1-1电子电路 模拟电路讲义PPT

反向特性
外加电压大于反向击 穿电压PN结被击穿。
导通压降 U
死区电压
外加电压大于死区 电压PN结才能导通。
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PN结的击穿
按击穿机理：
➢ 一是齐纳击穿 ， 高掺杂，耗尽层窄，不大的 反向电压在耗尽层形成很强的电场，直接破坏 共价键。
➢二是雪崩击穿 ，低掺杂，耗尽层宽，当反向电 压增大到较大值是，耗尽层的电场使少子不断 被加速，动能增大，与价电子碰撞，产生新的 电子-空穴对 。
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(2)面接触型二极管—
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管—
往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。
(c)平面型
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图 01.11 二极管的结构示意图
2. 二极管的伏安特性曲线
+++ +++ +++
P
IR
内电场 外电场
–+
N
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，PN结处于截止状态。
温度越高少子的数百度文库越多，反向电流将随温度增加。
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PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P 区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是 高阻性，电流小。
PN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，
扩散电在流一大定大的减温小度。条此件时下，
P由N本结征区激的发少决子定在的内少电子场浓的
作度用是下一形定成的的，漂故移少电子流形大成
于的扩漂散移电电流流，是可恒忽定略的扩，散基
电本流上，与P所N加结反呈向现电高压阻的性大。
小无关，这个电流也称为 图 01.08 PN结加反向电压时
2019/12/31图01.01 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图 4
（2）电子空穴对
当导体处于热力学温度0K时，导体中没 有自由电子。当温度升高或受到光的照射 时，价电子能量增高，有的价电子可以挣 脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由 电子。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
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 空穴。
－－－ － －－ + + + + + + －－－ － －－ + + + + + + －－－ － －－ + + + + + +
P
内电场 外电场
N
–+
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2. PN 结加反向电压（反向偏置）P接负、N接正
PN 结变宽
－－－ － －－ －－－ － －－ －－－－ － －
+++ +++ +++
反201向9/12饱/31 和电流。
的导电情况
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图 01.08 PN结加反向电压 时的导电情况
（动画1-5）
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PN结加正向电压 时，呈现低电阻，具 有较大的正向扩散电 流；PN结加反向电压 时，呈现高电阻，具 有很小的反向漂移电 流。由此可以得出结 论：PN结具有单向导 电性。
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当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度 梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电 过程。势垒电容和扩 散电容均是非线性电 容。
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图 01.10 扩散电容示意图
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1.1.2 二极管的基本特性
1.二极管的结构类型 2.二极管的伏安特性曲线 3.二极管的开关特性
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图 01.09 势垒电容示意图
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②扩散电容CD
扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面 积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区 的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电 流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的 附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。
反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形 成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图 如图01.10所示。
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图01.02 本征激发和复合的过程（动画1-1）
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，称为电子空穴对。游离的部 分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合， 如图01.02所示。 2019/12/3本1 征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。6
(3) 空穴的移动
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图自01.由04 电N型子半。导体结构示意图 在N型半导体中自由电子浓度大于空穴浓度，称
为多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴称为少数 载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为
正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三 价杂质 因而也称为受主杂质。
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(3) 杂质对半导体导电性的影响
掺入杂 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: 1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
n = p =1.4×1010/cm3 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:
+ + ++ + + + + ++ + + + + ++ + +
P IF
内电场 N
外电场
+–
内电场被
削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
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2. PN 结加反向电压（反向偏置）P接负、N接正
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压， 简称正偏；
P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，
简称反偏。
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① PN结正偏时 ——导通
PN结加正向电压时的导电情况如图01.07所示。
外加的正向电压有
一部分降落在PN结区， 方向与PN结内电场方向
相反，削弱了内电场。
空间电荷区形成内电场


内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
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最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于 P型半导体和N型 半导体结合面， 离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区，由于缺少 多子，所以也称 耗尽层。
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图01.06 PN结的形成过程
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图示
注意：温度对 二极管伏安特 性的影响。
图 01.12 二极管的伏安特性曲线
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图 示
图 01.13 温度对二极管伏安特性曲线的影响
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(3) PN结的伏安特性
由PN结的单向导电特性，有关理论分析，
PN结两端偏置电压uD与PN结中流过的电流I之间 的关系为：
quD
uD
I IS (e kT 1) IS (euT 1)
uT ——温度电压当量。
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特点：非线性
I
正向特性
反向击穿 电压U(BR)
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
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(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01.01。
(c)
(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图
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。掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
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(1）N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形
成 N型半导体,也称电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半
n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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3. PN结
(1) PN结的形成 (2) PN结的单向导电性 (3) PN结的伏安特性 (4) PN结的电容效应
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(1) PN结的形成
根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下 式表示:
uD
I IS (e UT 1)
(1.1)
式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的 电压降，UT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳 兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对
于室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV。
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(4) PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应，它由两方面的 因素决定。
一是势垒电容CB ， 二是扩散电容CD 。
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① 势垒电容CB
势垒电容是由空间电荷区的宽度随外加电压的 变化而变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多 或减少。这相当PN结中存储的电荷量也随之变化， 犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图01.09。
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(2) P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等 形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。
因原子在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。
图01.05 P型半导体的结构示意图
P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。
扩散的结果使 空间电荷区变宽。
扩散和漂移 这一对相反的 运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚 度固定不变。
空间电荷区 也称 PN 结
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在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,
分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半
导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半导 体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 特点:导电能力可控(受控于光、热、杂质等)
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1.1.1 半导体及PN结
1.本征半导体
(1)本征半导体的共价键结构 (2)电子空穴对 (3)空穴的移动
本征半导体——化学成分纯净的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。
自由电子的定 向运动形成了电子 电流，空穴的定向 运动也可形成空穴 电流，它们的方向 相反。只不过空穴 的运动是靠相邻共 价键中的价电子依 次充填空穴来实现 的 。 见 图 01.03 的 动画演示。
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图01.03 空穴在晶格中的移动
（动画1-2）
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2. 杂质半导体
(1) N型半导体 (2) P型半导体 (3) 杂质对半导体导电性的影响
于是,内电场对多子扩散
运动的阻碍减弱，扩散
电流加大。扩散电流远
大于漂移电流，可忽略 漂移电流的影响，PN结 呈现低阻性。
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图01.07 PN结加正向电压 时的导电情况
（动画1-4）
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② PN结反偏时 ——截止
PN结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。
外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与
第一章 半导体器件概述 1.1 PN结及二极管 1.2 半导体三极管 1.3 半导体场效应管 1.4 集成运算放大器
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1.1 PN结及二极管
1.1.1 半导体及PN结 1.1.2 二极管的基本特性 1.1.3 二极管的主要参数及电路模型 1.1.4 特殊二极管
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导 体、绝缘体和半导体。
少子的漂移运动
内电场越强，漂移运
动越强，而漂移使空间 电荷区变薄。
P 型半导体
内电场 N 型半导体
－－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + + －－－－－－ + + + + + +
浓度差 形成空间电荷区
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多子的扩散运动
（动画1-3）
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两种载流子的 两种运动 动态平衡时
形成PN结
两种运动：
扩散（浓度差）
漂移（电场力）
PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻
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(2) PN结的单向导电性
1) PN 结加正向电压（正向偏置） P接正、N接负
PN 结变窄
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －