模拟电子技术电子N.pptx

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1、教学目标 本章应重点掌握以下内容：n半导体二极管的单向导电特性、伏安特性以及主要电参数。n硅稳压二极管的伏安特性、稳压原理及主要电参数。n晶体管的放大作用、输入特性曲线和输出特性曲线、主要参数、温度对参数的影响。第1页/共70页教学内容1.1 半导体基础知识1.2 PN结 1.3 半导体三极管第2页/共70页1.11.1 半导体基础知识 1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体第3页/共70页1.1.11.1.1 本征半导体根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。第4页/共70页1.1.11.1.1 本征半导体半导体

2、硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。原子序号分别为14（2、8、4）和32（2、8、18、4）。Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子第5页/共70页1.1.11.1.1 本征半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。第6页/共70页1.1.11.1.1 本征半导体在硅和锗晶体中，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。共价键共用电子对+4+4表示除去价电子后的原子+4+4+4+4第7页/共70页1.1.11.1.1 本征半导体形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。+4+4+4+4l共价键有很强的结合共价

3、键有很强的结合力，使原子规则排列，力，使原子规则排列，形成晶体。形成晶体。第8页/共70页1.1.11.1.1 本征半导体在绝对温度0K(-273)时，本征半导体中的电子受原子核的束缚，故该半导体不存在能导电的粒子，从而呈现绝缘体的性能。绝对温度=273+摄氏温度+4+4+4+4第9页/共70页1.1.11.1.1 本征半导体共价键中的价电子受激发获得能量并摆脱共价键的束缚成为“自由电子”，并在原共价键的位置上形成一个“空穴”，这一过程称为本征激发。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图13 本征半导体中的自由电子和空穴空穴自由电子第10页/共70页1.1.11.1.1 本征半导体电子和空穴均

4、是能够自由移动的带电粒子，称为载流子。电子带负电荷，空穴带正电荷。+4+4+4+4第11页/共70页1.1.11.1.1 本征半导体载流子在电场作用下的定向运动称为漂移.本征半导体中自由电子数ni等于空穴数pi，即nipi.+4+4+4+4第12页/共70页1.1.11.1.1 本征半导体产生自由电子和空穴对的同时，部分电子也失去能量返回到共价键处，使自由电子和空穴对消失，此过程称为载流子的复合。+4+4+4+4第13页/共70页1.1.11.1.1 本征半导体空穴在电场作用下定向移动形成电流，实际上是共价键中的价电子在作填补空穴的移动，方向与空穴移动的方向相反。+4+4+4+4第14页/共7

5、0页1.1.11.1.1 本征半导体本征半导体的载流子浓度，除与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。因此，本征载流子的浓度对温度十分敏感。+4+4+4+4第15页/共70页本征半导体特点n 本征激发产生成对电子和空穴。n 温度越高，电子空穴对的浓度越大。外部条件一定时，不断有本征激发产生新的电子和空穴，也不断有电子与空穴复合而消失，达到动态平衡。室温下，电子、空穴对浓度较低，故电阻率大，导电性能差。第16页/共70页 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。T T=300 K=300 K室温下室温下,本征硅的

6、电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n n=p p=1.410=1.4101010/cm/cm3 3某种掺杂半导体中的自由电子浓度某种掺杂半导体中的自由电子浓度:n=n=5105101616/cm/cm3 3第17页/共70页 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺为了尽量保持半导体的原有晶体结构，掺入的杂质主要是微量的价电子数较为接近入的杂质主要是微量的价电子数较为接近的的三价三价或或五价五价元素。元素。第18页/共70页 N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。的半导体。P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼

7、）掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。的半导体。第19页/共70页NN型半导体因五价杂质原子中只有因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自键束缚而很容易形成自由电子。由电子。+4+4+4+4+5+4+4+4+4键外电子施主原子图14 N型半导体共价键结构第20页/共70页NN型半导体在在N N型半导体中型半导体中自由电子是自由电子是多数载流子，多数载流子，它主要由杂它主要由杂质原子提供；质原子提供；空穴是少数空穴是少数载流子载流子,由热激

8、发形成。由热激发形成。+4+4+4+4+5+4+4+4+4键外电子施主原子图14 N型半导体共价键结构提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。第21页/共70页P P型半导体因三价杂质原子在与硅因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。键中留下一个空穴。+4+4+4+4+3+4+4+4+4图15 P型半导体的共价键结构受主原子空位第22页/共70页P P型半导体在在P P型半导体中型半导体中空穴是多

