模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)-東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院Northeastern-University

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院NortheasternUniversity1.本課程的性質(zhì)2.特點(diǎn)3.研究?jī)?nèi)容4.教學(xué)目標(biāo)5.學(xué)習(xí)方法

前言6.成績(jī)?cè)u(píng)定

實(shí)驗(yàn)：20%

平時(shí)：10%

考試：70%7.教材

前言電路與電子學(xué)(第4版)李晶皎、王文輝等主編電子工業(yè)出版社20128.參考書

童詩(shī)白主編，《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》第三版，高教出版社

前言一些基本概念在電子技術(shù)中，被傳遞、加工和處理的信號(hào)可以分為兩大類：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：在時(shí)間上和幅度上都是連續(xù)變化的信號(hào)，稱為模擬信號(hào)，例如正弦波信號(hào)、心電信號(hào)等。數(shù)字信號(hào)：在時(shí)間和幅度上均不連續(xù)的信號(hào)。一些基本概念模擬電路：工作信號(hào)為模擬信號(hào)的電子電路。數(shù)字電路：工作信號(hào)為數(shù)字信號(hào)的電子電路。主要內(nèi)容半導(dǎo)體二極管和三極管放大電路基礎(chǔ)

功率放大電路集成運(yùn)算放大器負(fù)反饋放大電路信號(hào)的運(yùn)算、處理及波形發(fā)生電路直流電源第4章半導(dǎo)體二極管和三極管

內(nèi)容主要有：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、工作特性、參數(shù)半導(dǎo)體器件主要包括：半導(dǎo)體二極管（包括穩(wěn)壓管）三極管和場(chǎng)效應(yīng)管4.1PN結(jié)

1.半導(dǎo)體⑴半導(dǎo)體的物理特性物質(zhì)根據(jù)其導(dǎo)電性能分為

導(dǎo)體：導(dǎo)電能力良好的物質(zhì)。絕緣體：導(dǎo)電能力很差的物質(zhì)。半導(dǎo)體：是一種導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，如硅、鍺、硒、砷化鎵及一些硫化物和氧化物。⑴半導(dǎo)體的物理特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力具有獨(dú)特的性質(zhì)。①溫度升高時(shí)，純凈的半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著增加；②在純凈半導(dǎo)體材料中加入微量的“雜質(zhì)”元素，它的電導(dǎo)率就會(huì)成千上萬(wàn)倍地增長(zhǎng)；③純凈的半導(dǎo)體受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯提高。半導(dǎo)體為什么具有以上的導(dǎo)電性質(zhì)？⑵半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

原子的組成：帶正電的原子核若干個(gè)圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的帶負(fù)電的電子且整個(gè)原子呈電中性。半導(dǎo)體器件的材料：硅（Silicon-Si）：四價(jià)元素，硅的原子序數(shù)是14，外層有4個(gè)電子。鍺（Germanium-Ge）：也是四價(jià)元素，鍺的原子序數(shù)是32，外層也是4個(gè)電子。

簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型如圖4-1(a)的簡(jiǎn)化形式。+4慣性核價(jià)電子圖4-1(a)硅和鍺的簡(jiǎn)化原子模型⑵半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)共價(jià)鍵:由相鄰兩個(gè)原子各拿出一個(gè)價(jià)電子組成價(jià)電子對(duì)所構(gòu)成的聯(lián)系。圖4-1(b)是晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的平面示意圖。⑵半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

圖4-1(b)晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵⑵半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)

2.半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理

⑴本征半導(dǎo)體（IntrinsicSemiconductor）

純凈的、結(jié)構(gòu)完整的單晶半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。物質(zhì)導(dǎo)電能力的大小取決于其中能參與導(dǎo)電的粒子—載流子的多少。⑴本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體在絕對(duì)零度（T=0K相當(dāng)于T=－273℃）時(shí)，相當(dāng)于絕緣體。在室溫條件下，本征半導(dǎo)體便具有一定的導(dǎo)電能力。

