模擬電子技術基礎(第4版)ppt課件

1、華成英 第一章 半導體二極管和三極管 華成英 第一章 半導體二極管和三極管 1.1 1.1 半導體基礎知識半導體基礎知識 1.2 1.2 半導體二極管半導體二極管 1.3 1.3 晶體三極管晶體三極管 華成英 1 半導體基礎知識 一、本征半導體一、本征半導體 二、雜質半導體二、雜質半導體 三、三、PNPN結的形成及其單向導電性結的形成及其單向導電性 四、四、PNPN結的電容效應結的電容效應 華成英 一、本征半導體 導電性介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。導電性介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。 本征半導體是純凈的晶體結構的半導體。本征半導體是純凈的晶體結構的半導體。 1 1、什么是半導

2、體？什么是本征半導體？、什么是半導體？什么是本征半導體？ 導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電 子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原 子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導 電。電。 半導體硅（半導體硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原），均為四價元素，它們原 子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間

3、。子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。 無雜質無雜質穩(wěn)定的結構穩(wěn)定的結構 華成英 2、本征半導體的結構 由于熱運動，具有足夠能量由于熱運動，具有足夠能量 的價電子掙脫共價鍵的束縛的價電子掙脫共價鍵的束縛 而成為自由電子而成為自由電子 自由電子的產生使共價鍵中自由電子的產生使共價鍵中 留有一個空位置，稱為空穴留有一個空位置，稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。 共價鍵共價鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高， 熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對熱運動

4、加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對 的濃度加大。的濃度加大。 動態(tài)平衡動態(tài)平衡 華成英 兩種載流子兩種載流子 外加電場時，帶負電的自由電外加電場時，帶負電的自由電 子和帶正電的空穴均參與導電，子和帶正電的空穴均參與導電， 且運動方向相反。由于載流子數且運動方向相反。由于載流子數 目很少，故導電性很差。目很少，故導電性很差。 為什么要將半導體變成導電性很差的本征半導體？ 3、本征半導體中的兩種載流子 運載電荷的粒子稱為載流子。運載電荷的粒子稱為載流子。 溫度升高，熱運動加劇，載溫度升高，熱運動加劇，載 流子濃度增大，導電性增強。流子濃度增大，導電性增強。 熱力學溫度熱力學溫度0K時不導

5、電。時不導電。 華成英 二、雜質半導體 1. N N型半導體 5 磷（磷（P） 雜質半導體主要靠多數載流雜質半導體主要靠多數載流 子導電。摻入雜質越多，多子子導電。摻入雜質越多，多子 濃度越高，導電性越強，實現濃度越高，導電性越強，實現 導電性可控。導電性可控。 多數載流子多數載流子 空穴比未加雜質時的數目多空穴比未加雜質時的數目多 了？少了？為什么？了？少了？為什么？ 華成英 2. 2. P型半導體 3 硼（硼（B） 多數載流子多數載流子 P型半導體主要靠空穴導電，型半導體主要靠空穴導電， 摻入雜質越多，空穴濃度越高，摻入雜質越多，空穴濃度越高， 導電性越強，導電性越強， 在雜質半導體中，溫

6、度變化時，在雜質半導體中，溫度變化時， 載流子的數目變化嗎？少子與多載流子的數目變化嗎？少子與多 子變化的數目相同嗎？少子與多子變化的數目相同嗎？少子與多 子濃度的變化相同嗎？子濃度的變化相同嗎？ 華成英 三、PN結的形成及其單向導電性 物質因濃度差而產生的運動稱為擴散運動。氣物質因濃度差而產生的運動稱為擴散運動。氣 體、液體、固體均有之。體、液體、固體均有之。 擴散運動擴散運動 P區(qū)空穴區(qū)空穴 濃度遠高濃度遠高 于于N區(qū)。區(qū)。 N區(qū)自由電區(qū)自由電 子濃度遠高子濃度遠高 于于P區(qū)。區(qū)。 擴散運動使靠近接觸面擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面 N區(qū)的自

7、由電子濃度降低，產生內電場。區(qū)的自由電子濃度降低，產生內電場。 華成英 PN 結的形成 因電場作用所產因電場作用所產 生的運動稱為漂移生的運動稱為漂移 運動。運動。 參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，達到動態(tài)參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，達到動態(tài) 平衡，就形成了平衡，就形成了PN結。結。 漂移運動漂移運動 由于擴散運動使由于擴散運動使P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數載流子，形成區(qū)的交界面缺少多數載流子，形成 內電場，從而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從內電場，從而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從N區(qū)向區(qū)向P 區(qū)、自由電子從區(qū)、自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運動。區(qū)運動。 華成英

