1、2022/7/19模擬電子技術(shù)(jsh)基礎(chǔ)北京航空航天大學(xué)儀器(yq)科學(xué)與光電工程學(xué)院主講 ：趙建輝第一章 常用半導(dǎo)體器件(1)共四十七頁2022/7/191.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.2 半導(dǎo)體二極管1.3 雙極性晶體管1.4 場效應(yīng)管1.5 單結(jié)晶體管和晶閘管1.6 集成電路(jchng-dinl)中的元件 第1章 常用(chn yn)半導(dǎo)體器件本節(jié)課內(nèi)容共四十七頁2022/7/191.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.1.1 本征半導(dǎo)體1.1.2 雜質(zhì)(zzh)半導(dǎo)體1.1.3 PN結(jié)重點：PN結(jié)原理、伏安特性及電流(dinli)方程。難點：1.兩種載流子及其運動 2.PN結(jié)的形成 3.PN結(jié)單向?qū)?/p>

2、電性重點難點共四十七頁2022/7/19導(dǎo)體 自然界中容易導(dǎo)電的物質(zhì)(wzh)稱為導(dǎo)體，如金、銀、銅、鋁等金屬（p=）。絕緣體 有的物質(zhì)(wzh)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體 另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體 本質(zhì): 決定于原子結(jié)構(gòu)(最外層電子分布)一、半導(dǎo)體共四十七頁2022/7/19半導(dǎo)體 的導(dǎo)電機理不同于其它(qt)物質(zhì)，所以它具有不同于其它(qt)物質(zhì)的特點。例如： 熱敏/光敏特性。當(dāng)受外界熱和光的作用(zuyng)時，它的導(dǎo)電能力明顯變化。如制作CCD/CMOS光電耦合器件

3、等（優(yōu)點）,受溫度變化影響大(缺點)。 摻雜特性。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，使它的導(dǎo)電能力明顯改變。如制作二極管、三極管器件(優(yōu)點)，但是溫度敏感（缺點）。半導(dǎo)體特性 可控性。外電壓控制（單向?qū)щ姟⒎糯螅?。共四十七?022/7/191.1.1 本征半導(dǎo)體二、本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)GeSiSi純凈(chnjng)的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體。純度：99.9999999%（簡稱9個9）。常用材料是硅和鍺。Ge最外層電子(dinz)分布 最外層電子（價電子）都是四個（共價鍵）。共四十七頁2022/7/19純凈半導(dǎo)體通過一定工藝過程(guchng)，可制成單晶體(本征半導(dǎo)體)。每個原子與其(

4、yq)相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)正方體晶格點陣本征半導(dǎo)體平面結(jié)構(gòu)示意圖共四十七頁2022/7/19三、本征半導(dǎo)體的兩種載流子自由電子(z yu din z)空穴(kn xu)束縛電子本征激發(fā)：在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，帶負電，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴，帶正電。本征激發(fā)（自由電子/孔穴）？問題：整個半導(dǎo)體電性（空穴自由電子成對出現(xiàn)或者消失）視頻共四十七頁2022/7/19本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電(dodin)機理兩種載流子：自由電子和空穴均參與移動（導(dǎo)電）。電子(dinz)移動形成電子電流?？昭?/p>

5、移動形成空穴電流。移動方向相反，電流方向相同。本征半導(dǎo)體電流為二者之和。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱（原因：本征激發(fā)少）。 +4+4+4+4兩種載流子導(dǎo)電機理視頻共四十七頁2022/7/19典型值：T=0K，濃度(nngd) 0，相當(dāng)于絕緣體。T=300K（室溫）, 硅：1010 量級（硅原子： 1022 量級） 一定(ydng)溫度下，本征激發(fā)與復(fù)合動態(tài)平衡，載流子濃度一定。且電子與空穴的濃度相等：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。四、本征半導(dǎo)體中載流子濃度載流子的濃度與環(huán)境密切相關(guān)。溫度大濃度大本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強。優(yōu)點：（熱敏/光敏器件）缺點：（溫度穩(wěn)定性差原因，電子線路環(huán)境溫度問

