信号）模拟电路（处理模拟信号的电路）二、课程的研究重点、研究内容、学习方法和主要特点■学习方法：重点掌握基本概念、基本电路和基本分析方法；注意电路的基本定理、定律在模拟电路中的应用。■主要讨论：模拟电路的基本概念、基本原理、基本分析方法及基本应用（信号放大、运算、产生、滤波、转换等）

■课程主要特点：1.工程性在电路分析中要建立“工程的概念”，学会合理近似，强调基本概念和定性分析。2.实践性模拟电路具有很强的实践性,实用电路几乎都要通过调试才能达到预期设计指标。三、课程的组织结构半导体器件各种放大器单管放大器多级放大器功率放大器集成放大器负反馈放大电路的频率响应放大器的应用信号处理波形产生与变换直流电源

第1章目录第一章半导体基础和二极管第二章双极型晶体三极管和基本放大电路第三章场效应晶体管和基本放大电路第四章多级放大电路和集成运算放大电路第五章功率放大电路第六章放大电路的频率响应第七章放大电路中的反馈第八章集成运算放大电路的线性应用第九章波形发生电路和集成运放的非线性应用第十章直流电源第十一章EDA技术与可编程序模拟器件模拟电子技术基础

会看（电路的识别及定性分析）会算（电路的定量分析计算）会选（根据需求选择电路形式）会调（掌握电路测试方法、仪器选用）四、课程的要求■期末考试占70%

半开卷，允许带一张A4纸，不许打印和复印。■平时成绩占30%

考勤+小测验+作业五、考核形式

第1章目录第1章半导体基础和二极管作业：习题：1-2、1-8、1-9、1-10

第1章半导体基础和二极管1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管

第1章难点:

半导体中载流子的运动以及用载流子运动来说明半导体二极管工作原理。（是难点但不是重点。）本章的重点和难点重点：从使用的角度出发理解普通二极管、稳压二极管工作原理，掌握其外部特性及主要参数。1.1半导体的基础知识一、半导体导电能力介于导体和绝缘体之间常用的半导体材料为硅（Si）和锗（Ge），它们均为四价元素1.1.1本征半导体在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。

图1.2本征半导体的共价键结构硅原子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、本征半导体的结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发图1-3本征半导体中的两种载流子成对出现成对消失三、本征半导体中的两种载流子电子和空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合成对出现成对消失本征激发和复合+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向空穴移动方向

电子移动方向

在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电价电子填补空穴四、本征浓度在一定温度条件下，产生与复合的过程虽然仍在不断进行，但电子-空穴对却保持一定的数目本征半导体载流子的浓度其中，Eg为半导体的激活能，T为绝对温度，k为波耳兹曼常数（1.38×10-23J/K），K1为系数。常温下：硅ni(pi)=1.4×1010/cm3

锗ni(pi)=2.5×1013/cm3+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2杂质半导体一.N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体。磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子图1-4N型半导体

N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导体中,电子是多数载流子,

空穴是少数载流子但仍是电中性第1章1.1+4+4+4+4+4+4+4空穴二.P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。

+4+4硼原子填补空位+3负离子电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。一、PN结的形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN结。1.1.3PN

结多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P区N区

由于载流子的浓度差，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。这种由于浓度差引起的运动称为扩散运动。

随着扩散运动的进行，N区出现正离子区，P区出现负离子区，这个不能移动的电荷区叫空间电荷区。因没有载流子，也叫耗尽层、势垒区、阻挡层。

由空间电荷区产生的、方向为N区指向P区的内建电场阻碍了扩散运动，同时使少子产生漂移运动，即N区的空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。

当漂移运动和扩散运动达到动态平衡时，扩散电流等于漂移电流且方向相反，PN结中电流为零，PN结宽度及电位差Uho为恒定值。硅：（0.6～0.8）V；锗：（0.1～0.3）V。在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。P区N区内电场方向内电场方向二、PN结的特性1、PN结的单向导电性内电场方向E外电场方向RIP区N区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄

扩散运动增强，形成较大的正向电流（1）外加正向电压(正偏)P区N区内电场方向ER空间电荷区变宽外电场方向IR（2）外加反向电压(反偏)少数载流子越过PN结形成很小的反向电流PN结的单向导电性PN结正偏时的正向电流是扩散电流，数值较大,此时容易导电；PN结反偏时的反向电流是漂移电流，数值很小，几乎不导电;2、PN结的伏安特性及其表达式I/mAU/VIs为反向饱和电流，常温时：UT≈26mV温度对反向电流的影响：T↑，少子↑，IS↑PN加正向电压，且U>>UT时，PN加反向电压，且U

