低频电子线路PPT

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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。
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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
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1.1.1 本征半导体
❖ 共价键结构 硅(Si)
锗(Ge)
半导体的原子结构:
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。
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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
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1.2 PN结与晶体二极管
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1.2.1 PN结基本原理
❖ PN结的形成
内建电场
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空间电荷区/耗尽层
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1.2.1 PN结基本原理
交界处的浓度差
P区留下带负 电的受主离子 N区留下带正 电的施主离子
扩散
P区的一些空 穴向N区扩散
N区的一些电 子向P区扩散
载流子的密度
复合
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1.1.1 本征半导体
❖本征半导体中的载流子密度
热(T)
激发 复合
载流子密度 载流子密度
热平衡
温度约每升高10度，ni(T)、pi(T)增大一倍。
T=300K Si nipi1.51100 /cm 3
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si2.311550 •cm 12
1.1.1 本征半导体
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
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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。
扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比
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晶体二极管 (主要参数:续)
性能参数
交流电阻 rd ：
定义 rd = du / di |Q点处
计算 rd = UT/ IQ
26 IQ
mV
势垒电容CT ：
影响器件最高工作频率
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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
• 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。
发光二极管主要用作显示器件。
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√正向特性近似
i Iseu/UT ;
√反向特性近似
eu/UT 1 时
i Is
; eu/UT 1 时
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晶体二极管
❖ 主要参数
性能参数
表征性能
参数
极限参数
表征安全工作范围
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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
扩散电流
内建电场
漂移电流 动态平衡
抑制扩散
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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
空间电荷区/耗尽层
UΦ阻止多子继续 扩散，同时有利少 子定向漂移
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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。
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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 正离子 电子 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）
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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
门电路 整流电路 限幅电路
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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 (c)
电路变化后（图c）:
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uO
=
-2.5V
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晶体二极管 (电路举例:续)
整流电路
例2：半波整流电路中VD 理想，画出uO (t)波形
•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。
•该状态称为PN结反向 截止状态。
加反向偏压 时的耗尽层
未加偏压时的耗尽层
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。
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
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第一章 目录（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）
❖ 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。
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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。
❖ 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
❖ 晶体二极管电路分析方法
❖ 晶体二极管电路举例
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1.2.2 晶体二极管
❖ 结构与符号
点接触型
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面结合型
平面型
符号
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半导体二极管图片
1.2.2 晶体二极管
❖ 伏安特性
伏安特性图
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雪崩击穿:
反向电压
内建电场
产生新的电子空穴对
反向电流
特点： Uz>6V
漂移少子碰 撞中性原子
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1.2.1 PN结基本原理
齐纳击穿
反向电压
重掺杂
PN结宽度
内建电场
破坏共价键
产生新的电子空穴对
特点： Uz<6V
反向电流
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
绝缘栅场效应管（IGFET）
2021/3/1场1 效应管的参数及特点
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1.1 半导体的基础知识
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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
采用牛顿-拉夫森迭代算法
迭代公式：
x(K1) x(K) f(x(K)) f (x(K))
百度文库
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晶体二极管 (电路分析方法:续)
折线化近似法
理想特性曲线
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
的特性曲线
性曲线
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晶体二极管应用电路
p ：空穴寿 n ：电子寿命
命
UT ：热电
I:正向电流
压
CD 值与PN结的正向电流I成正比 。
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
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。
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
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1.2.1 PN结基本原理
1.2.2 晶体二极管 (V-A特性:续)
伏安特性的温度特性：
T则Ur
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T则IS
ddITTSU rT ( T则 则2)2.UU0~ IzzS2(.T 5雪 齐(1m )2崩 纳T/2V 1击 击C 0T1)穿 穿47
伏安特性的数学表达式
UT kqT26mVT30K 0时
iIs(eu/UT 1)
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。
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
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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
解：输出uO(t) 取决于VD 的工作状态是通还是断
u(t) 解： O
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0V ；VD截止ui <0V uI(t) ；VD导通 ui >0V
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
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Ur为门限电压 55
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
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)
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
核辐射 ……
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激发
电子 一对载流子
空穴（带正电）
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本征激发产生电子空穴对
1.1.1 本征半导体
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
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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。
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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 负离子 空穴 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）
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1.1.3 载流子运动方式及其电流
❖ 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。
❖ 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。
CT
C0 (1 u
)
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。
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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
uUiR
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 IDD(U UTlU n(D ID )//RIs 1)
正向特性：
存在门限Ur
锗管 Ur 0.2V 硅管 Ur 0.6或0.7V
小电流范围近似呈指 数规律，大电流时接 近直线
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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。
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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
加偏压时 的耗尽层
阻 • 结宽变窄
• PN结正向导通状态
未加偏压时的耗尽层
UΦ
UΦ–U 合成电场
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 。