6、題）共四十七頁2022/7/19擴散（摻雜(chn z)）雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能顯著變化。原因：摻雜引起半導(dǎo)體某種載流子濃度大大增加， 與摻雜濃度相關(guān)。P 型半導(dǎo)體（空穴(kn xu)半導(dǎo)體） ：空穴濃度大大增加。 N 型半導(dǎo)體（電子半導(dǎo)體）：自由電子濃度大大增加。 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體 根據(jù)摻雜物質(zhì)不同分為2種：共四十七頁2022/7/19一、N 型半導(dǎo)體在純凈半導(dǎo)體晶體中摻入少量的五價元素(yun s)磷（或銻），晶體中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)原子取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，常溫下很容易被激發(fā)而成為自由電子，這

7、樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子（施主原子）。+4+4+5+4磷原子(施主原子)自由電子 自由電子為多子（同雜質(zhì)濃度），空穴(kn xu)為少子N 型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子（少子）是什么？共四十七頁2022/7/19P 型半導(dǎo)體在純凈半導(dǎo)體晶體中摻入少量的3價元素硼，晶體中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)原子取代，硼原子的最外層有3個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空位（電中性），這個空位很容易吸附電子形成新的空穴，這樣硼原子就成了不能移動(ydng)帶負電的離子（受主原子）?？昭?kn xu)為多子（同雜質(zhì)濃度），自由電子為少子P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子（多子）是什么？+4+4+3+4

8、空穴（多子）硼原子（受主原子）共四十七頁2022/7/19雜質(zhì)(zzh)半導(dǎo)體的示意表示法P 型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子和少子的移動(ydng)都能形成電流。多子：摻雜形成，濃度與雜質(zhì)濃度相等。起主導(dǎo)電作用。少子：本征激發(fā)形成，濃度底，溫度敏感，影響器件性能。共四十七頁2022/7/19 摻入雜 質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響（相對本征激發(fā)(jf)），典型的數(shù)據(jù)如下: T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 3以上三個濃度基本上依次(yc)相差106/cm3 。 2摻雜后 N 型半導(dǎo)

9、體中的自由電子濃度: n=51016/cm3雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響 在一定溫度下, 電子濃度與空穴濃度的乘積是一個常數(shù), 與摻雜濃度無關(guān)。 共四十七頁2022/7/19一、 PN 結(jié)的形成一、 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦砸弧?PN 結(jié)電流方程一、 PN 結(jié)伏安(f n)特性一、 PN 結(jié)電容效應(yīng)1.1.3 PN結(jié)一、PN結(jié)的形成二、PN結(jié)單向?qū)щ娦裕ㄖ攸c）三、PN結(jié)電流方程四、PN結(jié)的伏安特性(txng)五、PN結(jié)的電容效應(yīng)共四十七頁2022/7/19一、PN結(jié)的形成(xngchng)圖1.1.5 PN結(jié)的形成(xngchng)在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過多子的擴

10、散，少子的漂移，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。共四十七頁2022/7/19P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴散運動內(nèi)電場E漂移運動多子濃度越高，擴散(kusn)運動越強，結(jié)果是使空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場(din chng)越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。一、PN結(jié)的形成視頻共四十七頁2022/7/19PN結(jié)形成過程（擴散(kusn)與漂移運動動態(tài)平衡） 因濃度(nngd)差 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱

11、耗盡層。 共四十七頁2022/7/19二 PN結(jié)的單向(dn xin)導(dǎo)電性 當(dāng)外加(wiji)電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。？正偏、反偏如何影響PN結(jié)的導(dǎo)電性能？共四十七頁2022/7/19+RE二、PN 結(jié)單向(dn xin)導(dǎo)電性內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，能夠形成較大(jio d)的擴散電流。PN 結(jié)正向偏置（正偏）限流視頻共四十七頁2022/7/19PN 結(jié)反向(fn xin)偏置（反偏）+內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被加強(jiqing)，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只

