模擬電子技術(shù)第一章ppt

1.1.1PN結(jié)的形成第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1PN結(jié)半導(dǎo)體的特點：

1.導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間

2.對溫度或者光照敏感

3.摻雜后導(dǎo)電性能變化明顯常用的半導(dǎo)體材料：

硅、鍺、硒一些氧化物硫化物等1.本征半導(dǎo)體硅原子結(jié)構(gòu)示意圖鍺原子結(jié)構(gòu)示意圖+4原子結(jié)構(gòu)簡化圖晶體平面結(jié)構(gòu)將鍺和硅材料提純并形成單晶體后，所有原子便基本上整齊排列。晶體立體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體一般都有這種晶體結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體就是完全純凈的，具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中，每個原子與相鄰的四個原子結(jié)合，每一個原子的一個價電子與另一個原子的一個價電子組成一個共用電子對，把相鄰的兩個原子結(jié)合起來，形成共價鍵結(jié)構(gòu)。共價鍵對價電子的束縛力較弱，

在獲得一定能量（溫度增高或受光照）后，

即可掙脫原子核的束縛（電子受到激發(fā)）成為自由電子。同時，在原來的共價鍵中留下一個空位，稱為空穴。

本征激發(fā)（主要是熱激發(fā)）使空穴和自由電子成對產(chǎn)生；它們相遇復(fù)合時，成對消失。

當(dāng)溫度一定時，激發(fā)和復(fù)合動態(tài)平衡，“空穴、電子對”濃度一定。在外電場的作用下價電子受電場作用填補空穴，同時產(chǎn)生新的空穴，這種空穴轉(zhuǎn)移可看作帶正電的粒子在外電場的作用下沿著上述價電子相反的方向轉(zhuǎn)移，形成空穴電流，即空穴也參與導(dǎo)電。U自由電子受電場作用轉(zhuǎn)移，形成電子電流。在半導(dǎo)體中有兩種帶電粒子--載流子：帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。同時存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式特點，

也是半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電原理的本質(zhì)區(qū)別。2．摻雜半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體硅或鍺中摻入微量的其它適當(dāng)元素，

這類半導(dǎo)體稱為摻雜半導(dǎo)體。能使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力成千上萬倍的提高。根據(jù)摻雜的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。（1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中，摻入少量五價雜質(zhì)元素，如磷、砷：電子是多數(shù)載流子（空穴是少數(shù)載流子），簡稱多子。電子帶負(fù)電，所以稱這種半導(dǎo)體為N(negative)型或電子型半導(dǎo)體。所摻入的雜質(zhì)能給出電子，稱為施主雜質(zhì)。加入雜質(zhì)后，雜質(zhì)P原子替代某些硅原子。雜質(zhì)原子的五個價電子中，只能有四個價電子與相鄰的四個硅原子的價電子組成共價鍵，多余的那個價電子很容易受激發(fā)脫離原核的束縛成為自由電子，但并不同時產(chǎn)生空穴，

相應(yīng)的五價元素的原子因失去一個電子而成為不能自由移動的正離子，摻入的雜質(zhì)密度足夠大時，有大量的自由電子產(chǎn)生。(2)P型半導(dǎo)體當(dāng)本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼等:因三價元素缺少一個價電子，而從而產(chǎn)生一個空穴和一個負(fù)離子。使半導(dǎo)體中空穴成為多子，空穴帶正電，所以稱為P(positive)型或空穴型半導(dǎo)體。所摻入的雜質(zhì)能接受電子，稱為受主雜質(zhì)。

N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體均屬非本征半導(dǎo)體，其中多子的濃度取決于摻入的雜質(zhì)元素原子的密度；少子的濃度主要取決于溫度；所產(chǎn)生的離子，不能在外電場作用下作漂移運動，不參與導(dǎo)電，不屬于載流子。