8、PN結加正向電壓導通：結加正向電壓導通： 耗盡層變窄，擴散運動加耗盡層變窄，擴散運動加 劇，由于外電源的作用，形劇，由于外電源的作用，形 成擴散電流，成擴散電流，PNPN結處于導通結處于導通 狀態(tài)。狀態(tài)。 PN結加反向電壓截止：結加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴散運動，耗盡層變寬，阻止擴散運動， 有利于漂移運動，形成漂移電有利于漂移運動，形成漂移電 流。由于電流很小，故可近似流。由于電流很小，故可近似 認為其截止。認為其截止。 PN 結的單向導電性 必要嗎？必要嗎？ 華成英 清華大學 華成英 四、PN 結的電容效應 1. 勢壘電容 PN結外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變結外加電壓變

9、化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變 化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相 同，其等效電容稱為勢壘電容同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。 2. 擴散電容 PN結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子 的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的 過程，其等效電容稱為擴散電容過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。 dbj CCC結電容：結電容： 結電容不是常量！若結電容不是常量！若PN結外加電壓頻率高到一定程度，結外加電壓頻率高到一定程度， 則失去單向導電性！則

10、失去單向導電性！ 華成英 問題 為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制 成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜， 改善導電性能？改善導電性能？ 為什么半導體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還為什么半導體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還 是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？ 為什么半導體器件有最高工作頻率？為什么半導體器件有最高工作頻率？ 華成英 2 半導體二極管 一、二極管的組成一、二極管的組成 二、二極管的伏安特性及電流方程二、二極管的伏安特性及電流方程 三、二極管的等效電路三、二極管的等

11、效電路 四、二極管的主要參數四、二極管的主要參數 五、穩(wěn)壓二極管五、穩(wěn)壓二極管 華成英 一、二極管的組成 將將PN結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。 小功率小功率 二極管二極管 大功率大功率 二極管二極管 穩(wěn)壓穩(wěn)壓 二極管二極管 發(fā)光發(fā)光 二極管二極管 華成英 一、二極管的組成 點接觸型：結面積小，點接觸型：結面積小， 結電容小，故結允許結電容小，故結允許 的電流小，最高工作的電流小，最高工作 頻率高。頻率高。 面接觸型：結面積大，面接觸型：結面積大， 結電容大，故結允許結電容大，故結允許 的電流大，最高工作的電流大，最高工作 頻率低。頻率低。 平面型

12、：結面積可小、平面型：結面積可小、 可大，小的工作頻率可大，小的工作頻率 高，大的結允許的電高，大的結允許的電 流大。流大。 華成英 二、二極管的伏安特性及電流方程 材料材料開啟電壓開啟電壓導通電壓導通電壓反向飽和電流反向飽和電流 硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下 鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A )(ufi 開啟開啟 電壓電壓 反向飽反向飽 和電流和電流 擊穿擊穿 電壓電壓 mV)26( ) 1e ( TS T UIi U u 常溫下 溫度的溫度的 電壓當量電壓當量 二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。 華成英 華成英 利用Multi

13、sim測試二極管伏安特性 華成英 從二極管的伏安特性可以反映出：從二極管的伏安特性可以反映出： 1. 單向導電性單向導電性 T e ST U u IiUu，則若正向電壓 ) 1e ( T S U u Ii 2. 伏安特性受溫度影響伏安特性受溫度影響 T（）在電流不變情況下管壓降在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移 正向特性為正向特性為 指數曲線指數曲線 反向特性為橫軸的平行線反向特性為橫軸的平行線 增大增大1倍倍/10 ST IiUu，則若反向電壓 華成英 三、二極管的等效電路 理想理想 二極管二極管 近

14、似分析近似分析 中最常用中最常用 理想開關理想開關 導通時導通時 UD0 截止時截止時IS0 導通時導通時UDUon 截止時截止時IS0 導通時導通時i與與u 成線性關系成線性關系 應根據不同情況選擇不同的等效電路！應根據不同情況選擇不同的等效電路！ 1. 將伏安特性折線化 ？ 100V？5V？1V？ 華成英 2. 微變等效電路 D T D D d I U i u r 根據電流方程， Q越高，越高，rd越小。越小。 當二極管在靜態(tài)基礎上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極當二極管在靜態(tài)基礎上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極 管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。管等效為一個電阻，稱為動態(tài)

15、電阻，也就是微變等效電路。 ui=0時直流電源作用時直流電源作用 小信號作用小信號作用 靜態(tài)電流靜態(tài)電流 華成英 四、二極管的主要參數 最大整流電流最大整流電流IF：最大平均值：最大平均值 最大反向工作電壓最大反向工作電壓UR：最大瞬時值：最大瞬時值 反向電流反向電流 IR：即：即IS 最高工作頻率最高工作頻率fM：因：因PN結有電容效應結有電容效應 第四版第四版P20 華成英 討論：解決兩個問題解決兩個問題 如何判斷二極管的工作狀態(tài)？如何判斷二極管的工作狀態(tài)？ 什么情況下應選用二極管的什么等效電路？什么情況下應選用二極管的什么等效電路？ uD=ViR Q ID UD R uV i D D V