12、能形成較小的反向電流。RE限流視頻共四十七頁2022/7/19 PN結(jié)正偏導(dǎo)通，呈低電阻，較大的正向擴散電流； PN結(jié)反偏截止，呈高電阻，很小反向(fn xin)漂移電流。反偏 u0PN 結(jié)單向(dn xin)導(dǎo)電性小結(jié)共四十七頁2022/7/19 三 PN結(jié)的電流(dinli)方程 PN結(jié)端電壓與電流(dinli)關(guān)系：其中：PN結(jié)的伏安特性IS 反向飽和電流UT 與溫度相關(guān)的電壓當(dāng)量且在常溫（T=300K）（記?。。?PN結(jié)正向?qū)ǎ娏?電壓近似指數(shù)關(guān)系； PN結(jié)反偏截止，電流大?。?-Is，近似為0。共四十七頁2022/7/19四、PN結(jié)的伏安(f n)特性正向(zhn xin)（u0

13、）:電擊穿可逆熱擊穿不可逆反向特性u0Si材料： 7V：雪崩擊穿少子漂移加劇，碰撞共價鍵4-7V：二者兼而有之反向（u0）:反向擊穿:圖1.1.10 PN結(jié)伏安特性反向擊穿反向擊穿應(yīng)用：穩(wěn)壓（源）作用，區(qū)別于恒流（源）共四十七頁2022/7/19五、 PN 結(jié)的電容(dinrng)效應(yīng) 一定(ydng)條件下，PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)。根據(jù)產(chǎn)生電容的機理分為2種： 一是勢壘電容 ：Cb二是擴散電容 ：Cd等效結(jié)電容 ： Cj = Cb + Cd五、PN結(jié)的電容效應(yīng)應(yīng)用：可變電容，電調(diào)諧。共四十七頁2022/7/19 (1) 勢壘電容(dinrng)Cb（正向電壓引起耗盡層寬度變化） 勢壘電容是

14、由空間電荷區(qū)（耗盡層）形成的。外加反向電壓變化 PN結(jié)壓降變化 耗盡層離子區(qū)寬度變化 等效PN結(jié)中存儲(cn ch)的電荷量也隨之變化（電容的充放電）。圖 01.09 勢壘電容示意圖圖1.1.11 勢壘電容的示意圖共四十七頁2022/7/19 外加正向電壓變化 非平衡(pnghng)少子濃度變化 正向擴散電流變化 擴散區(qū)內(nèi)電荷積累釋放形成梯度變化 形成擴散電容。(2) 擴散電容Cd（反向電壓(diny)引起非平衡少子擴散形成） 擴散電容示意圖PN結(jié)電容效應(yīng)結(jié)論：二者均是非線性電容（可變電容）受外加電壓影響（工作點影響）Cj = Cb + Cd幾pF百pF量級（低頻忽略/高頻考慮）共四十七頁20

15、22/7/19本節(jié)小結(jié)(xioji)1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體(dot)與絕緣體之間；2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體有一定的導(dǎo)電能力 （本征激發(fā)引起，與溫度有關(guān)）；3、雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電能力主要由摻雜濃度決定。4、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。 N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，空穴是少子。5、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度、光強、雜質(zhì)濃度和材料性質(zhì)有關(guān)（概括為：光敏/溫度/摻雜特性）。6、PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。共四十七?022/7/191.2 半導(dǎo)體二極管1.2.1 二極管常見(chn jin)結(jié)構(gòu)1.2.2 二極管伏安特性1.2.3 二極管主要參數(shù)1.2.4 二極管等效電路1.2.5 穩(wěn)壓二極管

16、1.2.6 其它二極管重點：二極管的單向?qū)щ娦裕ㄔ?、伏安特性、電流方?fngchng)二極管等效電路、二極管應(yīng)用。重點難點共四十七頁2022/7/19常見(chn jin)半導(dǎo)體二極管共四十七頁2022/7/191.2.1 半導(dǎo)體二極管常見(chn jin)結(jié)構(gòu) 按結(jié)構(gòu)分點接觸(jich)型、面接觸(jich)型和平面型三大類。(a)點接觸型 (b)面接觸型(c)平面型 結(jié)面積小，結(jié)電容小，檢波和高頻電路。結(jié)面積可大可小，高頻整流和開關(guān)電路。易于擴散工藝，適合集成電路。 PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(d)符號 共四十七頁2022/7/191.2.2 二極管伏安(f n)特性二、溫

