模電課件第一章

1、2021-12-21電子電路基礎(chǔ)n北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院n信息與電子技術(shù)研究室：王衛(wèi)東nEmail：n課件下載網(wǎng)址：2021-12-21推薦教材n電子電路基礎(chǔ)-劉寶玲-高等教育出版社n模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）-華成英、童詩白高等教育出版社n電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分第五版）-康華光高等教育出版社n電子線路（第五版）-謝嘉奎-高等教育出版社2021-12-21課程目的n學(xué)習(xí)常用半導(dǎo)體器件的外部特性，掌握放大、波形變換等單元電路的工作原理、性能特點(diǎn)、基本分析方法n培養(yǎng)對(duì)集成電路的運(yùn)用能力和基本的工程估算能力2021-12-21考察方法n考試期中考試、期末考試n作業(yè)周三交作業(yè)(請(qǐng)同學(xué)們注意，在作業(yè)

2、本上要寫清自己的姓名、班級(jí)及學(xué)號(hào))n實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)2021-12-21知識(shí)構(gòu)架n第一章半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)及二極管電路n第二章雙極型晶體管及其放大電路n第三章場效應(yīng)晶體管及其放大電路n第四章小信號(hào)放大電路的頻率特性n第五章反饋放大電路n第六章模擬集成電路及其應(yīng)用n第七章脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與處理電路2021-12-21第一章半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)及二極管電路n半導(dǎo)體的基本特性n半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性n半導(dǎo)體二極管電路2021-12-21能力要求n理解半導(dǎo)體導(dǎo)電載流子的概念n理解PN結(jié)及二極管的單向?qū)щ娦詎掌握二極管的模型和伏安特性n熟悉基本的二極管參數(shù)2021-12-211.1半導(dǎo)體的基本特性n物質(zhì)根據(jù)導(dǎo)

3、電能力(電阻率)的區(qū)分u導(dǎo)體109cm（如塑料、陶瓷、天然礦物油、空氣等）u半導(dǎo)體10-3cm0K時(shí)，半導(dǎo)體本征激發(fā)產(chǎn)生的游離自由電子回到空穴中的過程n熱平衡狀態(tài)n本征激發(fā)和復(fù)合在一定的溫度下達(dá)到的動(dòng)態(tài)平衡n溫度一定時(shí)，載流子濃度一定2021-12-211.1.1本征半導(dǎo)體n載流子濃度n電子濃度nn空穴濃度pn本征載流子濃度:本征半導(dǎo)體中電子和空穴的濃度，只和溫度和材料有關(guān)n熱平衡狀態(tài):n0=p0=nin0p0=ni22021-12-211.1.1本征半導(dǎo)體n本征載流子濃度和溫度的關(guān)系本征載流子中載流子濃度與環(huán)境的溫度密切相關(guān)，所以本征半導(dǎo)體工作具有熱不穩(wěn)定性2021-12-211.1.2摻雜

4、產(chǎn)生兩種半導(dǎo)體n本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)n電子濃度=空穴濃度n載流子濃度低，導(dǎo)電性差n溫度穩(wěn)定性差n雜質(zhì)半導(dǎo)體n摻入某些微量元素，改善半導(dǎo)體的導(dǎo)電性n摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體摻雜2021-12-211.1.2摻雜產(chǎn)生兩種半導(dǎo)體nN型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入磷等五價(jià)元素在N型半導(dǎo)體中，自由電子是多數(shù)載流子，主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)磷原子因帶正電荷而稱為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。熱平衡時(shí)自由電子濃度：00DDnNpN2021-12-21nN型半導(dǎo)體示意圖2021-12-211.1.2摻雜產(chǎn)生兩種半導(dǎo)體nP

