低频电子线路PPT

漂移运动和漂移电流
漂移运动：载流子在电场力作用下所 作的 运动称为漂移运动。 漂移电流：载流子漂移运动所形成的 电流称为漂移电流。
漂移电流大小与电场强度成正比
22
1.1.3 载流子运动方式及其电流
扩散运动及扩散电流
扩散运动：载流子受扩散力的作用所 作的运动称为扩散运动。 扩散电流：载流子扩散运动所形成的 电流称为扩散电流。
热敏性
半导体的电阻率随着温度的上升而明显地 下降
光敏性
半导体的电阻率随着光照的增强而明显 地下降
10
1.1.1 本征半导体
本征激发与复合
复合：激发后的自由电子释放能量，重
新回到束缚状态即自由电子与空穴成对消失
的过程。 载流子的密度 复合
11
1.1.1 本征半导体
本征半导体中的载流子密度
热(T)
整流电路 限幅电路


62
晶体二极管
晶体二极管电路举例
门电路
例1：图a示二极管 门电路（VD 理想）
求：uO
解：uO = 0 电路变化后（图c）: uO = -2.5V
(c)
63
晶体二极管
整流电路
(电路举例:续)
例2：半波整流电路中VD 理想，画出uO (t)波形
解：输出uO(t) 取决于VD 的工作状态是通还是断
晶体二极管电路分析方法
晶体二极管电路举例
41
1.2.2 晶体二极管
结构与符号
点接触型
面结合型
平面型
符号
42
半导体二极管图片
1.2.2 晶体二极管
伏安特性
正向特性： 存在门限Ur
锗管 Ur 0.2V 硅管 Ur 0.6或0.7V
伏安特性图
小电流范围近似呈指 数规律，大电流时接 近直线
扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比
23
1.2 PN结与晶体二极管
24
1.2.1 PN结基本原理
PN结的形成
内建电场
空间电荷区/耗尽层
25
1.2.1 PN结基本原理
P区的一些空 穴向N区扩散
交界处的浓度差 扩散 N区的一些电 子向P区扩散 P区留下带负 电的受主离子 内建电场 漂移电流 动态平衡 扩散电流
稳压管主要参数
稳定电压UZ：即PN结击穿电压 稳定电流IZ ：Izmin< IZ< IZmax 动态电阻rZ ：定义rZ =u/i
rZ，则稳压性能越好
额定功耗PZ ：实际功耗超过PZ 易使稳压管损坏
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晶体二极管(特殊二极管:续)
稳压管等效电路
反向运用 正向运用
稳压管等效电路
Ur为门限电压
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伏安特性的数学表达式
kT UT 26m V q
T 300 K时
i I s (e
u / UT
1)
i I se
u / UT
√正向特性近似 ;
eu /UT 1 时
√反向特性近似
i I s
; eu /U 1 时
T
48
晶体二极管
主要参数
性能参数 参数 表征性能
极限参数
C0 CT u (1 ) u
CT值随外加电压的改变而改变，为非线性电容。
1.2.1 PN结基本原理
扩散电容CD
由势垒区两侧的P区和N区正负电荷混合贮存所产生。PN结加 正向电压时P区的空穴注入到N区，吸引N区带负电的电子到其附近； 同时，N区的电子注入到P区，吸引P区里带正电的空穴到其附近。 它们不会立即复合，而有一定的寿命，从而形成势垒区两侧正负 电荷混合贮存的现象。呈现出的电容效应称为扩散电容。 n ：电子寿命 p ：空穴寿 命 I:正向电流 UT ：热电 压 CD 值与PN结的正向电流I成正比 。
1.2.1 PN结基本原理
击穿特性
击穿概念：
PN结外加反向电压值超过一定限度时，反向 电流急剧增加的现象。
击穿电压：PN结击穿时的外加电压(即:Uz)
雪崩击穿
击穿分类：
齐纳击穿
35
1.2.1 PN结基本原理
雪崩击穿:
反向电压 内建电场 漂移少子碰 撞中性原子
产生新的电子空穴对
反向电流
特点： Uz>6V
硅(Si)
锗(Ge)
每个原子和相邻的4个原子相互补足8 个电子，形成稳定结构。
6
硅和锗的原子结构和共价键结构
1.1.1 本征半导体
本征激发与复合
激发：价电子获取外能由
束缚状态变为自由状体的过程
（热）温度 光 核辐射 …… 电子
激发
一对载流子
空穴（带正电）
8
本征激发产生电子空穴对
1.1.1 本征半导体
采用牛顿-拉夫森迭代算法
迭代公式：
x
( K 1)
x
(K )
f (x ) (K ) f ( x )
60
(K )
晶体二极管
折线化近似法
理想特性曲线
(电路分析方法:续)
只考虑门限的特性曲线
考虑门限电压和正向导通电阻 仅考虑正、反向导通电阻的特 性曲线 的特性曲线 61
晶体二极管应用电路

