模拟电子技术基础常用半导体器件

t
UREF+Uon=3.5 V
I

O

(c)
(d)
{end}
(1-44)
应用举例——补充
3. 脉冲识别电路
ui uR ui R uR RL uo uo
请同学自己分析教科书
例 1.2.1
(1-45)
t
t
t
•1.3 电路如图P1.3所示，已知ui＝10sinω t(v)，试画出ui与uO的波形。
iD
VDD iD +
VDD
+ Uon rD
（硅二极管典型值） Uon 0.5 V
设 rD 0.2 k
D
UD
D

D


VDD Uon ID 0.931mAU D Uon I DrD 0.69 V R rD
(1-40)
二极管的近似分析计算
例： R 1kΩ I 恒压源模型 R E 10V 理想二极管模型 R E 0.7V 10V
(1-39)
应用举例——补充
1. 二极管的静态工作情况分析
VDD=10V 情况分析（R=10k）
理想模型
U D 0 V I D VDD / R 1 mA
恒压模型
I D (VDD U D ) / R 0.93 mA
折线模型
（硅二极管典型值） U D 0.7 V
VDD iD +
二极管的结构示意图
(a)点接触型
(1-26)
(2) 面接触型二极管
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造 艺中。PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管
阳极 阴极 引线 引线
(4) 二极管的代表符号
阳极 a k 阴极
P N P 型支持衬底
(1-15)
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 内电场E N型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
所以扩散和漂 + + + + + + 移这一对相反 的运动最终达 + + + + + + 到平衡，相当 + + + + + + 于两个区之间 没有电荷运动， + + + + + + 空间电荷区的 厚度固定不变。
(1-12)
杂质半导体的示意图表示法
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P型半导体
N型半导体
(1-13)
内容回顾： 1.扩散定理 2.电场概念
P型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + +
+ + + + + + 内电场越强，就使漂 移运动越强，而漂移 + + + + + + 使空间电荷区变薄。 + + + + + +
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽,内电场越强。 扩散运动
(1-35)
一、由伏安特性折线化得到的等效电路 1. 理想模型 2. 恒压降模型 3. 折线模型
Uon
Uon
硅管：U D 0.7V ; 锗管：U D 0.2V .
(1-36)
工程上： 二极管的应用举例
R iD + vD
导通压降: 硅管0.7V,锗管0.2V。
-
(1-37)
例题 1.2.1 已知二极管导通电压为0.7V。试分 别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。 解： 当开关断开时，输出电压为
空穴
+4
+4
+3
+4
硼原子
(1-10)
P型半导体
P型半导体中空穴是多子，电子是少子。物理模型为：
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
(1-11)
1.1.3 PN结
一. PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N型半导体，经过载流子的扩 散，在它们的交界面处就形成了PN结。
(d) 代表符号
(c)平面型
(1-27)
1.2.2 二极管的伏安特性
(1-28)
伏安特性
800C
200C
I
SI
死区电压: 硅 管0.5V,锗管 0.1V。
UBR
反向击穿电 压U(BR)
Uon
U
GE
(1-29)
(1-30)
(1-31)
(1-32)
1.2.3 二极管的主要参数
(1) 最大整流电流IF
kT UT q
IS 为反向饱和电流， q为电子的电量，k为玻尔 兹曼常数，T为热力学温度。常温下 UT 约为26mv。
(1-20)
*四. PN结的电容效应 在一定条件下，PN结具有电容效应， 主要由两部分组成： 势垒电容CB和扩散电容CD。
(1-21)
PN结高频小信号时的等效电路： rd
势垒电容和扩散 电容的综合效应
(1-22)
§1.2 半导体二极管 半导体二极管图片
(1-23)
(1-24)
{end}
(1-25)
1.2.1 半导体二极管的结构
在PN结上加上引线和外壳，就成为一个二极 管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平 PN结面积小，结电 面型三大类。 容小，用于检波和变频等
高频电路。
(1) 点接触型二极管
(1-8)
N型半导体
N型半导体中的载流子是什么？
自由电子称为多数载流子（多子），由于掺 入少量的五价元素形成的。空穴称为少数载流 子（少子），由于热激发产生的。物理模型为：
+ + + + + + + + + + + + + + + + + +
+ + + + + +
(1-9)
P型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或 铟）。
(1-5)
半导体的导电机理不同于其它物质，所 以它具有不同于其它物质的特点。比如： 热敏性、光敏性、掺杂性。 当受外界热和光的作用时，它的导 电能力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质， 会使它的导电能力明显改变。
(1-6)
1.1.3 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质， 就会使半导体的导电性能发生显著变化。
PN结处载流子的运动
漂移运动 内电场E N型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + +
空间电荷区
扩散运动
(1-14)
PN结处载流子的运动
漂移运动 P型半导体 内电场E N型半导体
E
1kΩ
I
1kΩ I
10V
测量值 9.32mA
Байду номын сангаас
(10 0.7)V I 9.3mA 1K
I
10 V 10 mA 1K
相对误差

