模拟电子学基础课件第三章

模拟电子学基础课件第三章第一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日3二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.3半导体二极管3.4二极管基本电路及其分析方法3.5特殊二极管3.2PN结的形成及特性第二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日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杂质半导体第三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

3.1.1半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导体：容易导电的物体。如：铁、铜等绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等半导体：是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。第四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日半导体特点：1)

在外界能源的作用下，导电性能显著变化。2)

在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。光敏元件、热敏元件属于此类。二极管、三极管属于此类。衡量半导体的导电性电导率电导率与材料内单位体积中所含电荷载流子的数目有关。电荷载流子浓度半导体电导率第五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日3.1.2

半导体的共价键结构常用半导体材料硅和锗都是4价元素，其简化原子结构模型如下图：图3.1.1

硅的原子结构简化模型硅和锗都是四价元素，外层原子轨道上具有四个电子，称为价电子。价电子受原子核的束缚力最小。半导体的导电性与价电子有关。半导体为晶体结构，原子排列有序，邻近原子间由共价键连接，如图3.1.2所示。各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚。第六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日本征半导体——化学成分纯净的半导体。

3.1.3

本征半导体、空穴及其导电作用1.

本征半导体制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技术中用的最多的是硅和锗。本征晶体中各原子之间靠得很近，其共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被称为束缚电子。束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度T=0K(﹣273C)时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。第七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴－电子对当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。2.电子与空穴这一现象称为本征激发，也称热激发。与导体相比，半导体中的自由电子数较小，因此导电性不如导体材料。第八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合空穴的移动：由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷迁移电流电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。第九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴图3.1.4电子与空穴的移动这里可以将空穴看成是与电子电量相等的带正电荷的粒子。任何时候，本征半导体中自由电子与空穴的浓度都相同。第十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

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杂质半导体可分为：N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。第十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日可见在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由本征(热)激发形成。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。1.P型半导体因三价杂质原子只有三个价电子，在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。注意空穴的产生并未带来新的自由电子。第十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日硼原子核空穴P型半导体中：

空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；

电子是少数载流子，由热激发形成。P型半导体的结构示意图如图所示：控制掺杂的多少可控制空穴的数量第十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。2.N型半导体提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由本征(热)激发形成。注意自由电子的产生并未带来新的空穴。第十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日磷原子核自由电子所以，N型半导体中的导电粒子有两种：

自由电子—多数载流子（由两部分组成） 空穴——少数载流子N型半导体的结构示意图如图所示：控制掺杂的多少可控制自由电子的数量第十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

T=300K室温下，本征硅的电子和空穴浓度：

n=p=1.45×1010/cm31

本征硅的原子浓度：5×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3

。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度：

n=5×1016/cm33.杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，导电载流子的数目都有相当程度增加，使半导体材料的导电能力大大提高。一些典型的数据如下：第十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

本征半导体、杂质半导体

本节中的有关概念

自由电子、空穴N型半导体、P型半导体

多数载流子、少数载流子

施主杂质、受主杂质第十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日3.2PN结的形成及特性

3.2.2PN结的形成

3.2.3PN结的单向导电性

3.2.4PN结的反向击穿

3.2.5PN结的电容效应

3.2.1载流子的漂移与扩散第十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

3.2.1载流子的漂移与扩散漂移运动：在电场作用引起的载流子的定向运动。在半导体上施加一定的电场，其内部的载流子存在两种运动状态，即漂移运动和扩散运动。扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动。空穴的漂移运动方向与电场方向一致。自由电子的漂移运动方向与电场方向相反。Vp为空穴漂移速度矢量，μp为空穴迁移率Vn为电子漂移速度矢量，μn为电子迁移率载流子由高浓度区域向低浓度区域扩散形成扩散电流第十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

3.2.2PN结的形成因浓度差

多子扩散形成空间电荷区促使少子漂移

阻止多子扩散

在半导体两个不同区域分别掺入三价和五价的杂质元素，便在同一基体上分别形成P型区和N型区，如图所示。P型区以带正电的空穴和带负电的杂质离子为主N型区以带负电的自由电子和带正电的杂质离子为主扩散到对方的载流子在P区和N区的交界处附近被相互中和掉，使P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的空间电荷区(耗尽层)。由于P区一侧带负电，N区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向P区的内电场。第二十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生的电流大小相等，方向相反。因此，在相对平衡时，流过PN结的电流为0。显然，内电场的方向是阻止载流子扩散运动的发生。同时，该内电场的方向对P型区和N型区中的少数载流子的漂移运动，却起到了促进作用。而这两种运动的方向正好相反，即扩散运动使耗尽区加宽，内电场增强，而漂移运动使其变窄，内电场减弱。第二十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日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。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区第二十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。由于耗尽层的存在，PN结的电阻很大。endPN结的形成过程中的两种运动：多数载流子扩散少数载流子飘移第二十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

