模拟集成电路基础三

模拟集成电路基础第2章晶体二极管及应用电路2.1半导体基础知识一、半导体特性什么是半导体？导体:导电率为105s.cm-1，量级，如金属。（S:西门子)绝缘体:导电率为10-22～10-14s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。半导体:

半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性半导体器件温度增加使导电率大为增加温度特性热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光敏器件光电器件二、本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体+4晶体特征在晶体中，质点的排列有一定的规律。硅（锗）的原子结构简化模型价电子正离子注意：为了方便，原子结构常用二维结构描述，实际上是三维结构。锗晶体的共价键结构示意图半导体能带结构示意图价带中留下的空位称为空穴导带自由电子定向移动形成电子流本征半导体的原子结构和共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子价带禁带EG外电场E束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流二、本征半导体挣脱原子核束缚的电子称为自由电子1.本征半导体中有两种载流子—自由电子和空穴它们是成对出现的、成对复合。2.在外电场的作用下，产生电流—电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的方向与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的方向与外电场方向相同始终在价带内运动二、本征半导体3.注意：本征半导体在热力学零度（0K）和没有外界能量激发下，晶体内无自由电子，不导电。载流子概念：运载电荷的粒子。本征半导体的载流子的浓度电子浓度

ni

:表示单位体积内的自由电子数空穴浓度pi:表示单位体积内的空穴数。A0—

与材料有关的常数EG0—

禁带宽度T—

绝对温度k—

玻尔曼常数结论1.本征半导体中电子浓度ni=空穴浓度pi

2.载流子的浓度与T、EG0有关

二、本征半导体三、杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高。

掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝）等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。

掺入的五价元素如P（磷）、砷等，形成N型半导体，也称电子型半导体。N型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入的五价元素，如P。价带导带+++++++施主能级自由电子是多子（即多数载流子）空穴是少子杂质原子提供由热激发形成由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子。三、杂质半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5自由电子是多子（即多数载流子）空穴是少子问题：与本征半导体相比，N型半导体中空穴多了？还是少了？

N型半导体举例：锗原子密度为4.4×1022/cm3

，锗本征半导ni=2.5×1013/cm3，若每104个锗原子中掺入1个磷原子（掺杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3个砷原子。则施主杂质浓度为：ND=

4.4×1018/cm3（比ni大十万倍）杂质半导体小结：尽管杂质含量很少（如万分之一），但提供的载流子数量仍远大于本征半导体中载流子的数量。载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使导电能力激增。半导体的掺杂、温度等可人为控制。P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入的三价元素如B。价带导带-------受主能级自由电子是少子空穴是多子杂质原子提供由热激发形成因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。三、杂质半导体四、PN结1、PN结的形成2、PN结的接触电位差3、PN结的伏安特性4、PN结的反向击穿5、PN结电容6、PN结的光电效应与电致发光1、PN结的形成P区N区扩散运动载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流内电场内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡耗尽层PN结P区N区空穴自由电子负电荷正电荷内电场阻止多子扩散

浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动。扩散运动产生扩散电流。漂移运动少子向对方漂移,称漂移运动。漂移运动产生漂移电流。动态平衡扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。PN结稳定的空间电荷区，又称高阻区，也称耗尽层。1、PN结的形成P区N区U内电场的建立，使PN结中产生了电位差，从而形成接触电位U。接触电位U决定于材料及掺杂浓度2、PN结的接触电位差硅：U=0.6～0.7V锗：U=0.2～0.3V3、PN结的伏安舌特性（1）PN结加而正向妻电压原理巾：外电同场方点向与PN结内耻电场蚊方向汉相反波，削阳弱了称内电赚场。于是词内电侵场对极多子棍扩散销运动尽的阻脂碍减堡弱，敌扩散政电流笔加大参。扩散朽电流锁远大叠于漂躺移电痛流，动可忽叠略漂坡移电圈流的歼影响歼。P区的偿电位急高于N区的总电位揪，称倾为加正向每电压，简涌称正偏；内外结论隆：PN结正栽偏时衫，呈足现低头阻性演，电流农增大灭。导通兵状态（2）PN结加乘反向率电压原理气：外电当场与PN结内获电场馆方向无相同虫，增桥强内岩电场遇。内电蒙场对帜多子乔扩散炭运动摸阻碍厦增强仇，扩距散电嘱流大弊大减愉小。缓少子见在内已电场伍的作的用下仇形成诵的漂齿移电传流加村大。此时PN结区辨少子细漂移闯电流遵大于励扩散世电流乳，可鼓忽略佩扩散趣电流血。P区的柔电位掘低于N区的刷电位葬，称磨为加反向挨电压，简云称反偏。内外3、PN结的伏安精特性结论汇：PN结反良偏时访，呈舌现高载阻性牵，近斤似为截止朵状态。电氧流很免小。结论食是：PN结具蜻有单绕向导的电性掏。小结缸：PN结加幅正向鉴电压滑时，嚼呈现爸低电羊阻，祝具有绪较大指的正纸向扩躺散电寺流；纪导通PN结加眯反向胡电压仓时，阔呈现五高电践阻，挑具有拴很小带的反驰向漂洪移电路流。蚀截止3、PN结的伏安林特性问题厦：有净必要悟加电片阻R吗？PN结两膀端的经电压因与流过PN结电周流的声关系齿式式中Is饱和征电流;UT=kT/q等效烛电压k波尔雀兹曼蓝常数电；q为电挺子的傲电量罚；T=3郑00烤k（室脖温）牌时UT=火26购mv由半碍导体读物理烛可推币出：3、PN结的伏安烤特性（3）PN结电截流方惠程当加塌反向获电压次时：当加壤正向彼电压伐时：(U>>UT)3、PN结的伏安族特性PN结电铜流方鹊程IU4、PN结的喷反向特击穿反向鞋击穿汤：PN结上晚所加届的反涨向电张压达毛到某球一数秤值时践，反纤向电符流激瓶增的悉现象刑。雪崩鲜击穿当反击向电喘压增后高时拳，少鞋子获困得能丝式量高阵速运袋动，而在空理间电巾荷区饮与原特子发掀生碰今撞，足产生茂碰撞换电离寨。形秒成连栋锁反丈应，记象雪劲崩一村样。怎使反亡向电希流激拖增。齐纳秒击穿当反摊向电横压较虏大时隶，强愉电场仗直接纺从共姥价键参中将谎电子享拉出欧来，捞形成巡寿大量夹载流咱子,使反榆向电选流激冬增。击穿羊是可坑逆。戚掺杂榴浓度小的二溪极管季容易劈燕发生辆。击穿臂是可派逆。普掺杂役浓度大的二壶极管染容易戒发生鞭。不可程逆击圣穿—热击识穿。PN结的度电流尊或电鄙压较库大，盐使PN结耗根散功朱率超帝过极面限值笛，使捏结温冶升高刊，导从致PN结过晕热而鲁烧毁浸。5、PN结电柜容势垒电容CB当外美加电膀压不酱同时难，耗却尽层醋的电澡荷量昌随外释加电啦压而撇增多常或减培少，幸与电取容的亚充放钢电过盛程相娘同。混耗尽拘层宽允窄变饭化所猜等效卖的电水容为势垒向电容杯。扩散汽电容河是由首多子钳扩散蠢后，劈燕在PN结的详另一换侧面苦积累颜而形赢成的眉。因PN结正宣偏时州，由N区扩床散到P区的苍电子匀，与出外电固源提串供的旺空穴锁相复滋合，贝形成虫正向视电流贩。刚答扩散艘过来停的电缎子就纲堆积商在P区内护紧靠PN结的镜附近掀，形讨成一名定的静多子腹浓度给梯度僻分布抓曲线女。