5、型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入硼等三價(jià)元素在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，主要由雜質(zhì)原子提供；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。提供空穴的三價(jià)硼原子因帶負(fù)電荷而稱為負(fù)離子，因此三價(jià)雜質(zhì)原子也稱為受主雜質(zhì)。2021-12-21nP型半導(dǎo)體示意圖2021-12-211.1.2摻雜產(chǎn)生兩種半導(dǎo)體n雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響n摻雜對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大影響nT=300K時(shí)，本征硅的電子和空穴濃度：n=p=1.5*1010/cm3n摻雜后N型半導(dǎo)體中自由電子濃度：n=5*1016/cm3n摻雜后N型半導(dǎo)體中空穴濃度：p=4.5*103/cm3n本征硅的原子濃度4.96*1022/cm3濃度基本上依次

6、相差106/cm3200innp2021-12-211.1.3半導(dǎo)體中載流子的兩種運(yùn)動(dòng)n載流子在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)n載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)n熱平衡狀態(tài)：溫度不變，且無其他激發(fā)，載流子濃度分布均勻n非熱平衡狀態(tài)：n若半導(dǎo)體某部分受到光照，或者從某一區(qū)域注入載流子，使載流子濃度分布不均勻，熱平衡狀態(tài)被破壞n載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成擴(kuò)散電流2021-12-211.1.3半導(dǎo)體中載流子的兩種運(yùn)動(dòng)n載流子在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)n載流子的漂移運(yùn)動(dòng)n原因：載流子在電場作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)n載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成漂移電流，電場越強(qiáng)，電流越大n半導(dǎo)體相當(dāng)于一個(gè)電阻，稱為體電阻，電阻值取決于摻雜濃度、半導(dǎo)體的形狀、溫度等載流子的漂移運(yùn)動(dòng)

7、外電路的電流空穴漂移電流電子漂移電流2021-12-211.2半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性n半導(dǎo)體二極管是利用雜質(zhì)半導(dǎo)體制成的，其核心器件是PN結(jié)本征半導(dǎo)體摻雜N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體PN結(jié)摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子熱激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，直至熱平衡；載流子：電子和空穴摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子2021-12-211.2.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦訮區(qū)N區(qū)空穴負(fù)離子正離子自由電子空間電荷區(qū)內(nèi)建電場E低電勢(shì)高電勢(shì)濃度差多子擴(kuò)散和少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，兩種半導(dǎo)體結(jié)合的離子薄層形成空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱為耗盡層、阻擋層

8、。多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)形成內(nèi)建電場PN結(jié)的形成PNPNPNPNPNPNPNPNPNPNP P P PNP PNP PNP P PNP PNP P P P P P PNP P PNP P PNP PNP PNP PNP P PNP P PNP PNP PNP PNP PN雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)內(nèi)建電場阻止多子擴(kuò)散 內(nèi)建電場促使少子漂移n動(dòng)態(tài)平衡情況下的PN結(jié)2021-12-211.2.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詎動(dòng)態(tài)平衡情況下的PN結(jié)n若T不變，交界面兩側(cè)空間電荷量，空間電荷區(qū)寬度，內(nèi)建電場E等參數(shù)維持不變，漂移與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡n空間電荷區(qū)內(nèi)仍然存在載流子，但濃度遠(yuǎn)小于中性區(qū)內(nèi)載流子濃度20

9、21-12-211.2.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詎接觸電勢(shì)差V（電位勢(shì)壘，勢(shì)壘）n由于PN結(jié)內(nèi)電荷和內(nèi)建電場的存在，空間電荷區(qū)形成的電位差稱為接觸電位差n在室溫下，硅的電位差：0.60.8V鍺的電位差：0.20.3Vn溫度升高，電位差減??；溫度每升高1，電位差大約下降22.5mV2VlnADiN NkTqn摻雜濃度本征濃度2021-12-211.2.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詎勢(shì)壘寬度WD(1)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)(2)摻雜濃度與勢(shì)壘寬度成反比DnpWWW1/22ADADNNVqN NDTVWnApDWNWN勢(shì)壘區(qū)的寬度主要分布在摻雜濃度較低的一側(cè)2021-12-211.2.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詎PN結(jié)加正