3.2.3PN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.外加正向电压外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。第二十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日PN结加正向电压时：PN结的正向伏安特性低电阻由于内电场的存在，PN结表现出具有较大的电阻值，当外加正向偏置电压时，内电场被削弱，耗尽区厚度变薄，PN结电阻值减小，表现为一个阻值很小的电阻，称为PN结导通。大的正向扩散电流IF第二十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日2.PN结加反向电压时外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。第二十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日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。

PN结的伏安特性PN结加反向电压时：高电阻当外加反向偏置电压时，内电场被加强，耗尽区厚度变厚，PN结电阻值增大，表现为一个阻值很大的电阻，称为PN结截止，此时可认为PN结不导电。很小的反向漂移电流第二十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日总结：PN结加正向偏置电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。结论：PN结具有单向导电性。第二十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日IS

——反向饱和电流VT

——温度的电压当量PN结的伏安特性3.PN结V-I特性表达式这里以硅结型二极管的PN结为例：在常温下(T=300K)vD

——外加偏置电压iD

——PN结电流n

——发射系数第二十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日PN结被击穿后电流很大，容易使PN结发热，并超过它的耗散功率时，PN结将发生热击穿。热击穿——不可逆

雪崩击穿

齐纳击穿

电击穿——可逆3.2.4PN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。这时PN结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN结烧毁。反向电流和反向电压的乘积超过PN结允许的耗散功率第三十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日扩散电容示意图3.2.5PN结的电容效应1.扩散电容CD：是由多数载流子在扩散过程中积累而引起存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小。当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。扩散电容CD：若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴(电子)扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，则若取微增量，则有第三十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日end是由PN结的空间电荷区变化形成的。势垒电容的大小可用下式表示：

：半导体材料的介电比系数；S

：结面积；l

：耗尽层宽度。2.势垒电容CB：当PN结处于反向偏置时，PN结内电场被加强，使耗尽区加宽，即其内的正负离子电荷数增加。外加电压的大小与离子电荷数有关。空间电荷区的正负离子电荷数的增减，类似于平行板电容器两极板上电荷的变化。由于PN结宽度

l

随外加电压U而变化，因此势垒电容Cb不是一个常数。第三十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

PN结总的结电容Cj

包括势垒电容Cb

和扩散电容Cd

两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为Cj

Cd；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为Cj

Cb。Cb和Cd值都很小，通常为几个皮法－几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。综上所述：第三十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日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

3.3.3二极管的主要参数第三十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日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。(a)面接触型(b)集成电路中的平面型(c)代表符号

(1)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。第三十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日(2)点接触型二极管点接触型

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。用于高频和数字电路，不能承受大电流和高反向电压。第三十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

3.3.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管2CP10的V-I特性第三十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管的死区电压Vth=0.5V左右；当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或门坎电压。当V＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。1.正向特性锗二极管的死区电压Vth=0.1V左右。硅二极管的正向导通电压为0.7V左右；锗二极管的正向导通电压为0.2V左右。第三十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日锗二极管2AP15的V-I特性当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS

。当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。2.反向特性当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：一般硅二极管的反向电流比锗管小得多3.反向击穿特性(略)第三十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

3.3.3二极管的主要参数1.最大整流电流IF指二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。2.反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM反向击穿电压VBR：二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。最大反向工作电压VRM：为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。3.反向电流IR在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。第四十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日4.极间电容Cd(CB、CD)在高频或开关状态下，必须考虑极间电容的影响。5.反向恢复时间TRR由于二极管PN结电容效应的存在，当其外加偏置电压极性反转时，其工作状态不会在瞬间完成。特别是从正向偏置变成反向偏置时，在反转瞬间二极管电流由正向变为反向，会出现瞬间较大的反向电流，如图3.3.4所示。图中IF为正向电流，IRM为最大反向恢复电流，TRR为反向恢复时间。反向恢复时间存在的主要原因是扩散电容CD的影响。CD↓TRR↓第四十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日3.4二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第四十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日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。第四十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日例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

这是一条斜率为－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第四十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I

特性的建模将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。(1)理想模型(a)V-I特性(b)代表符号(c)正向偏置时的电路模型(d)反向偏置时的电路模型正向偏置时二极管上压降为0V反向偏置时二极管上通过电流认为为0A第四十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日(a)V-I特性(b)电路模型

(a)V-I特性(b)电路模型

(2)恒压降模型(3)折线模型基本思想为二极管导通后，其上压降恒定(二极管电流iD必须近似≧1mA)。基本思想为二极管导通后，其上压降随iD的增加而增加，但呈线性变化。第四十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日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(Vm<<VDD),工作点将在Q′和Q〞间移动。(4)小信号模型在交流小信号作用下，将Q点附近小范围内的V－I