當(dāng)N型半導(dǎo)體中再摻入三價雜質(zhì)元素，且其密度大于原摻入的五價雜質(zhì)元素，可轉(zhuǎn)型為P型半導(dǎo)體；

反之，P型半導(dǎo)體也可通過摻入足夠的五價元素而轉(zhuǎn)型為N型半導(dǎo)體。

3.PN結(jié)的形成：當(dāng)半導(dǎo)體的一邊是N型半導(dǎo)體，另一邊是P型半導(dǎo)體時，由于濃度差的作用使得多子互相擴散，

通過交界面到達對方，

并與對方的多子復(fù)合。

在N區(qū)和P區(qū)之間的交界面附近將形成一個極薄的空間電荷層，稱為PN結(jié)。PN結(jié)一方面阻礙多子的擴散；另一方面，加速少子的漂移。

當(dāng)N區(qū)及P區(qū)中的少子靠近PN結(jié)時，受內(nèi)電場的作用而被加速，向另一側(cè)漂移。形成漂移電流。

在PN結(jié)兩端開路的條件下，少數(shù)能量大的多子可以克服內(nèi)電場（即自建場）產(chǎn)生的電場力擴散到另一側(cè)，形成擴散電流。

經(jīng)過交界面的由多子擴散形成的擴散電流與少子漂移形成的漂移電流大小相等、方向相反、動態(tài)平衡。

++++++++________空間電荷層P體導(dǎo)半型N電場方向體導(dǎo)半型++++++++++++____________內(nèi)性區(qū)中性區(qū)中形成的PN結(jié)

PN結(jié)一側(cè)帶正電，另一側(cè)帶負(fù)電，在兩種半導(dǎo)體之間存在電位壁壘，對多子向另一側(cè)擴散起阻礙作用，稱為勢壘或位壘，記作U0。勢壘U0++++++++________空間電荷層P體導(dǎo)半型N電場方向體導(dǎo)半型++++++++++++____________內(nèi)性區(qū)中性區(qū)中當(dāng)N區(qū)和P區(qū)的摻雜濃度不等時，摻雜濃度高的一側(cè)（常用P+或N+表示）離子電荷密度大，空間電荷區(qū)的寬度較窄；

摻雜濃度低的一側(cè)，離子電荷密度低，空間電荷區(qū)的寬度較寬，PN結(jié)不對稱。++++++______PN+不對稱的PN結(jié)1.1.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?．PN結(jié)正向偏置

V電場方向內(nèi)UUU0電場方向外0F_+_UFU=()IFI=()限流電阻++++____PNR此時，一部分多子在擴散過程中與空間電荷區(qū)的離子中和，使PN結(jié)變窄。

PN結(jié)中的外電場削弱了內(nèi)電場，勢壘下降,有利于多子擴散，

大量的多子通過PN結(jié)，形成大的正向電流。PN結(jié)呈現(xiàn)低阻、導(dǎo)通狀態(tài)。2．PN結(jié)反向偏置V+_IRI=(-)++++____PN________++++++++限流電阻RU=-UR外電場方向內(nèi)電場方向U0-URU0

PN結(jié)中產(chǎn)生的外電場加強了內(nèi)電場，勢壘增加，PN結(jié)變寬。勢壘提高，有利于少子漂移，不利于多子擴散。

由于少子是由熱激發(fā)產(chǎn)生的，濃度很低。

當(dāng)反向電壓使幾乎所有的少子均參與了導(dǎo)電，

反向電流不再增加，此電流稱為反向飽和電流，記作IS。

PN結(jié)呈現(xiàn)高阻、截止?fàn)顟B(tài)。

1.1.3PN結(jié)的電壓與電流關(guān)系IS—反向飽和電流，為溫度電壓當(dāng)量，T為絕對溫度，K玻耳茲曼常數(shù)，q為電子電量。在室溫

（1）當(dāng)u=0時，i=0（2）當(dāng)u>0，且

（3）當(dāng)u<0，且

討論：1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型

平面型點接觸型引線觸絲外殼N型鍺片N型硅陽極引線PN結(jié)陰極引線金銻合金底座鋁合金小球二極管就是一個封裝的PN結(jié)半導(dǎo)體二極管的外型和符號負(fù)極正極外型正極負(fù)極符號半導(dǎo)體二極管的類型N型鍺金屬P型區(qū)觸絲錫正極負(fù)極支座（1）普通二極管按使用的半導(dǎo)體材料不同分為硅管和鍺管；N型硅P型區(qū)正極負(fù)極保護層二氧化硅（2）按結(jié)構(gòu)形式不同，分點接觸型、平面型。1.2.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性硅管00.8__400_0.260120擊穿特性反向特性正向特性0.4_iD/mAu/VD800iD/mAu/VD00.8__4_0.24080正向特性反向特性8鍺管uDiD