5、PN结电误容注意拒：势垒洒电容贪和扩歌散电轿容均丢是非材线性桂电容,并同腹时存律在。禁外加自电压恨变化亲缓慢格时可荒以忽江略，猎但是动变化女较快汽时不樱容忽垒略。扩散电容CD外加浮电压祝不同晃情况罗下，P、N区少构子浓耀度的评分布按将发尽生变围化，毅扩散孤区内手电荷图的积顺累与著释放玻过程等与电糖容充鼻放电冤过程残相同够，这得种电翁容等疲效为朱扩散纺电容守。PN结的息电致奸发光如果焦在PN结加尝正偏射电压E，外奴电场立将消毫弱内咬建电弊场对变载流彩子扩堪散的蠢阻挡婆作用坟。在问外加民电场茧满足佣一定虎条件昌下，露注入合到耗虑尽区奋内的串电子躁和空约穴通乐过辐颤射复租合而赤产生证光子饱的速裳率将改大于业材料峡对光高子的映吸收盆速率轿，从换而在减半导避体内晨产生徒光增性益。ED6、PN结的喝光电惧效应狼及电酿致发笨光PN切P屠N结的孝光电渐效应PN结用悠导线左连接狡成回素路时黄，载鸟流子弹面临PN结势抬垒的宫阻挡穗，在圆回路午中不买产生池电流咸。当拨有光慰照射PN结材楚料上浴时，飘若光敌子能歼量大岁于半民导体年的禁学带宽妄度，途则在PN结的拼耗尽对区、P区、N区内旷产生悟光生削的电酿子-空穴认对，氧耗尽拴区内旗的载犯流子晶在内段建场暑的作重用下帝电子祸迅速犹移向N区，易孔穴滤移向P区，殃在回园路内碎容形与成光壶电流念，而P、N区内贡产生赴的光泛子无凳内建权电场节的作蓄用只巴进行健自由千的扩底散运军动，乱多数证因复针合而掩消失矿，对强光电女流基肚本没缸有贡愉献。DEDDRLUDIP注意塔：为了筐充分第利用探在PN结各喷区内鲜产生角的光俊生载纲流子神，PN结需丙加适茅当的踩反向落偏压林。6、PN结的蓬光电漂效应袄及电炸致发找光一、验晶体二极乌管的记结构民类型二、湾晶体二极劲管的侄伏安哭特性三、巷晶体二极饿管的摄等效舌电阻四、妥晶体蜡二极住管的斜主要艘参数五、望光电惭二极牺管六、清发光二极借管七、链稳压魔二极掩管八、脚变容二极臭管九、拖二极琴管电每路分板析十、衣二极军管的糖典型爱应用2.辫2晶体吴二极志管一、抛晶体二极牛管的刻结构煎类型在PN结上忍加上唐引线泛和封岸装，拉就成荒为一唉个二扁极管甘。二极虾管按贞结构仿分点接址触型面接区触型平面恋型PN结面御积小坟，结形电容竹小，用于鸡检波苹和变两频等裹高频案电路PN结面朴积大菊，用于工申频大优电流诱整流怖电路往往编用于匀集成洽电路摔制造黑工艺慰中。PN结面杨积可大粘可小，用于籍高频获整流梨和开椒关电掏路中冰。伏安枣特性慰：是指挺二极洞管两端电泰压和流拔过二顾极管电流之间吨的关谜系。由PN结电棍流方爆程求蕉出理蒜想的赌伏安颈特性阶曲线泽，IU1.当加银正向烟电压缝时PN结电什流方鸟程为味：2.当加旋反向静电压期时I随U↑，呈乡丰指数森规率约↑I≈各-IsI基本伞不变二、怨晶体二极文管的数伏安浸特性晶体二极豆管的例伏安绝特性正向袭起始啊部分巧存在灯一个杠死区烧或门植坎，誓称为门限责电压。硅：Ur=0败.5～0.虑6V汁;锗：Ur=0愿.1～0.而2V。加反宏向电熄压时母，反误向电志流很锅小即Is硅(n词A)浮<Is锗(A)硅管开比锗幻玉管稳福定。当反季压增砌大VBR时再总增加束，反牛向激斥增，仍发生勿反向泡击穿吗，VBR称为粗反向垮击穿狐电压磁。实测锋伏安需特性①②③二、详晶体二极位管的忆伏安易特性材料好门限材电压觉导通爪电压Is/μA硅0.艺5～0.魂6V兵0观.7涂V肠<忘0.刮1锗0.洋1～0.撤2V抵0晌.3效V几十非线巩性电扩阻用直勺流电君阻(也称磁静态佛电阻剑）和好交流虾电阻挥（又那称动夕态电殊阻或及微变宣电阻嫂）来廉描述故二极探管的胞电阻鱼特性浪。1.直流擦电阻RD的计无算方掀法定义二极正管两妈端的烈直流猪电压UD与电怖流ID之比IDIUUDD三、借晶体二极戚管的高等效伙电阻UQIQ三、纪晶体二极伐管的销等效物电阻直流寒电阻煤的求除解方洗法：借助冷于静闹态工深作点Q（IQ，UQ）来肚求。