门电路
1.2.1 PN结基本原理
小结 PN结正向运用时 CT、CD同时存在，CD起主要作用 PN结反向运用时，只有CT 。
PN结存在电容效应将限制器件工作频率
利用PN结反向运用时的CT 可制作变容二极管
1.2.2 晶体二极管
晶体二极管结构与符号 晶体二极管伏安特性 晶体二极管参数
18
1.1.2 杂质半导体
P型半导体
结构图
本征半导体 +受主杂质 (三价元素) = P型半导体
19
P型半导体共价键结构
1.1.2 杂质半导体
杂质原子电离 热激发 空穴 空穴 负离子 电子
P型半导体中的多数载流子(多子）
为空穴。电子为少数载流子（即少子）
21
1.1.3 载流子运动方式及其电流
表征安全工作范围
49
晶体二极管
性能参数
直流电阻 RD ： 定义 RD = U / I |Q点处 RD是 u 或 i 的函数
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晶体二极管
性能参数
交流电阻 rd ：
(主要参数:续)
定义 rd = du / di |Q点处
计算 rd =
26 U T/ I Q m V IQ
势垒电容CT ： 影响器件最高工作频率
晶体二极管(特殊二极管:续)
变容二极管
(a)符号 (b)特性
• 变容二极管利用PN结的势垒电容效应制作 • 变容二极管必须工作于反偏状态。
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晶体二极管(特殊二极管:续)
•光电二极管
光电二极管工作于反偏状态。其反向电流与光照 度E成正比关系。 光电二极管可用作光测量。
•发光二极管
发光二极管工作于正偏状态。其发光强度随 正向电流增大而增大。
36
1.2.1 PN结基本原理
齐纳击穿
反向电压 重掺杂 PN结宽度 破坏共价键
内建电场
产生新的电子空穴对 反向电流
特点： Uz<6V
利用PN结击穿特性可以制作稳压管。
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1.2.1 PN结基本原理
电容特性
势垒电容CT 由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它两边的 P区和N区相当于金属。当外加电压改变时，势垒区的电荷量改 变引起的电容效应，称为势垒电容。

1.2.1 PN结基本原理
PN结特性

单向导电性 击穿特性
电容特性
29
1.2.1 PN结基本原理
单向导电性
PN结加正向电压 PN结外加正向电压时， 内建电场被削弱，势垒高 度下降，空间电荷区宽度 变窄，这使得P区和N区能 越过这个势垒的多数载流 子数量大大增加，形成较 大的扩散电流。 • PN结呈现为小电阻 • 结宽变窄
未加偏压时的耗尽层
•该状态称为PN结反向 截止状态。
加反向偏压 时的耗尽层
UΦ+U UΦ
合成电场
PN结外加反向电压
小结
PN结加正向电压时，正向扩散电流 远大于漂移电流，PN结导通；PN结 加反向电压时，仅有很小的反向饱 和电流IS,考虑到IS0，则PN结截止。 PN结正向导通、反向截止的特性称 PN结的单向导电特性。 外电压可改变结宽。
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晶体二极管
(主要参数:续)
极限参数 最大允许整流电流IOM ：
工作电流>IOM易导致二极管过热失效
最高反向工作电压URM :
允许加到二极管(非稳压管)的最高反向电压
最大允许功耗PDM :
实际功耗>PDM 时易导致二极管过热损坏
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晶体二极管
特殊二极管
稳压管 V-A特性及符号
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晶体二极管(特殊二极管:续)
第1章
半导体器件
第一章 目录
半导体的基础知识
本征半导体 杂质半导体 载流子运动方式及形成电流
PN结与晶体二极管
PN结的基本原理 晶体二极管
晶体二极管电路
2
第一章 目录ห้องสมุดไป่ตู้续）
晶体三极管
晶体三极管的结构与符号
晶体管的放大原理
晶体三极管特性曲线
晶体管的主要参数
场效应晶体管
结型场效应晶体管（JFET） 绝缘栅场效应管（IGFET）
解： uO (t )

