第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)和二極管2

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)主講人：王波辦公室：理學(xué)樓B-304電話mail:wangbo231@

■教材：

《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》第3版王遠主編■主要參考書：《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》華成英主編《電子技術(shù)基礎(chǔ)》（模擬部分）康華光主編課件：electronicswang@163.com密碼：wang204模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)■

學(xué)時:48■

先修課：物理、電路分析基礎(chǔ)。

■本課程為工科專業(yè)重要技術(shù)基礎(chǔ)課?！鋈腴T較困難，要多下功夫。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)■

一、電子技術(shù)的發(fā)展概述

■

二、課程的研究重點、研究內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法和主要特點

■三、課程的組織結(jié)構(gòu)■四、課程的要求■五、考核方式模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)電子技術(shù)的發(fā)展很大程度上反映在元器件的發(fā)展上。從電子管→晶體管→集成電路一、電子技術(shù)的發(fā)展概述電子管晶體管集成電路

第一臺電子計算機ENIAC（1946年）首臺晶體管計算機TRADIC（1954年）

首款使用集成電路的計算機IBM360（1964年）世界上第一款商用處理器：Intel4004（1971年）

半導(dǎo)體元器件的發(fā)展1904年電子管的誕生1947年貝爾實驗室制成第一只晶體管1958年集成電路1969年大規(guī)模集成電路1975年超大規(guī)模集成電路

■第一支晶體管的發(fā)明者美國貝爾實驗室JohnBardeen,WilliamSchockleyandWalterBrattain，于1956年獲諾貝爾物理學(xué)獎■第一個集成電路發(fā)明者美國德州儀器公司JackKilby，于2000年獲諾貝爾物理學(xué)獎。

■研究重點：模擬信號（在時間和幅度上均連續(xù)的信號）模擬電路（處理模擬信號的電路）二、課程的研究重點、研究內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法和主要特點■學(xué)習(xí)方法：重點掌握基本概念、基本電路和基本分析方法；注意電路的基本定理、定律在模擬電路中的應(yīng)用?！鲋饕懻摚耗M電路的基本概念、基本原理、基本分析方法及基本應(yīng)用（信號放大、運算、產(chǎn)生、濾波、轉(zhuǎn)換等）

■課程主要特點：1.工程性在電路分析中要建立“工程的概念”，學(xué)會合理近似，強調(diào)基本概念和定性分析。2.實踐性模擬電路具有很強的實踐性,實用電路幾乎都要通過調(diào)試才能達到預(yù)期設(shè)計指標。三、課程的組織結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件各種放大器單管放大器多級放大器功率放大器集成放大器負反饋放大電路的頻率響應(yīng)放大器的應(yīng)用信號處理波形產(chǎn)生與變換直流電源

第1章目錄第一章半導(dǎo)體基礎(chǔ)和二極管第二章雙極型晶體三極管和基本放大電路第三章場效應(yīng)晶體管和基本放大電路第四章多級放大電路和集成運算放大電路第五章功率放大電路第六章放大電路的頻率響應(yīng)第七章放大電路中的反饋第八章集成運算放大電路的線性應(yīng)用第九章波形發(fā)生電路和集成運放的非線性應(yīng)用第十章直流電源第十一章EDA技術(shù)與可編程序模擬器件模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

會看（電路的識別及定性分析）會算（電路的定量分析計算）會選（根據(jù)需求選擇電路形式）會調(diào)（掌握電路測試方法、儀器選用）四、課程的要求■期末考試占70%

半開卷，允許帶一張A4紙，不許打印和復(fù)印?！銎綍r成績占30%

考勤+小測驗+作業(yè)五、考核形式

第1章目錄第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)和二極管作業(yè)：習(xí)題：1-2、1-8、1-9、1-10

第1章半導(dǎo)體基礎(chǔ)和二極管1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2半導(dǎo)體二極管

第1章難點:

半導(dǎo)體中載流子的運動以及用載流子運動來說明半導(dǎo)體二極管工作原理。（是難點但不是重點。）本章的重點和難點重點：從使用的角度出發(fā)理解普通二極管、穩(wěn)壓二極管工作原理，掌握其外部特性及主要參數(shù)。1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識一、半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間常用的半導(dǎo)體材料為硅（Si）和鍺（Ge），它們均為四價元素1.1.1本征半導(dǎo)體在熱力學(xué)溫度零度和沒有外界激發(fā)時,本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。把純凈的沒有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體。