IDEDDRLUD方法莲一：发解析卧法列写设二极插管电于流方禁程和冰电路宵方程山：解方齐程组哭，得肢到二锈极管申静态喝工作译电流IQ和电颂压UQ，三、削晶体二极食管的排等效朝电阻方法携二：赠图解迈法IDEDDRLUDIUU=ED-IRL绘制坝直流驼负载纯线U=0I=ED/RLI=0U=EDED/RLEDQIQUQ由静晕态工箩作点Q点得IQ和UQ，从而滨求出疯直流写电阻直流晃负载躬线与果伏安特性抵曲线农的交开点由电充路可拣列出屯方程请：2.交流私电阻rD的计壁算方允法RLEDDUIQUUI室温（T=惊30慰0K）下,UT=2先6m超V。交流嚼电阻忆：r=2均6m坟V/IQ(m短A)定义块：注意:交流亩电阻rD与其意静态芬工作肝点Q有关拥。说明善：二梅极管链正偏暗时，rD很小走（几贪至几应十欧丝式姆）二极被管反尊偏时厦，rD很大意（几叹十千椅至几姓兆欧夕姆）杆。1.IF—最大扯整流帮电流(最大阳正向源平均胆电流)2.URM—最高奸反向您工作鸽电压，为U(B辛R)/排23.IR—反向够电流(越小采单向衬导电效性越贸好)4.fM—最高广工作袄频率(超过返时单亩向导怒电性摊变差)iDuDU(BR)IFURMO四、绳晶体二极而管的订主要藏参数五、流光电要二极柄管1定义：有光青照射贼时有重电流暮产生嗽的二也极管痒。2类型：PI早N型、PN型、雪崩樱型3结构：和普踏通的搏二极样管基抚本相毕同4工作警原理：利用营光电用导效巨应工预作，PN结工赤作在喘反偏剩态，买当光涛照射工在PN结上免时，舒束缚跪电子墨获得券光能驾变成秤自由昂电子裕，形该成光遥生电青子—空穴浇对，繁在外幸电场萝的作晌用下许形成序光生馒电流障。DEDDRLIP注意窗：光茧电二缠极管句在反械压状叔态工响作。1.定义挽：将电骄能转怕换成叨光能萍的特零殊半猾导体强器件素。3.常用朱驱动泳电路池：直流步驱动凯电路交流领驱动虚电路普通其发光壶二极扎管红外膝发光红二极诊管……2.类型六、发光二极捕管4.工作喊原理祥：当管子跪加正糠向电周压时，翁在正筑向电么流激胀发下歇，管段子发墨光，跨属电毁致发患光。注意可：发赌光二店极管浩在加胶正向生电压皆时才玻发光仗。七、采稳压斥二极损管稳压二极表管：是应弯用在搁反向刊击穿络区的奔特殊酱二极己管。稳压己特性殊：在反馋向击含穿时购，电厕流急段剧增逢加而PN结两糊端的玩电压戒基本屯保持抚不变北。正向妖部分鲁与普家通二兔极管嫂相同怎。注意盛：稳裹压管县工作勿区在止反向点击穿抓区。RZVZ特性变参数骗：1.稳定谋电压VZ:反向粮击穿锻电压淘。2.最大币工作的电流Izm勤ax:受耗答散功葬率的顷限制份，使捞用时亲必须愤加限堤流电面阻。VZ稳压二极仁管特性驴参数烘：1.稳定洁电压VZ:2.最大衣工作喘电流Izm贝ax:3.动态小电阻，RZ很小距，十爆几欧滩姆~几十富欧姆种。稳压宅管使纷用方贱法：稳压海二极粪管在夹工作族时应坦反接,并串料入一糟只电旅阻。电阻R的作赛用：一是主起限流辈作用，以辨保护贺稳压匆管。演二是敏当输而入电谎压或树负载捎电流震变化将时，拘通过爹该电填阻上督电压倒降的智变化凝，取滴出误肾差信佛号以承调节爸稳压全管的谊工作臣电流倘，从躬而起木到稳压哪作用。六、铺稳压树二极烂管Z八、帆变容二极叛管变容甚二极揪管：利用PN结的泽势垒由电容CT随外庙电压U的变跪化而尚变化水的特强点制颈成的选二极县管。符号娘：注意幕：变爷容二锅极管软使用织时应费加反胸向电必压。半导炎体二俱极管夫图片半导环体二怨极管唉图片半导束体二寇极管挪图片半导害体二侮极管敬图片半导体体二舒极管躺图片半导深体二踪蝶极管判图片半导足体二底极管阶型号国家蹈标准楼对半纸导体堤器件接型号絮的命卷名举仙例如用下：附教录九、垫二极版管电谢路分劲析半导浙体二砌极管搁的模挂型1、理苦想二遇极管粪开关奔模型忽略辜二极次管的顽正向皱压降晃（近肚似为0），状反向界电流持近似队为0。二证极管扎可视僵为一域个理齿想的涝单向两导电惊开关酿。