特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。第四十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日由得Q点处的微变电导(切线斜率)即在常温下(T=300K)：过Q点的切线可以等效成一个微变电阻rd:(a)V-I特性(b)电路模型由于在Q点处，vD>>VT=26mV，则第四十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日特别注意：小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。该模型主要用于二极管处于正向偏置条件下，且vD>>VT

。在高频或开关状态下运用，需要考虑二极管结电容的影响，可以得到如图3.4.7所示的等效高频电路模型。图3.4.7二极管的高频电路模型图(a)为完整模型，其中：rs半导体体电阻rd半导体结电阻CD半导体扩散电容CB半导体势垒电容由于rs通常很小，因此常采用图(b)所示模型：CdCD和CB的总效果正向偏置rd较小Cd≈CD反向偏置Cd≈CBrd较大第四十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日（1）整流电路(理想模型)(a)电路图(b)vs和vo的波形2．模型分析法应用举例由于vs为正弦波，因此根据图中电路可得：在其正半周时，二极管正向偏置，处于导通状态，vo≈vs在其负半周时，二极管反向偏置，处于截止状态，vo≈0该电路称为半波整流电路第五十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日例3.4.3图(a)中所示为简单硅二极管基本电路，R=10k，当VDD=10V和1V两种情况，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求电路的ID和VD，设折线模型中rD=0.2k。

当VDD=10V

时，折线模型（2）静态工作情况分析解：理想模型(a)简单二极管电路(b)习惯画法恒压模型(硅二极管典型值)(硅二极管典型值)第五十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

当VDD=1V

时：理想模型恒压模型折线模型该例表明，当电源电压远大于二极管压降时，恒压降模型计算结果较合理；当电源电压较低，折线模型较为合理。第五十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日（3）限幅电路例3.4.4电路如图(a)，R=1kΩ，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，(1)vI=0V、4V、6V时，求相应的输出电压vO；(2)当vI=6sintV时，绘出相应的输出电压vO的波形。解：(1)理想模型电路如图(b)所示。vI=0V，二极管截止，vo=vI=0；vI=4V，二极管导通，vo=VREF=3V；vI=6V，二极管导通，vo=VREF=3V；恒压降模型电路如图(c)所示，VD=0.7V(硅)。vI=0V，二极管截止，vo=vI=0；vI=4V，二极管导通，vo=VREF+VD=3.7V；vI=6V，二极管导通，vo=VREF+VD=3.7V；第五十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日(2)当vI=6sintV时，由于在正半周有一段幅值大于VREF，即在此段二极管导通，其它时候处于截止状态。对于理想模型：当vI≤VREF时，二极管截止，vo=vI；当vI＞VREF时，二极管导通，vo=VREF=3V；对于恒压降模型：当vI≤(VREF+VD)时，二极管截止，vo=vI；当vI＞VREF+VD时，二极管导通，vo=VREF+VD=3.7V；第五十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日（4）开关电路例3.4.5二极管开关电路如图所示，利用二极管理想模型求解：当vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值不同组合情况下，输出电压vo的值。解：图(b)为该开关电路的理想模型。(1)当vI1=0V，vI2=5V时D1正向偏置导通，vo=0；D2反向偏置截止。(2)当vI1=5V，vI2=5V时D1、D2均反向偏置截止，vo=5V

。其它组合情况类似，结果如书上表3.4.1中所示。第五十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日（5）低电压稳压电路低电压稳压电路如图3.4.12a所示。合理选择电路参数，可以获得稳定的输出电压vo，即二极管两端电压。如通过选择限流电阻R的大小，使静态工作点Q对应的电压正好为硅二极管的导通电压0.7V，则可获得稳定的0.7V电压输出。通过多个二极管串联，还可获得1V以上的稳定电压输出。假设直流电源VI产生ΔVI的波动，则原来的静态工作点Q开始在一定范围内波动，即输出电压有所变化，但如前所述该变化非常小。可以得到，若二极管的V-I

特性曲线越陡峭，即前述的微变电阻rd越小，则该Q点移动所带来的输出电压波动就越小，稳压特性就越好。第五十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日（6）小信号工作情况分析利用小信号模型分析二极管电路，一般分为四步：分析电路静态工作情况，求得静态工作点Q；根据Q点计算出微变电阻rd；分析电路小信号交流工作情况，求得交流电压和电流；最后将交流值与静态值叠加即可；例3.4.6在图3.4.13a所示的二极管电路中，VDD=5V，R=5kΩ

，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinωt(V)。(1)求输出电压vo的交流分量和总量；(2)绘出vo的波形