>>UT时，3、PN结的击穿特性当PN结反向电压超过一定数值UBR后，反向电流急剧增加，该现象称为反向击穿，UBR称为反向击穿电压齐纳击穿雪崩击穿雪崩击穿：掺杂浓度低，当反向电压比较大时，耗尽层中的少子加快漂移速度，撞击共价键，形成电子-空穴对，新的电子和空穴在电场的作用下加速运动，撞出新的价电子。载流子雪崩式倍增，导致电流急剧增加。一般在7V以上。齐纳击穿：在掺杂浓度高的情况下，不大的反向电压可以在耗尽层产生很强的电场，直接破坏共价键，形成电子-空穴对，导致电流急剧增加。硅材料一般在4V以下。在4～7V之间，两者都有。

（1）势垒电容CB

PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容。PN结电容势垒电容扩散电容4、PN结的电容效应S：PN结面积

d：PN结宽度ε：半导体介电常数非平衡少子在扩散过程中存在浓度差，扩散区内积累的电荷量随外加电压变化而变化，所形成的电容称为扩散电容

。（2）扩散电容CDI：正向电流UT：温度电压当量

τ：非平衡少子的寿命PN结的结电容CJ为势垒电容CB与扩散电容CD之和，即CJ=CB+CD

符号阳极阴极1.2半导体二极管

+SiO2保护层P型区—平面型N型硅PN结点接触型

+触丝N型锗支架外壳—PN结1.2.1半导体二极管的结构和类型U/V1.2.2二极管的伏安特性一、正向特性

阈值电压Uth:使二极管开始导通的电压硅管Uon=0.5V锗管Uon=0.1V导通电压：硅(0.6～0.8)V(取0.7V）锗(0.1～0.3)V(取0.2V）I/mA正向特性反向击穿特性反向特性UthU/V二、反向特性加反向电压时，反向电流很小。（与电压基本无关）I/mA正向特性反向击穿特性反向特性Uth三、击穿特性当二极管承受的反向电压超过击穿电压UBR后，反向电流急剧增加。材料开启电压UON

（V）导通电压（V）反向饱和电流（A）硅≈0.50.6—0.8<0.1锗≈0.10.1—0.3几十两种不同材料构成的二极管的比较:1.2.3二极管的主要参数1.最大整流电流IF2.最大反向工作电压UR二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，由PN结面积及散热条件决定。二极管在使用时所允许加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。3、反向电流IR4、最高工作频率fM二极管未击穿时的反向电流值。主要由PN结的结电容大小决定。超过此值，单向导电性变差。

二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。1.2.4半导体二极管的型号及选择一、半导体器件型号命名方法第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分数字表示器件的电极数拼音字母表示器件的材料和极性拼音字母表示器件的类别数字表示序号拼音表示规格号2CP10:N型硅材料小信号二极管。二、选用二极管的一般原则1、要求导通后正向压降小的选锗管；要求反向电流小选硅管。2、工作电流大时选面接触型；工作频率高时选点接触型。3、反向击穿电压高时选硅管。4、要求耐高温时选硅管。1.2.5二极管的等效电路一、理想二极管等效模型I/mAU/V符号：正偏时压降为零；反偏时电流为零。二极管具有非线性的伏安特性，为便于分析，在一定条件下，对其进行线性化处理，建立二极管的“线性模型”。根据二极管的不同工作状态及分析精度的要求，可选择不同的模型。二、理想二极管恒压源模型符号：Uon只有正偏电压超过导通电压，二极管才导通，其两端电压为常数；否则二极管不导通，电流为零。Uon是二极管的导通电压I/mAU/VUon0除直流信号外，又引入微小变化的信号，可以用伏安特性在Q处的切线近似表示实际的这段曲线。此切线斜率的倒数为二极管在Q处的动态电阻等效电阻三、微变信号模型UDQ△IDI/mAU/V△UDIDQQ△U+-△IDrd动态电阻与直流工作点位置有关1.2.6半导体二极管应用举例1、串联限幅电路二极管与负载电阻串联Ui负半周或数值小于导通电压，二极管截止，uo＝0ui正半周且数值大于导通电压，二极管导通，2、并联限幅电路二极管与负载电阻并联ui正半周且数值大于导通电压，二极管导通，uo＝ＵonUi负半周或数值小于导通电压，二极管截止，uo＝ui3、双向限幅电路二极管反向并联在输出端限制了输出信号的正负幅度uo＝Ｕon讨论如何判断二极管的工作状态如何选择二极管的等效电路VS正极负极1、稳压管的伏