模拟电路基础教程课件.ppt

1、绪绪 论论1.1.电子技术的现状与发展趋势电子技术的现状与发展趋势2.电子技术的应用范围3.3.本课程与其它专业课的关系本课程与其它专业课的关系4.4.电子技术基础学习特点电子技术基础学习特点参考书：1. 模拟电子技术基础模拟电子技术基础（第四版）：（第四版）： 清华大学童诗白、华成英主编清华大学童诗白、华成英主编2. 电子技术基础电子技术基础（模拟部分第四版）：（模拟部分第四版）： 华中理工大学康华光主编华中理工大学康华光主编1.1 半导体的基本知识1.2 PN结1.3 半导体二极管第一章第一章 晶体二极管晶体二极管1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.1.1 本征半导体及其导

2、电性1.1.2 杂质半导体1.1.3 半导体的温度特性 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分导的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率为半导体的电阻率为1010-3-310109 9 cm。典型的半。典型的半导体有硅导体有硅Si和锗和锗Ge以及砷化镓以及砷化镓GaAs等。等。1.1.1 1.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性 本征半导体本征半导体化学成分纯净化学成分纯净的半导体晶体。的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到的纯度要达到99.9999999%，常称，常称为为“九

3、个九个9”。它在物理结构上呈单。它在物理结构上呈单晶体形态。晶体形态。 (1）本征半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图这种结构的立体和平面示意图见图01.01。 图图01.01 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图硅原子空间排列及

4、共价键结构平面示意图 (a) 硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意共价键结构平面示意图图(c) （2）电子空穴对）电子空穴对 当导体处于热力学温度当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以能量增高，有的价电子可以挣脱挣脱原子核的束缚，原子核的束缚，而参与导电，成为而参与导电，成为自由电子自由电子。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现就出现了一个空位，原子的电中性被破坏

5、，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为对出现的，称为电子空穴对。电子空穴对。游离的部分自由电子也游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为可能回到空穴中去，称为复合，复合，如图如图01.02所示。所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 图图01.02 本征激发和复合的过

6、程本征激发和复合的过程（动画动画1-1） (3) (3) 空穴的移动空穴的移动 自由电子的定向运动形自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现价电子依次充填空穴来实现的，因此，空穴的导电能力的，因此，空穴的导电能力不如自由电子不如自由电子（见图（见图01.0301.03的动画演示）的动画演示）。（动画1-2）图图01.03 空穴在晶格中的移动空穴在晶格中的移动1.1.2 杂质半导体(1) (1) N型半

7、导体型半导体(2) (2) P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂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。掺入质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。 (1）N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成形成 N型半导体型半导体, ,也称也称电子型半导体电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中

8、的价电子形成共价键，而多余的一个价半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在在N型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由热激发形成。由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因提供自由电子的五价杂质原子因自由电子自由电子脱离而脱离而带正电荷成为带正电荷成为正离子正离子，因此，五价杂质原子也被称为，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。施主杂质。N型半导体的结构示意图如图型半导体的结构示意图如图01.04所示。所

9、示。 图01.04 N型半导体结构示意图(2) P型半导体型半导体 本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成铟等形成 P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。因三因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。子而在共价键中留下一个空穴。 P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，主要由掺杂形主要由掺杂形成；成；电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。空穴很容易俘获电子，使杂

10、质原子成为负离子。三价杂质三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。P型半导体的结构示型半导体的结构示意图如图意图如图01.05所示。所示。图01.05 P型半导体的结构示意图 图01.05 P型半导体的结构示意图1.1.3 1.1.3 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个

11、浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3杂质半导体简化模型杂质半导体简化模型1.2 PN结结1.2.1 PN结的形成1.2.2 PN结的单向导电性1.2.3 PN结的电容效应1.2.1 PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, ,分分别形成别形成 N 型半导体和型半导体和 P 型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半型半导体和导体和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差因浓

12、度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子杂质离子形成空间电荷区形成空间电荷区 空间电荷区空间电荷区形成形成 内电场内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后多子最后多子扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。对。对于于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为 P N 结结 , 在空间在空间电荷区，由于缺电荷区，由于缺少多子，所以也少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。 图图01.06 PN结的形成过程结的形成过程 （动画动画1-3） PN 结形成结形成的过 程

13、 可 参 阅的过 程 可 参 阅图图01.06。1.2.2 PN结的单向导电性 如果外加电压使如果外加电压使PN结中：结中：P区的电位高于区的电位高于 N 区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压，正向电压，简称简称正偏；正偏； PN结具有单向导电性，结具有单向导电性，若外加电压使电流若外加电压使电流从从 P 区流到区流到 N 区，区， PN结呈低阻性，所以电流结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。大；反之是高阻性，电流小。 P 区的电位低于区的电位低于 N 区的电位，称为加区的电位，称为加反向电反向电压，压，简称简称反偏。反偏。 (1) PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导

14、电情况 外加的正向电压有一部外加的正向电压有一部分降落在分降落在 PN 结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的移电流，可忽略漂移电流的影响影响, , PN 结呈现低阻性结呈现低阻性。 PN结加正向电压时的导电情况如图结加正向电压时的导电情况如图01.07 （动画动画1-4）图01.07 PN结加正向电压时的导电情况 (2) PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一

15、部分降落在外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结结区的少子在内电场的作用区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本身就很，由于漂移电流本身就很小，小，PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。 在一定温度条件下，在一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移电

16、流是恒定的，基的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大本上与所加反向电压的大小无关小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 PN结加反向电压时的导电情况如图结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。所示。图图 01.08 PN 结加反向电压时的结加反向电压时的导电情况导电情况 PN结外加正向电压结外加正向电压时，呈现低电阻，具有时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的现高电阻，具有很小的反向漂移电流。反向漂移电流。由此可由此可以得出结论：以得出结论：PN结具有结具有单向导电性。单向导电性

17、。 （动画动画1-5）图图 01.08 PN结加反向电压结加反向电压时的导电情况时的导电情况 1. 在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.温度）有关。温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 。 （a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.温度）有关。温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量 。 （a. 减少、减少、b. 不变、不变、c. 增多）增多）abc 4. 在外加电压的作用下，在外加电压的作用下，P 型半导体中的型半导体中的电流主要是电流主要是 ，N 型半导体中的电流主要型半导体中的电流主要

18、是是 。 （a. 电子电流、电子电流、b.空穴电流）空穴电流） ba思考题：思考题：1.2.3 PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。面的因素决定。 一是势垒电容一是势垒电容CB 二是扩散电容二是扩散电容CD (1) 势垒电容势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电压使压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电

19、。势垒电容的示意图见图容的充放电。势垒电容的示意图见图01.09。图 01.09 势垒电容示意图 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面结的另一侧面积累而形成的。因积累而形成的。因 PN 结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到 P 区区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电电流流。刚扩散过来的电子就堆积在。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。(2) 扩散电容扩散电容CD 反之，由反之，由P区扩散到区扩散到N区的空穴，在区的空穴，在N区内也形区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图图01.10所示。所示。精品课件精品课件！精品课件精品课件！ 图图 01.10 01.10 扩散电容示意图扩散电容示意图 当外加正向电压不同当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不相同，浓度梯度分布也不相同，这就相当电容的充放电过这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。均是非线性电容。