16、與與uD可比，則需圖解：可比，則需圖解： 實測特性實測特性 對對V和和Ui二極管二極管的模的模 型有什么不同？型有什么不同？ 華成英 五、穩(wěn)壓二極管 1. 伏安特性 進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流 不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流 由一個由一個PN結組結組 成，反向擊穿后成，反向擊穿后 在一定的電流范在一定的電流范 圍內端電壓基本圍內端電壓基本 不變，為穩(wěn)定電不變，為穩(wěn)定電 壓。壓。 2. 主要參數 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流、穩(wěn)定電流IZ 最大功耗最大功耗PZM IZM UZ動態(tài)電阻動態(tài)電阻rzUZ /IZ 若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會若穩(wěn)壓管的電

17、流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會 因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電 流的限流電阻！流的限流電阻！ 限流電阻限流電阻 斜率？斜率？ 華成英 1.3 1.3 晶體三極管 一、晶體管的結構和符號一、晶體管的結構和符號 二、晶體管的放大原理二、晶體管的放大原理 三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性 四、溫度對晶體管特性的影響四、溫度對晶體管特性的影響 五、主要參數五、主要參數 華成英 一、晶體管的結構和符號 多子濃度高多子濃度高 多子濃度很多子濃度很 低，且很薄低，且很薄 面積大面積大 晶體管

18、有三個極、三個區(qū)、兩個晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結。結。 小功率管小功率管 中功率管中功率管 大功率管大功率管 為什么有孔？為什么有孔？ 華成英 二、晶體管的放大原理 （集電結反偏），即 （發(fā)射結正偏） 放大的條件 BECECB onBE 0uuu Uu 擴散運動形成發(fā)射極電流擴散運動形成發(fā)射極電流IE，復合運動形成基極電，復合運動形成基極電 流流IB，漂移運動形成集電極電流，漂移運動形成集電極電流IC。 少數載流少數載流 子的運動子的運動 因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量 電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū) 因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少因基區(qū)薄且多子濃度低，使

19、極少 數擴散到基區(qū)的電子與空穴復合數擴散到基區(qū)的電子與空穴復合 因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大 部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)部分擴散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū) 基區(qū)空穴基區(qū)空穴 的擴散的擴散 華成英 電流分配：電流分配： I IE EI IB BI IC C I IE E擴散運動形成的電流擴散運動形成的電流 I IB B復合運動形成的電流復合運動形成的電流 I IC C漂移運動形成的電流漂移運動形成的電流 CBOCEO B C B C )(1 II i i I I 穿透電流穿透電流 集電結反向電流集電結反向電流 直流電流直流電流 放大系數放大系數 交流電流放

20、大系數交流電流放大系數 為什么基極開路集電極回為什么基極開路集電極回 路會有穿透電流？路會有穿透電流？ 華成英 三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性 CE )( BEBU ufi 為什么為什么UCE增大曲線右移？增大曲線右移？ 對于小功率晶體管，對于小功率晶體管，UCE大于大于1V的一條輸入特性曲線的一條輸入特性曲線 可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有輸入特性曲線。的所有輸入特性曲線。 為什么像為什么像PN結的伏安特性？結的伏安特性？ 為什么為什么UCE增大到一定值曲線增大到一定值曲線 右移就不明顯了？右移就不明顯了？ 1. 輸入特性 華成英 2. 輸出特性 B )( CECI ufi 是

21、常數嗎？什么是理想晶體管？什么情況下是常數嗎？什么是理想晶體管？什么情況下 ? 對應于一個對應于一個IB就有一條就有一條iC隨隨uCE變化的曲線。變化的曲線。 為什么為什么uCE較小時較小時iC隨隨uCE變變 化很大？為什么進入放大狀態(tài)化很大？為什么進入放大狀態(tài) 曲線幾乎是橫軸的平行線？曲線幾乎是橫軸的平行線？ 飽和區(qū)飽和區(qū) 放大區(qū)放大區(qū) 截止區(qū)截止區(qū) B i C i 常量 CE B C U i i 華成英 晶體管的三個工作區(qū)域 晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流晶體管工作在放大狀態(tài)時，輸出回路的電流 iC幾乎僅僅幾乎僅僅 決定于輸入回路的電流決定于輸入回路的電流 iB，即可將輸出回路等效為電流，即可將