17、度影響溫度升高正向(zhn xin)曲線左移反向曲線下移(逆時針轉(zhuǎn)動)正向壓降：-2.5mV/oCIs: 1倍/10oC一、伏安特性uDiD開啟電壓UON硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降(UT): 硅管0.60.8V,鍺管0.20.3V反向擊穿電壓UBRUBR 圖1.2.3 二極管伏安特性曲線反向特性曲線 u0UT共四十七頁2022/7/191.2.3 二極管主要參數(shù)應(yīng)用(yngyng)選型(1) 最大整流電流(dinli)IF(與溫度有關(guān))(2) 最大反向工作電壓(UR=1/2UBR)(3) 反向電流IR(溫度敏感)(4) 最高工作頻率 fMax (Cj = Cb+ Cd)(5) 其它參

18、數(shù):額定功耗/極間電容/正向管壓降/動態(tài)電阻/溫度系數(shù)等rd？考慮以上參數(shù)，如何等效？共四十七頁2022/7/191.2.4 二極管等效電路等效電路(等效模型)外特性，便于(biny)電路定量分析rd理想(lxing)模型恒壓降模型折線模型交流小信號模型注意應(yīng)用需求場合直流電阻動態(tài)電阻共四十七頁2022/7/19小信號(xnho)交流等效電路分析與計算結(jié)論(jiln)記住，會用！與工作點Q有關(guān)！工作點Q越高，rD越小！特性方程定義二極管特性曲線共四十七頁2022/7/191.2.5 穩(wěn)壓(wn y)二極管反向電擊穿(j chun)特性穩(wěn)壓管參數(shù)：穩(wěn)定電壓：Uz穩(wěn)定電流：Iz(Izmax、Izm

19、in)額定功耗：動態(tài)電阻：溫度系數(shù)：（%/）注意：應(yīng)用中需要限流電阻！共四十七頁2022/7/19穩(wěn)壓(wn y)二極管的應(yīng)用（例1.2.2）uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):解：穩(wěn)壓管正常(zhngchng)工作，流過的反向電流為：Izmin Izmax 總電流：討論：穩(wěn)壓原理（輸入電壓變化，負載輕微變化），驅(qū)動能力（輸出電阻）？ 限流電阻R超限帶來的影響（負載一定）？ 限流電阻滿足要求，負載電阻RL變化帶來的影響？（1）（2）求：限流電阻范圍？分別把Izmin Izmax帶入（1）得到輸入電流范圍，再帶入（2）可得到R范圍。共四十七頁2022/7/19 變?nèi)?bin rn)二極

20、管（調(diào)諧電路）勢壘電容CT隨外電壓變化(binhu)，注意PN反偏正向電流發(fā)光，注意限流，5-20mA1.2.6 其它類型二極管 發(fā)光二極管（數(shù)碼指示，節(jié)能）光致自由電子，注意PN反偏。 光電二極管（通信、傳感）EDDRLUD 光電耦合（隔離耦合）數(shù)字隔離/模擬隔離共四十七頁2022/7/19二極管的用途(yngt)： 整流、檢波、限幅、箝位、開關(guān)、 元器件保護、溫度補償?shù)取?.2.7 二極管應(yīng)用(yngyng)分析方法：利用單向?qū)щ娦?。分析關(guān)鍵：判斷二極管處于導(dǎo)通（短路）， 還是截止（開路）狀態(tài)。共四十七頁2022/7/19開關(guān)電路（思路：先斷開(dun ki)二極管，再接入，判斷導(dǎo)通或截止）UO11.3V， UO20， UO3-1.3V，UO42V， UO51.3V， UO6-2V。（P64 第三(d sn)題）導(dǎo)通截止導(dǎo)通截止導(dǎo)通截止共四十七頁2022/7/19RLuiuo半波整流電路(dinl)uiuott共四十七頁2022/7