iDuD0S2、折讽线模匠型D为理笛想二色极管弯，Ur为二劲极管篇的门注限电做压，Rd为交喂流等道效电探阻。iDuD0UrDrDUriDuD+-3、交姿流小心信号耳模型rSrjCj特点筹：（1）只啦关心热交流云信号衫，不原关心别直流额信号求，所似以往可往可冈以不怠计入俘电路栽中的方直流肯分量有；（2）在洽小信筝号的逢作用她下，直非线氏性元变件可葵以按睬线性各元件素处理彻。例试求屈电路偷中电者流I1、I2、IO和输拥出电关压UO的值热。解：假设舍二极旬管断化开UP=棚15权VUP>UN二极棉管导数通等效权为0.些7村V的恒瞒压源PNUO=VDD控1UD(游on乓)=弟150.托7勺=凡14熔.3嫌(洪V)IO=UO/RL=芝14蚂.3盗/珠3闻=竞4拜.8夸(督mA酱)I2=宇(UOVDD煌2)判/R=液(1暴4.板312怜)妄/帝1=冤2.涝3奇(m难A)I1=IO+I2=脚4.龟8薯+订2.励3猛=夹7.赶1为(m瓣A)例：拦判太断图股示电私路中甚的二兰极管沿能否只导通谅。解题屿思路绢：判断遍二极下管在钱电路有中工陡作状闻态的荡方法辟是先假旧设二辞极管骡断开，分鲁别计吼算二让极管蜡两极遭的电贪压，哨然后纪比较彼阳极另电压献与阴料极间尸将承彩受的很电压兆，如异果该膜电压查大于咸二极揪管的主导通耽电压堪，则扛说明宴二极轨管导灾通，秧否则们截止锈。如果新判断匀过程苦中，就电路按出现禁两个姻以上孩的二罩极管猎承受零大小恰不等睛的正嗽向电效压，酸则应踩判定窝承受膏正向停电压示较大段者优健先导锡通，拥其两麻端电撤压为淡导通坦电压笑，然劲后在她用上竞述方赞法判犹断其刑他二笼极管来的导立通状献态。结果龄：则VA<VB，二极巾管为峡截止寸状态皆。~220Ve2iDuL应用观一：整流秒电路整流学电路鸭是最冲基本搁的将竟交流胃转换铅为直拒流的请电路剑。半波羊整流u2E2m+-iDuL~220Vu2iDuL+-十、严二极渔管的扎应用半波倚整流津输出戏电压桨平均氧值为UDC其中董：U2是u2的有鼓效值E2m是u2的最宇大值E2m设全波环整流~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLu2′u2u2uL九、宏二极尾管的团应用桥式百整流~220Vu2uL+-~220Vu2uL+-u2uLUDC≈0植.9U2九、敬二极蚊管的怨典型僚应用u2>0时u2<0时应用尸二：LE蓄D显示就器abcdfgabcdefgabcdefg+5迈V共阳召极电唉路共阴椒极电卵路控制庄端为偷高电容平对应旦二极娇管发济光控制宽端为伸低电潮平对应什二极讨管发塘光e应用虾三：扶稳压锹电路练。工作蔽原理毙：利贸用稳谋压二忙极管拳提供伐稳定土的直影流电顶压。应用长四：典限幅蚀电路委。工作厚原理岗：利业用二蜜极管喂单向伏导电侧性，口限定角输出乔信号晶的幅油度。应用扁五：策钳位汽电路违。工作加原理：当陈输入ui>0时，疼二极富管瞬走间导闻通，C快速惩充电苍，沟电容佛两端过电压uc=V坡1，充瓦电结铁束后纱输出uo=0碌.当输味入ui<0时，锹二烫极管滑截止碧，C充放锯电缓求慢，竹输出uo=-uc+ui=-慕V1贴-V恨2。钳位骨电路探的作详用：利梢用二朋极管筋和电贩容构切成的钳位决电路把一厉个双陶向的芦周期正信号朝信号察转变煤为单柄向的众信号信，并救保持念原信浆号波非形的超电路笔。小筝结半导源体是仇导电绪能力宽介于侄导体搏和绝溉缘体中之间途的一虽种物油体。晓具有晶一系钳列特滔殊的艘性能机，如卸掺杂脾、光雨照和递温度根都可刷以改医变半汪导体屑的导版电性债能。帽利用送这些料性能范可制混作成某具有颈各种握特性湖的半岔导体路器件惊。PN结是丢构成学半导胸体器鱼件的竟基础酿，具踢有单贸向导跃电性方、非父线性键电阻害特性锯、电薪容效未应、江击穿娇稳压抹特性案。当PN结加遮正向耐电压搭时，PN结导耐通，施呈现盏低阻纠特性至。当PN结加躺反向泰电压罗