9、空穴是多数载流子，数载流子，它主要由掺杂它主要由掺杂形成；形成；自由电子是少数载自由电子是少数载流子，流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质因而也称为三价杂质因而也称为受主杂质受主杂质。+4+4+4+4+3+4+4+4+4图15 P型半导体的共价键结构受主原子空位第23页/共70页本节中的有关概念本征半导体、杂质半导体自由电子、空穴N型半导体、P型半导体多数载流子、少数载流子第24页/共70页1.2 1.2 PNPN结 PN结的单向导电特性 PN结的击穿特性 PN结的电容效应第25页/共70页 P型和N型半导

10、体相接触，其交界面两侧由于载流子的浓度差，产生扩散运动，形成扩散电流-+-+耗尽层空间电荷区自键场PNPN(a)多数载流子的扩散运动(b)平衡时阻挡层形成图16 PN结的形成第26页/共70页扩散时将分别留下带正、负电荷的杂质离子，形成空间电荷和自建场在该电场作用下，载流子作漂移运动，其方向与扩散方向相反，阻止扩散，平衡时扩散运动与漂移运动相等。-+-+耗尽层空间电荷区自键场PNPN(a)多数载流子的扩散运动(b)平衡时阻挡层形成图16 PN结的形成第27页/共70页PNPN结的单向导电特性当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区区的电位高于的电位高于N N区的电位，区的电位，称为加称

11、为加正向电压正向电压，简称，简称正正偏偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。加正向电压时，加正向电压时，PNPN结处结处于导通状态，其正向电流于导通状态，其正向电流随正向电压增大而增大。随正向电压增大而增大。第28页/共70页PNPN结正向偏置结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，扩散内电场减弱，使扩散加强，扩散 飘移飘移，正向电流大，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流第29页/共70页PNPN结反向偏置结反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流

12、很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小，A级级第30页/共70页PNPN结的单向导电特性其中其中I IS S 反向饱和电流反向饱和电流U UT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300KT=300K）第31页/共70页PNPN结的击穿特性当当PNPN结的反向电压增加到结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为然快速增加，此现象称为PNPN结的结的反向击穿。反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆第32页/共70页PNPN结的电容效应PNPN结结电电压压变变化化，阻阻挡挡层层厚

13、厚度度也也发发生生变变化化，从从而而引引起起阻阻挡挡层层内内电电荷荷变变化化。此此种种电电容容称称为为势势垒垒电电容容C CT T。1.1.势垒电容势垒电容C CT T势垒电容示意图第33页/共70页PNPN结的电容效应PNPN结结正正向向运运用用时时，多多数数载载流流子子在在扩扩散散过过程程中中引引起起电电荷荷积积累累，正正向向电电压压变变化化，其其积积累累的的电电荷荷也也变变化化，此此种种电电容容称称为为扩扩散电容散电容C CD D。2.2.扩散电容扩散电容C CD D扩散电容示意图第34页/共70页PNPN结的电容效应一一般般情情况况下下，PNPN结结加加正正向向电电压压时时，扩扩散散电

14、电容容C CD D 起主要作用。起主要作用。加加反反向向电电压压时时，势势垒垒电电容容C CT T起主要作用。起主要作用。PNPN结结电电容容均均随随外外加加电电压压变化而变化。变化而变化。第35页/共70页1.基本结构基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PN符号符号阳极阳极阴极阴极PN第36页/共70页2.分类分类二极管按结构分二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型有点接触型、面接触型和平面型三大类。三大类。(1)(1)点接触型二极管点接触型二极管点接触型 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。第37页/共70页(3)(3)

15、平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。往往用于集成电路制造艺中。PN PN 结面积结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)(2)面接触型二极管面接触型二极管 PNPN结面积大，用于低频大电流整结面积大，用于低频大电流整流电路。流电路。面接触型平面型第38页/共70页半导体二极管图片第39页/共70页半导体二极管图片第40页/共70页第41页/共70页二极管伏安特性二极管伏安特性UI导通压降:硅管0.7V,锗管0.2V。反向击穿电压U(BR)反向漏电流（很小，A A级）死区电压 硅管0.60.8V,锗管0.10.3V。第42页/共70页二

16、极管伏安特性二极管伏安特性锗二极管2 2AP15AP15的V V-I I 特性正向特性反向特性反向击穿特性第43页/共70页二极管的主要参数二极管的主要参数有：n最大整流电流IFn最大反向工作电压URn反向电流IRn直流电阻RDn交流电阻rdn最高工作频率fM 第44页/共70页1.1.稳压特性稳压特性(a)符号(b)伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。极管稳压时工作在反向电击穿状态。I IZ Z很大，很大，V VZ Z很小。很小。第45页/共70页(1)(1)稳定电压稳定电压V VZ Z(2)(2)动态电阻动态