半導(dǎo)體中的載流子自由電子空穴（Hole）

空穴和自由電子同時(shí)參加導(dǎo)電，是半導(dǎo)體的重要特點(diǎn)價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子的同時(shí)，在原來(lái)的共價(jià)鍵位置上留下了一個(gè)空位，這個(gè)空位叫做空穴?？昭◣д姾?。⑴本征半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中，激發(fā)出一個(gè)自由電子，同時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)空穴。電子和空穴總是成對(duì)地產(chǎn)生，稱為電子空穴對(duì)。半導(dǎo)體中共價(jià)鍵分裂產(chǎn)生電子空穴對(duì)的過(guò)程叫做本征激發(fā)（IntrinsicExcitation）。產(chǎn)生本征激發(fā)的條件：加熱、光照及射線照射?？昭ㄊ禽d流子嗎？⑴本征半導(dǎo)體動(dòng)畫空穴的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是價(jià)電子填補(bǔ)空穴而形成的。BA空穴自由電子圖4-1(b)晶體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共價(jià)鍵⑴本征半導(dǎo)體由于空穴帶正電荷，且可以在原子間移動(dòng)，因此，空穴是一種載流子。半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子載流子（簡(jiǎn)稱電子）和空穴載流子（簡(jiǎn)稱空穴），它們均可在電場(chǎng)作用下形成電流。⑴本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體由于熱激發(fā)而不斷產(chǎn)生電子空穴對(duì)，那么，電子空穴對(duì)是否會(huì)越來(lái)越多，電子和空穴濃度是否會(huì)越來(lái)越大呢？實(shí)驗(yàn)表明，在一定的溫度下，電子濃度和空穴濃度都保持一個(gè)定值。半導(dǎo)體中存在載流子的產(chǎn)生過(guò)程載流子的復(fù)合過(guò)程⑴本征半導(dǎo)體綜上所述：(1)半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子和空穴，電子帶負(fù)電，空穴帶正電。(2)本征半導(dǎo)體中，電子和空穴總是成對(duì)地產(chǎn)生，ni

=pi。(3)半導(dǎo)體中，同時(shí)存在載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過(guò)程。⑵雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很小，而且受溫度和光照等條件影響甚大，不能直接用來(lái)制造半導(dǎo)體器件。本征半導(dǎo)體的物理性質(zhì)：純凈的半導(dǎo)體中摻入微量元素，導(dǎo)電能力顯著提高。摻入的微量元素——“雜質(zhì)”。摻入了“雜質(zhì)”的半導(dǎo)體稱為“雜質(zhì)”半導(dǎo)體。常用的雜質(zhì)元素三價(jià)的硼、鋁、銦、鎵五價(jià)的砷、磷、銻通過(guò)控制摻入的雜質(zhì)元素的種類和數(shù)量來(lái)制成各種各樣的半導(dǎo)體器件。

雜質(zhì)半導(dǎo)體分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。⑵雜質(zhì)半導(dǎo)體①N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中加入微量的五價(jià)元素，可使半導(dǎo)體中自由電子濃度大為增加，形成N型半導(dǎo)體。摻入的五價(jià)雜質(zhì)原子占據(jù)晶格中某些硅（或鍺）原子的位置。如圖4-2所示。圖4-2N型半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵摻入五價(jià)原子①N型半導(dǎo)體摻入五價(jià)原子占據(jù)Si原子位置在室溫下就可以激發(fā)成自由電子雜質(zhì)半導(dǎo)體中仍有本征激發(fā)產(chǎn)生的少量電子空穴對(duì)。自由電子的數(shù)目高，故導(dǎo)電能力顯著提高。把這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體，其中的電子稱為多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），空穴稱為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）。在N型半導(dǎo)體中自由電子數(shù)等于正離子數(shù)和空穴數(shù)之和，自由電子帶負(fù)電，空穴和正離子帶正電，整塊半導(dǎo)體中正負(fù)電荷量相等，保持電中性。

①N型半導(dǎo)體②P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中加入微量的三價(jià)元素，可使半導(dǎo)體中的空穴濃度大為增加，形成P型半導(dǎo)體?？瘴籄圖4-3P型半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4+4+4+3+4+4+4共價(jià)鍵空位吸引鄰近原子的價(jià)電子填充，從而留下一個(gè)空穴。在P型半導(dǎo)體中，空穴數(shù)等于負(fù)離子數(shù)與自由電子數(shù)之和，空穴帶正電，負(fù)離子和自由電子帶負(fù)電，整塊半導(dǎo)體中正負(fù)電荷量相等，保持電中性。綜上所述：(1)本征半導(dǎo)體中加入五價(jià)雜質(zhì)元素，便形成N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，此外還有不參加導(dǎo)電的正離子。(2)本征半導(dǎo)體中加入三價(jià)雜質(zhì)元素，便形成P型半導(dǎo)體。其中空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，此外還有不參加導(dǎo)電的負(fù)離子。(3)雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子濃度決定于雜質(zhì)濃度，少子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其濃度與溫度有關(guān)。⑶載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)①漂移運(yùn)動(dòng)（DriftMovement）

有電場(chǎng)力作用時(shí)，電子和空穴便產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，稱為漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流稱為漂移電流。②擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由于濃度差而引起的定向運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（DiffusionMovement），載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所形成的電流稱為擴(kuò)散電流。擴(kuò)散是由濃度差引起的，所以擴(kuò)散電流的大小與載流子的濃度梯度成正比。3.PN結(jié)的形成

PN結(jié)：是指在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處形成的空間電荷區(qū)。PN結(jié)是構(gòu)成多種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