圖1.2本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅原子價電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴本征激發(fā)圖1-3本征半導(dǎo)體中的兩種載流子成對出現(xiàn)成對消失三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子電子和空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴本征激發(fā)復(fù)合成對出現(xiàn)成對消失本征激發(fā)和復(fù)合+4+4+4+4+4+4+4+4+4外電場方向空穴移動方向

電子移動方向

在外電場作用下，電子和空穴均能參與導(dǎo)電價電子填補空穴四、本征濃度在一定溫度條件下，產(chǎn)生與復(fù)合的過程雖然仍在不斷進行，但電子-空穴對卻保持一定的數(shù)目本征半導(dǎo)體載流子的濃度其中，Eg為半導(dǎo)體的激活能，T為絕對溫度，k為波耳茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K），K1為系數(shù)。常溫下：硅ni(pi)=1.4×1010/cm3

鍺ni(pi)=2.5×1013/cm3+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體一.N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的五價元素,如磷,則形成N型半導(dǎo)體。磷原子+4+5多余價電子自由電子正離子圖1-4N型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖少數(shù)載流子多數(shù)載流子正離子在N型半導(dǎo)體中,電子是多數(shù)載流子,

空穴是少數(shù)載流子但仍是電中性第1章1.1+4+4+4+4+4+4+4空穴二.P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的三價元素,如硼,則形成P型半導(dǎo)體。

+4+4硼原子填補空位+3負離子電子是少數(shù)載流子負離子空穴是多數(shù)載流子在P型半導(dǎo)體中,空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子。一、PN結(jié)的形成用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上,形成P型半導(dǎo)體區(qū)域和N型半導(dǎo)體區(qū)域,在這兩個區(qū)域的交界處就形成了一個PN結(jié)。1.1.3PN

結(jié)多子擴散少子漂移內(nèi)電場方向空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)

由于載流子的濃度差，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴散。這種由于濃度差引起的運動稱為擴散運動。

隨著擴散運動的進行，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，P區(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，這個不能移動的電荷區(qū)叫空間電荷區(qū)。因沒有載流子，也叫耗盡層、勢壘區(qū)、阻擋層。

由空間電荷區(qū)產(chǎn)生的、方向為N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場阻礙了擴散運動，同時使少子產(chǎn)生漂移運動，即N區(qū)的空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的電子向N區(qū)漂移。

當漂移運動和擴散運動達到動態(tài)平衡時，擴散電流等于漂移電流且方向相反，PN結(jié)中電流為零，PN結(jié)寬度及電位差Uho為恒定值。硅：（0.6～0.8）V；鍺：（0.1～0.3）V。在一定的條件下，多子擴散與少子漂移達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來。P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向二、PN結(jié)的特性1、PN結(jié)的單向?qū)щ娦詢?nèi)電場方向E外電場方向RIP區(qū)N區(qū)外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷N區(qū)電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷空間電荷區(qū)變窄

擴散運動增強，形成較大的正向電流（1）外加正向電壓(正偏)P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場方向ER空間電荷區(qū)變寬外電場方向IR（2）外加反向電壓(反偏)少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)正偏時的正向電流是擴散電流，數(shù)值較大,此時容易導(dǎo)電；PN結(jié)反偏時的反向電流是漂移電流，數(shù)值很小，幾乎不導(dǎo)電;2、PN結(jié)的伏安特性及其表達式I/mAU/VIs為反向飽和電流，常溫時：UT≈26mV溫度對反向電流的影響：T↑，少子↑，IS↑PN加正向電壓，且U>>UT時，PN加反向電壓，且U

>>UT時，3、PN結(jié)的擊穿特性當PN結(jié)反向電壓超過一定數(shù)值UBR后，反向電流急劇增加，該現(xiàn)象稱為反向擊穿，UBR稱為反向擊穿電壓齊納擊穿雪崩擊穿雪崩擊穿：摻雜濃度低，當反向電壓比較大時，耗盡層中的少子加快漂移速度，撞擊共價鍵，形成電子-空穴對，新的電子和空穴在電場的作用下加速運動，撞出新的價電子。載流子雪崩式倍增，導(dǎo)致電流急劇增加。一般在7V以上。齊納擊穿：在摻雜濃度高的情況下，不大的反向電壓可以在耗盡層產(chǎn)生很強的電場，直接破壞共價鍵，形成電子-空穴對，導(dǎo)致電流急劇增加。硅材料一般在4V以下。在4～7V之間，兩者都有。