17、电阻r rZ Z 在规定的稳压管反向工作在规定的稳压管反向工作电流电流IZIZ下，所对应的反向下，所对应的反向工作电压。工作电压。r rZ Z=V VZ Z/I IZ Z(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 P PZMZM V VZ ZI IZ Z(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 I IZmax Zmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 I IZminZmin(5)(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 V VZ Z2.2.稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数第46页/共70页RLuiuOuiuott二极管半波整流二极管半波整流第47页/共70页第48页/共70页第49页/共

18、70页第50页/共70页1.3 1.3 半导体三极管第51页/共70页三极管是组成各种电子线路的核心器件 第52页/共70页 两个PN结：发射结和集电结三个区域：发射区、基区、集电区三个极：发射极、基极、集电极NPNcbePNPcbecbe集电极c集电结集电区基极b基区发射区发射极e发射结（a)NPN(b)PNP图129 三极管的结构示意图和符号第53页/共70页第54页/共70页为实现放大，三极管应满足下列条件(1)发射区重掺杂，(2)基区很薄；(3)集电结面积大，(4)发射结正向偏置，集电结反向偏置 第55页/共70页 三极管的结构特点BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄

19、，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高第56页/共70页三极管的电流放大原理BECNNPEBRBEcIE1IB进入进入P P区的电子少部分与基区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流区的空穴复合，形成电流I IB B,多数扩散到集电结。多数扩散到集电结。发射结正偏，发发射结正偏，发射区电子不断向射区电子不断向基区扩散，形成基区扩散，形成发射极电流发射极电流I IE E。第57页/共70页BECNNPEBRBEcIE从基区扩散来的从基区扩散来的电子漂移进入集电子漂移进入集电结而被收集，电结而被收集，形成形成I IC C。IC2I

20、CIB三极管的电流放大原理第58页/共70页三极管的电流放大原理实现这一传输过程的两个条件是：实现这一传输过程的两个条件是：（1 1）内部条件：内部条件：发射区杂质浓度远大于基区发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。杂质浓度，且基区很薄。（2 2）外部条件：外部条件：发射结正向偏置，集电结反发射结正向偏置，集电结反向偏置。向偏置。综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。的。第59页/共70页静态电流放大倍数静态电流放大倍数静态电流放大倍数，动态

21、电流放大倍数静态电流放大倍数，动态电流放大倍数 =IC/IBIC=IB动态电流放大倍数动态电流放大倍数IB：IB+IBIC：IC+IC =IC/IB一般认为：一般认为：=，近似为一常数，近似为一常数，值范围：值范围：20100 IC=IB第60页/共70页电流分配关系：电流分配关系：I IE E=I IB B+I IC CI IC C=I IB B第61页/共70页I ICBOCBO为为c c结少数载流子形成的反向饱和电流；结少数载流子形成的反向饱和电流；I ICEOCEO为为I IB Bo o时，时，c c、e e橙之间的穿透电流；橙之间的穿透电流；为共基极电流放大系数；为共基极电流放大系数

22、；为共发射极电流放大系数。为共发射极电流放大系数。第62页/共70页第63页/共70页输入特性曲线的三个部分输入特性曲线的三个部分 死区死区 非线性区非线性区 线性区线性区1.1.输入特性曲线输入特性曲线第64页/共70页2、输出特性、输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A放大区：放大区：当当U UCECE大于一定的数值时，大于一定的数值时，I IC C只与只与I IB B有关有关I IC C=I IB B,且且 I IC C=I IB B 。发射结正向偏置，集电结反向偏发射结正向偏置，集电结反向偏置置 。截止区截止区:I IB

23、B=0,I=0,IC C=I=ICEOCEO ,U,UBEBE IIC C，U UCECE 0.3V0.3V。两个结两个结均处于正向偏置。均处于正向偏置。第65页/共70页 (1)电流放大系数或，主要表征管于的放大能力。一般二者关系为：=/（1+）=/（1-）第66页/共70页 (2)极间反向电流：ICBO 集电极一基极反向饱和电流。ICEO 穿透电流，与ICBO的关系为 ICEO=（1+）ICBO它们是由少数载流子形成的，与温度有关。第67页/共70页 (3)极限参数：ICM 集电极最大允许电流。PCM 集电极最大允许功率损耗。BUCBO、BUCEO、BUEBO 三极管的击穿电压。ICM、PCM、BUCEO共同确定三极管的安全工作区。第68页/共70页T(温度)、ICBO、ICEO、|UBE|IC 第69页/共70页感谢您的观看。第70页/共70页