二極管的核心是一個(gè)PN結(jié)；三極管中包含了兩個(gè)PN結(jié)。濃度差引起載流子的擴(kuò)散。3.PN結(jié)的形成擴(kuò)散的結(jié)果形成自建電場(chǎng)?？臻g電荷區(qū)也稱作“耗盡區(qū)”

“勢(shì)壘區(qū)”

自建電場(chǎng)阻止擴(kuò)散，加強(qiáng)漂移。動(dòng)態(tài)平衡。擴(kuò)散=漂移3.PN結(jié)的形成

動(dòng)畫4.PN結(jié)的特性

⑴PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

①PN結(jié)外加正向電壓如圖所示，電源的正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)，這種接法叫做PN結(jié)加正向電壓或正向偏置。動(dòng)畫①PN結(jié)外加正向電壓PN結(jié)外加正向電壓時(shí)（P正、N負(fù)），空間電荷區(qū)變窄。不大的正向電壓，產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流。外加電壓的微小變化，擴(kuò)散電流變化較大。

②PN結(jié)外加反向電壓如圖所示，電源的正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)，這種接法叫做PN結(jié)加反向電壓或反向偏置。②

PN結(jié)外加反向電壓

流過(guò)PN結(jié)的電流主要是少子的漂移決定的，稱為PN結(jié)的反向電流。PN結(jié)的反向電流很小，而且與反向電壓的大小基本無(wú)關(guān)。PN結(jié)表現(xiàn)為很大的電阻，稱之截止。PN結(jié)加反向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)變寬，自建電場(chǎng)增強(qiáng)，多子的擴(kuò)散電流近似為零。反向電流很小，它由少數(shù)載流子形成，與少子濃度成正比。少子的值與外加電壓無(wú)關(guān)，因此反向電流的大小與反向電壓大小基本無(wú)關(guān)，故稱為反向飽和電流。溫度升高時(shí)，少子值迅速增大，所以PN結(jié)的反向電流受溫度影響很大。②PN結(jié)外加反向電壓

結(jié)論：PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?/p>

PN結(jié)加正向電壓產(chǎn)生大的正向電流，PN結(jié)導(dǎo)電。

PN結(jié)加反向電壓產(chǎn)生很小的反向飽和電流，近似為零，PN結(jié)不導(dǎo)電。⑵PN結(jié)的伏安特性定量描繪PN結(jié)兩端電壓和流過(guò)結(jié)的電流的關(guān)系的曲線——PN結(jié)的伏安特性。根據(jù)理論分析，PN結(jié)的伏安特性方程為外加電壓流過(guò)PN結(jié)的電流電子電荷量q=1.6×10-19C反向飽和電流絕對(duì)溫度(K)玻耳茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K自然對(duì)數(shù)的底⑵

PN結(jié)的伏安特性

令

在常溫下，T=300K，

則當(dāng)U大于UT數(shù)倍即正向電流隨正向電壓的增加以指數(shù)規(guī)律迅速增大。⑵

PN結(jié)的伏安特性

外加反向電壓時(shí)，U為負(fù)值，當(dāng)|U|比UT大幾倍時(shí)，

I≈IS即加反向電壓時(shí)，PN結(jié)只流過(guò)很小的反向飽和電流。⑵

PN結(jié)的伏安特性

曲線OD段表示PN結(jié)正向偏置時(shí)的伏安特性，稱為正向特性；曲線OB段表示PN結(jié)反向偏置時(shí)的伏安特性，稱為反向特性。U（mV）I（mA）0圖4-5PN結(jié)的理論伏安特性DT=25℃B-IS（V）0.255075100(uA)0.511.52畫出PN結(jié)的理論伏安特性曲線。⑶PN結(jié)的反向擊穿加大PN結(jié)的反向電壓到某一值時(shí)，反向電流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿，發(fā)生擊穿所需的電壓稱為擊穿電壓，如圖所示。

反向擊穿的特點(diǎn)：反向電壓增加很小，反向電流卻急劇增加。UBRU（V）I（mA）0圖4-6PN結(jié)反向擊穿①雪崩擊穿由倍增效應(yīng)引起的擊穿。當(dāng)PN結(jié)外加的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，空間電荷數(shù)目較多，自建電場(chǎng)很強(qiáng)，使流過(guò)PN結(jié)的少子漂移速度加快，可獲得足夠大的動(dòng)能，它們與PN結(jié)中的中性原子碰撞時(shí)，能把價(jià)電子從共價(jià)建中碰撞出來(lái)，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。雪崩擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度較低的PN結(jié)中。②齊納擊穿強(qiáng)電場(chǎng)破壞共價(jià)健引起的。齊納擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結(jié)中。雪崩擊穿和齊納擊穿均為電擊穿。⑷PN結(jié)的電容