10、向電壓的導(dǎo)電情況nP區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，PN結(jié)正偏nE外與E內(nèi)方向相反，削弱了內(nèi)電場的作用n阻擋層內(nèi)合成電場減小n多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)n空間電荷區(qū)變窄n形成正向電流，方向P-NnE外越大，電流越大nPN結(jié)呈現(xiàn)低阻性/(1)DTVDsiI e2021-12-211.2.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詎PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況nN區(qū)的電位高于P區(qū)的電位，PN結(jié)反偏nE與E方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場的作用n阻擋層內(nèi)合成電場增大n空間電荷區(qū)變寬n漂移電流大于擴(kuò)散電流在一定溫度下，本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流恒定，基本上與所加的反向電壓大小無關(guān)，這個(gè)電流稱為反向飽和電流IS2021-12

11、-211.2.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詎PN結(jié)的重要特性：單向?qū)щ娦詎PN結(jié)正偏時(shí)呈低阻，反偏時(shí)呈高阻nPN結(jié)具有單向?qū)щ娦?021-12-211.2.2二極管的結(jié)構(gòu)和類型n在PN結(jié)上加上引線和封裝即為二極管n分類：點(diǎn)接觸型、面接觸性、平面型(1)點(diǎn)接觸型二極管二極管的電路符號(hào)點(diǎn)接觸型二極管的PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。2021-12-211.2.2二極管的結(jié)構(gòu)和類型n(2)面接觸型二極管n(3)平面型二極管面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于低頻大電流整流電路。平面型用于集成電路制造工藝，PN結(jié)面積可大可小，用于整流和開關(guān)電路2021-12-211.2.3二極管的伏安特性n二

12、極管的電流方程00()nppnsnpD nD pIqALL室溫下：硅Is6V雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)2021-12-211.2.4二極管的反向擊穿特性n電擊穿：齊納擊穿n產(chǎn)生條件n摻雜濃度很高的PN結(jié)n反向電壓足夠大n產(chǎn)生機(jī)理n對(duì)于摻雜濃度很高的PN結(jié)，空間電荷區(qū)較窄；n隨場強(qiáng)加大，這個(gè)場強(qiáng)可能把空間電荷區(qū)中的原子的價(jià)電子直接從共價(jià)鍵拉出，形成大量電子-空穴對(duì)n擊穿電壓V(BR)時(shí)，導(dǎo)通，截止，因此，被限制在了；當(dāng)0時(shí)，和都截止，=同理可以分析rDVsmVR2021-12-211.3.3二極管模擬電路n穩(wěn)壓電路n利用PN結(jié)的反向擊穿特性，制成穩(wěn)壓二極管，在工作時(shí)反接并串入一電阻，起到限流保護(hù)

13、作用。穩(wěn)壓管反向擊穿特性曲線越陡，穩(wěn)壓性能越好2021-12-21例1.3.4在下圖所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，已知電源電壓Vs=10V，穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓VZ=6V，最小穩(wěn)定電流Izmin=5mA，最大穩(wěn)定電流Izmax=25mA；負(fù)載電阻RL=600。試求限流電阻R的取值范圍。2021-12-21例1.3.4解：穩(wěn)壓管工作在反偏擊穿狀態(tài)，因此所以電阻R上的電壓因而限流電阻R的取值范圍為114267。/6/6000.0110LZLIVRAAmA(106)4RSZVVVVVmax3min426715 10RRVRI min3max411435 10RRVRI (525)10(1535)RZLIIImAmAmA2021-12-211.3.3二極管模擬電路n開關(guān)電路n基本邏輯運(yùn)算：與邏輯運(yùn)算(邏輯乘)n表達(dá)式F=ABn邏輯與門：實(shí)現(xiàn)“與”邏輯運(yùn)算的電路二極管與門電路和符號(hào)表示與邏輯真值表ABF000100010111(以下部分請(qǐng)參考課件自行了解)2021-12-211.3.3二極管模擬電路n開關(guān)電路n基本邏輯運(yùn)算：或邏輯運(yùn)算(邏輯加)n表達(dá)式F=A+Bn邏輯或門：實(shí)現(xiàn)“或”邏輯運(yùn)算的電路