（1）勢壘電容CB

PN結(jié)中空間電荷的數(shù)量隨外加電壓變化所形成的電容稱為勢壘電容。PN結(jié)電容勢壘電容擴散電容4、PN結(jié)的電容效應(yīng)S：PN結(jié)面積

d：PN結(jié)寬度ε：半導(dǎo)體介電常數(shù)非平衡少子在擴散過程中存在濃度差，擴散區(qū)內(nèi)積累的電荷量隨外加電壓變化而變化，所形成的電容稱為擴散電容

。（2）擴散電容CDI：正向電流UT：溫度電壓當量

τ：非平衡少子的壽命PN結(jié)的結(jié)電容CJ為勢壘電容CB與擴散電容CD之和，即CJ=CB+CD

符號陽極陰極1.2半導(dǎo)體二極管

+SiO2保護層P型區(qū)—平面型N型硅PN結(jié)點接觸型

+觸絲N型鍺支架外殼—PN結(jié)1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型U/V1.2.2二極管的伏安特性一、正向特性

閾值電壓Uth:使二極管開始導(dǎo)通的電壓硅管Uon=0.5V鍺管Uon=0.1V導(dǎo)通電壓：硅(0.6～0.8)V(取0.7V）鍺(0.1～0.3)V(取0.2V）I/mA正向特性反向擊穿特性反向特性UthU/V二、反向特性加反向電壓時，反向電流很小。（與電壓基本無關(guān)）I/mA正向特性反向擊穿特性反向特性Uth三、擊穿特性當二極管承受的反向電壓超過擊穿電壓UBR后，反向電流急劇增加。材料開啟電壓UON

（V）導(dǎo)通電壓（V）反向飽和電流（A）硅≈0.50.6—0.8<0.1鍺≈0.10.1—0.3幾十兩種不同材料構(gòu)成的二極管的比較:1.2.3二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IF2.最大反向工作電壓UR二極管長期運行時允許通過的最大正向平均電流，由PN結(jié)面積及散熱條件決定。二極管在使用時所允許加的最大反向電壓，通常為擊穿電壓的一半。3、反向電流IR4、最高工作頻率fM二極管未擊穿時的反向電流值。主要由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。超過此值，單向?qū)щ娦宰儾睢?/p>

二極管的應(yīng)用范圍很廣,它可用于整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。1.2.4半導(dǎo)體二極管的型號及選擇一、半導(dǎo)體器件型號命名方法第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分數(shù)字表示器件的電極數(shù)拼音字母表示器件的材料和極性拼音字母表示器件的類別數(shù)字表示序號拼音表示規(guī)格號2CP10:N型硅材料小信號二極管。二、選用二極管的一般原則1、要求導(dǎo)通后正向壓降小的選鍺管；要求反向電流小選硅管。2、工作電流大時選面接觸型；工作頻率高時選點接觸型。3、反向擊穿電壓高時選硅管。4、要求耐高溫時選硅管。1.2.5二極管的等效電路一、理想二極管等效模型I/mAU/V符號：正偏時壓降為零；反偏時電流為零。二極管具有非線性的伏安特性，為便于分析，在一定條件下，對其進行線性化處理，建立二極管的“線性模型”。根據(jù)二極管的不同工作狀態(tài)及分析精度的要求，可選擇不同的模型。二、理想二極管恒壓源模型符號：Uon只有正偏電壓超過導(dǎo)通電壓，二極管才導(dǎo)通，其兩端電壓為常數(shù)；否則二極管不導(dǎo)通，電流為零。Uon是二極管的導(dǎo)通電壓I/mAU/VUon0除直流信號外，又引入微小變化的信號，可以用伏安特性在Q處的切線近似表示實際的這段曲線。此切線斜率的倒數(shù)為二極管在Q處的動態(tài)電阻等效電阻三、微變信號模型UDQ△IDI/mAU/V△UDIDQQ△U+-△IDrd動態(tài)電阻與直流工作點位置有關(guān)1.2.6半導(dǎo)體二極管應(yīng)用舉例1、串聯(lián)限幅電路二極管與負載電阻串聯(lián)Ui負半周或數(shù)值小于導(dǎo)通電壓，二極管截止，uo＝0ui正半周且數(shù)值大于導(dǎo)通電壓，二極管導(dǎo)通，2、并聯(lián)限幅電路二極管與負載電阻并聯(lián)ui正半周且數(shù)值大于導(dǎo)通電壓，二極管導(dǎo)通，uo＝ＵonUi負半周或數(shù)值小于導(dǎo)通電壓，二極管截止，uo＝ui3、雙向限幅電路二極管反向并聯(lián)在輸出端限制了輸出信號的正負幅度uo＝Ｕon討論如何判斷二極管的工作狀態(tài)如何選擇二極管的等效電路VS正極負極1、穩(wěn)壓管的伏