i 0V uI (t ) ；VD导通 u >0V i
；VD截止u <0V
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晶体二极管
限幅电路
(电路举例:续)
例3:限幅电路中VD 理想，求uO(t)并画出波形。
解：
u i ( t ) ；VD截止 ui <5V u O (t ) 5V ；VD导通 ui 5V
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晶体二极管
稳压电路
图示稳压电路中：uI=12V， UZ=6V， R=4K。当RL 分别为8K 、 6K 、2K和1K时，求对应输出 电压uO 。
(电路举例:续)
解： 输出电压uO(t) 取决于VZ 的工作状态，即：击穿与否。
15
1.1.2 杂质半导体
杂质半导体分：N型半导体和P型半导体两类
N型半导体
结构图
本征半导体 +施主杂质(五价元素)
= N型半导体
16
N型半导体的共价键结构
1.1.2 杂质半导体
杂质原子电离 热激发 电子 电子 正离子 空穴
N型半导体中的多数载流子(即多子）
为电子。空穴为少数载流子（即少子）
激发
复合
载流子密度
热平衡 载流子密度
温度约每升高10度，ni(T)、pi(T)增大一倍。 T=300K Si
ni pi 1.5 10 / cm
10
3
si 2.315105 cm
12
1.1.1 本征半导体

半导体掺杂性
半导体掺杂后其电阻率大大地下降。
掺杂后的半导体称作杂质半导体。
45
1.2.2 晶体二极管(V-A特性:续)
反向特性
曲线近似呈水平线，略有倾斜
反向电流
反向饱和电流Is
击穿特性
反向电流急剧增加而二极管端压 近似不变。
46
1.2.2 晶体二极管
伏安特性的温度特性：
(V-A特性:续)
T则Ur
T则IS
Tr则Uz 雪崩击穿 T2T1 dU 2.0 ~ 2.5(mV / 10 C) dT IS (T2 ) IS (T1 )2 T则Uz 齐纳击穿 47
场效应管的参数及特点
3
1.1 半导体的基础知识
4
1.1.1 本征半导体

半导体
< 10-3Ω·cm:导体

介于导体和绝缘体之间:半导体 > 108Ω·cm:绝缘体
本征半导体: 纯净而不含杂质的半导体
常用半导体材料：Si、Ge、GaAs
5
1.1.1 本征半导体

共价键结构
半导体的原子结构:
未加偏压时的耗尽层
加偏压时 的耗尽层
UΦ–U 合成电场
UΦ
• PN结正向导通状态
PN结外加正向电压
1.2.1 PN结基本原理
PN结加反向电压 PN外加反向电压时，内建 电场被增强，势垒高度升高， 这就使得多子扩散运动很难进 行，扩散电流趋于零，而少子 更容易产生漂移运动 。 •流过PN结的电流称为反向饱 和电流(即IS)，PN结呈现为大 电阻。 •结宽增加。
发光二极管主要用作显示器件。
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晶体二极管电路分析方法

图解法 迭代法
折线化近似


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晶体二极管
晶体二极管电路分析方法
图解法
u U iR
i = f (u )
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晶体二极管
(电路分析方法:续)
计算机辅助分析法（迭代法）
据电路列方程组
U D U T ln( I D /I s 1) I D (U U D )/R
N区留下带正 电的施主离子
抑制扩散 PN 结
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1.2.1 PN结基本原理
UΦ：势垒电压
UΦ= 0.6~0.8V 0.2~0.3V UΦ 阻止多子继续 扩散，同时有利少 子定向漂移
空间电荷区/耗尽层
内建电场
UΦ
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小结
载流子的扩散运动和漂移运动既互 相联系又互相矛盾。 漂移电流=扩散电流时，PN结形成且 处于动态平衡状态。 PN结没有电流 通过。 掺杂越重，结宽越窄。
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小结
（1）半导体中存在两种载流子，一种是带 负电的自由电子，另一种是带正电的空穴， 它们都可以运载电荷形成电流。 （2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴 产生，数目相同。
（3）一定温度下，本征半导体中电子空穴 对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的 数目相对稳定。
14
小结
（4）温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半 导体的导电能力增强。 （5）空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一 个主要特征。