9.32 9.3 100 0 0 0.2 0 0 9.32
相对误差

10 9.32 100 0 0 7 0 0 9.32
二极管的模型
•设二极管正向导通电压可忽略不计。
图P1.3
解图P1.3
(1-46)
1.4 电路如图P1.4所示，已知ui＝5sinωt (V)，二极管导通电压UD＝0.7V。 试画出ui与uO的波形，并标出幅值。
图P1.4
解图P1.4
(1-47)
课程回顾
1. 学习方法
概念清楚 重点突出 熟练掌握：作业题和典型例题
NmA量级） （
外电场
内电场
(1-18)
PN结反向偏置 变厚
－ + + + + 内电场被被加强， 多子的扩散受抑 制。少子漂移加 强，但少子数量 有限，只能形成 + 较小的反向电流。 （uA量级）
_ P
－ － －
N
内电场 外电场
(1-19)
三. PN结的伏安特性 在PN结的两端加 上电压后，通过PN结 的电流I随两端的电 压V变化的曲线－伏 安特性
v D i D
根据 iD I S (e vD / VT 1)
得Q点处的微变电导
1 diD gd rd dvD
则 rd
Q
I S v D / VT e VT
Q
ID VT
1 UT gd I D
常温下（T=300K）
U 26 mV VT 26 (( mV )) rr dd ID I (mA ) I ID D D ( mA)
二极管的V—A特性
i
串联电压源模型
i
u UD u UD
+
i
UD
UD
0
u
u
UD
u
-
导通压降
U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。
理想二极管模型
+
u
i
i
正偏
反偏
+
u
u
i
-
讨论：解决两个问题

如何判断二极管的工作状态？ 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？
V uD iD R
2. 杂质半导体： N型半导体中电子是多子， P型半导体中空穴是多子 3. PN结的单向导电性
(1) 扩散运动涉及多子的运动；漂移运动涉及少子的运动,动态平衡；
(2) PN结加上正向电压，扩散运动为主，所以正向电流很大（mA)；
(3) PN结加上反向电压，漂移运动为主，所以反向电流很小(uA)。
(1-48)
UO VI UD 6V 0.7V 5.3V
当开关闭合时，二极管因外加反向电压而截止，故输出电压为
UO V2 12V
注：这里采用二极管 恒压降模型
(1-38)
二、 二极管的 微变等效电路
——小信号交流模型
二极管工作在正向特性的某一小范围内时， 其正向特性可以等效成一个微变电阻。 即 rd
4. 半导体二极管
(1) 二极管的代表符号
对V和Ui二极管的模 型有什么不同？ V与uD可比，则需图解： ID 实测特性
Q
uD=V－iR
UD
应用举例——补充
+
R + D +
R rD Uon UREF (b) +
2. 限幅电路
例2.4.2 提示
I
UREF (a)
O

I

O

(1) uI (U on U REF ) 3.5 V 时
(2) 反向击穿电压UBR和 最大反向工作电压URM
(1-33)
(4) 最高工作频率 fM 二极管工作的上限截止频率。
(1-34)
1.2.4 二极管的等效电路
能够用简单、理想的模型来模拟电子 器件的复杂特性或行为的电路称为等效电路， 也称为等效模型。 能够模拟二极管特性的电路称为二极管的
等效电路，也称为二极管的等效模型。
其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度 大大增加。 使自由电子浓度大大增加的杂质半导体 称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓 度大大增加的杂质半导体称为P型半导体 （空穴半导体）。
(1-7)
N型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）。
磷原子
+4
+4
多余电子
+5
+4
硅原子的半径: 1.17x10-10米
(1-2)
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和 锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
电子器件所用的半导体一般都具有晶体结构， 因此把半导体也称为晶体。
(1-3)
1.1.1 本征半导体
完全纯净的、结构完整的半导体晶体， 称为本征半导体。
在硅和锗晶体中，原子相互之间靠的很近， 分属于每个原子的价电子受到相邻原子的影响， 而使价电子为两个原子所共有，每个原子与其 相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
第1章 常用半导体器件
§ 1.1 半导体基础知识 § 1.2 半导体二极管 § 1.3 双极型三极管 § 1.4 场效应管
(1-1)
§1.1 半导体基础知识 补充概念： 导体、半导体和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体 之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些 硫化物、氧化物等。
扩散运动
(1-16)
二. PN结的单向导电性
PN结加上正向电压、正向偏置的意 思都是： P区加正、N区加负电压。
PN结加上反向电压、反向偏置的意 思都是： P区加负、N区加正电压。
(1-17)
PN结正向偏置
变薄 － + + + + 内电场被削弱， 多子的扩散加强
能够形成较大的
扩散电流。_
+
－
P
－ －
(1-4)
本征半导体的导电机理 在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时, 价电子完全被共价键束缚着，本征半导体 中没有可以运动的带电粒子（即载流子）， 它的导电能力为0，相当于绝缘体。
在常温下，由于热激发，使一些价电子 获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成 为自由电子，同时共价键上留下一个空位， 称为空穴。
R + +
O/V
斜率 t
O/V
rD 斜率 0.17 rD+R I/V
I
UREF
O

(2) vI (Vth VREF ) 3.5 V 时
R + rD Uon UREF +