雖然半導(dǎo)體二極管的核心是PN結(jié)，但在半導(dǎo)體二極管中，還有電極的引線電阻、

管外電極間的漏電阻、PN結(jié)兩側(cè)中性區(qū)的體電阻。都會對伏安特性有所影響。

引線電阻及體電阻與PN結(jié)串聯(lián)，主要影響半導(dǎo)體二極管的正向偏置時的伏安特性——正向特性；

漏電阻較大，與管子并聯(lián)，主要影響半導(dǎo)體二極管的反向偏置時的伏安特性——反向特性。N型硅P型區(qū)正極負(fù)極保護層二氧化硅1．正向特性(1)整個正向特性曲線近似地呈現(xiàn)為指數(shù)曲線。（由于二極管的引線電阻，體電阻很小，電極間的漏電阻又很大，對其伏安特性的影響均不大）(2)當(dāng)正向偏置電壓較小時，iD近似為零，這一電壓區(qū)域稱為死區(qū)。死區(qū)的電壓范圍稱為死區(qū)電壓，硅管的死區(qū)電壓約為0.5伏；鍺管的死區(qū)電壓約為0.1伏。-40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向反向擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)I/μA(3)uD大于死區(qū)電壓后(4)

當(dāng)uD>>UT后，曲線上升斜率-40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向反向擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)I/μA導(dǎo)通后的管壓降uD

約為0.7V(硅管)、0.3V(鍺管)。2．反向特性

(1)二極管反向偏置時，反向電流由少數(shù)載流子漂移形成，在常溫下很小。小功率硅二極管的反向飽和電流IS一般小于0.1微安，鍺管的IS約為幾十到幾百微安。

在二極管擊穿之前，反向電流幾乎不隨反向電壓的變化而改變。因此，反向時管子的直流等效電阻RD(=UD/ID)

隨反向電壓的增大而增大；

(2)當(dāng)反向電壓超過一定范圍以后，反向電壓的增加使反向電流急劇增大。二極管發(fā)生反向擊穿。

二極管發(fā)生反向擊穿后，當(dāng)反向電流還不太大時，二極管的功耗PD(=|UDID|)不大，PN結(jié)的溫度還不會超過允許的最高結(jié)溫（硅管約為150∽200oC，鍺管約為75∽100oC），二極管仍不會損壞，一旦降低反向電壓，二極管仍能正常工作，這種擊穿是可逆的，稱為電擊穿。

反之，若仍繼續(xù)增加反向電壓，反向電流也隨之增大，管子會因功耗過大使PN結(jié)的溫度超過最高允許溫度而燒壞，造成二極管的永久性損壞，這種擊穿是不可逆的，稱為熱擊穿。(a)齊納擊穿(3)產(chǎn)生擊穿的機理：

對于摻雜濃度高的PN結(jié)，空間電荷層的寬度很薄，所以在較低的反向電壓下，空間電荷區(qū)中就有較強的電場，足以把空間電荷層里的半導(dǎo)體原子的價電子從共價鍵中激發(fā)出來，使反向電流突然增大，出現(xiàn)擊穿，稱這種擊穿為齊納擊穿。擊穿電壓低于4伏時，主要是由齊納擊穿。

當(dāng)溫度上升時，價電子的能量增加，

使價電子激發(fā)需要的電壓變小。齊納擊穿電壓具有負(fù)的溫度系數(shù)。對于摻雜濃度低的PN結(jié)，空間電荷層的寬度很寬，需要更高的電壓才能在空間電荷層中有較強的電場，

使作漂移運動的少子加速，能量加大。

當(dāng)它們與共價鍵中的價電子發(fā)生“碰撞”時，會產(chǎn)生新的載流子，這一現(xiàn)象稱為“碰撞電離”。碰撞電離產(chǎn)生新的載流子又被加速，又會與共價鍵中的價電子發(fā)生“碰撞”，產(chǎn)生越來越多新的載流子，出現(xiàn)雪崩似的連鎖反應(yīng)，反向電流劇增，二極管被擊穿。稱為雪崩擊穿。(b)雪崩擊穿雪崩擊穿擊穿電壓一般大于6伏。

當(dāng)溫度上升時，晶體中的原子熱運動加劇，被加速的少子在產(chǎn)生碰撞電離前與原子發(fā)生“摩擦”的機會增加，損耗部分能量，所以要有更高的反向電壓才能使二極管擊穿，即雪崩擊穿具有正的溫度系數(shù)。1.2.4半導(dǎo)體二極管的主要電參數(shù)-40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向反向擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)I/μA1.額定電流IF3.最高允許反向工作電壓UR2.反向擊穿電壓U(BR)4.反向電流IR5.正向電壓降UF6.最高工作頻率fM1.2.3溫度對半導(dǎo)體二極管特性的影響1.當(dāng)溫度上升時，死區(qū)電壓縮小，正向電壓降降低。在同樣電流下，溫度每升高1oC，二極管的正向電壓降將降低2∽2.5mV。2.

溫度升高，反向飽和電流增大。

溫度每升高10oC左右時，反向飽和電流將增大一倍。1.3半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.3.1在整流電路中的應(yīng)用利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦裕梢詫⒔涣麟娮兂芍绷麟?，完成整流作用。整流：將交流電變成直流電。整流電路：完成整流功能的電路?/p>

以電路形式區(qū)分，整流電路有半波整流電路、全波整流電路及橋式整流電路等，其中橋式整流電路在小型電子設(shè)備中使用較為廣泛。2ut0t0iD1Out0iD2t0iOt0工作波形+_uORLTR+_u2+_u1D1D2D3D4iOiD1iD2ab工作原理當(dāng)u2>0時,D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。電流流向：a→D1→

RL→

D3

→

b當(dāng)u2<0時,D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止。電流流向：b→D2→

RL→D4

→

a1.3.1在檢波電路中的應(yīng)用（無線通訊）音頻放大器話筒高頻振蕩器調(diào)制器發(fā)射器u0t用音頻信號去控制高頻信號的幅值。幅值按音頻信號規(guī)律變化的高頻信號3u0t1u0t2u0tDR1R2CC1LC21u2u3u高放大器頻低頻放大檢波的過程1.3.1限幅電路iut0iuiu'iu'R2D1Diuiu'ARi工作原理當(dāng)ui<二極管的死區(qū)電壓時，，電路正常放大。反之，二極管被擊穿。工作波形1.4特種二極管1.4.1硅穩(wěn)壓二極管慣用符號特點：具有很陡的反向擊穿特性，常使其工作于反向電擊穿狀態(tài)，用來穩(wěn)定直流電壓。uZU△IZZ△QBA0UZiZIZ伏安特性1.硅穩(wěn)壓管的主要電參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓

（2）動態(tài)電阻（3）最大允許工作電流（4）最大允許功率耗散（5）溫度系數(shù)

為溫度每變化1oC時UZ的相對變化率。uZU△IZZ△QBA0UZiZIZUZ>6V管子出現(xiàn)雪崩擊穿，αU為正；UZ<4V管子出現(xiàn)齊納擊穿，αU

為負(fù)。UZ介于4V到6V之間，αU可能為正，也可能為負(fù)。具有溫度補償?shù)姆€(wěn)壓管的兩種符號

（1）把一只αU為正的管子與另一只αU為負(fù)的管子串聯(lián)。具有溫度補償?shù)墓璺€(wěn)壓管（2）將兩只αU

為正的穩(wěn)壓管串聯(lián)，無論外加電壓極性如何，總有一只管子工作于正向，其電壓降具有負(fù)的溫度系數(shù)，能補償另一只穩(wěn)壓管的正溫度系數(shù)，使整個管子的電壓溫度系數(shù)極小。2.硅穩(wěn)壓管的等效電路QIZuZ0伏安特性端電壓表達式等效電路D1D3D2rZUZ03.硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路R——限流電阻DZIZRLU0UIRIIO(1)穩(wěn)壓原理(a)UI不穩(wěn)定UI↑(b)RL改變RL↓DZIZRLU0UIRIIO→UO↑→UZ↑

→IZ↑→I↑

UO↓→IR↑

→UO↓

→UZ↓→IR↓→IZ↓→I↓UO↑(2)限流電阻計算輸出電壓穩(wěn)定的條件:

DZIZRLU0UIRIIOUO=UZ

IZ=I－IO

圖中Iz(min)≤Iz≤IZ(max)

（保證穩(wěn)壓管被擊穿）（保證穩(wěn)壓管可靠的工作）可見，當(dāng)IO為最小值IO（min）、UI為最大值UI（max）時，I值最大，但必須滿足條件：IZ≤IZM。即IZ=I－IO

由此可得而當(dāng)IO為最大值IO（max）、UI為最小值UI（min）時，I值最小。但I必須滿足條件：IZ

≥IZ(min)。即故IZ=I－IO

R小，電路的功耗小；R大穩(wěn)壓效果好。

1.4.2變?nèi)荻O管1.PN結(jié)的電容效應(yīng)（1）擴散電容CD當(dāng)PN結(jié)正向偏置時，對多子擴散有利。

擴散