模拟电路基础.ppt

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路路勇勇（第一、二、三、四、七章第一、二、三、四、七章）李金平（李金平（第八章第八章）祁祁英英（第六章第六章）张玉慧张玉慧（第五章第五章）1999年12月第一章第一章第二章第二章第三章第三章第四章第四章第五章第五章第六章第六章第七章第七章第八章第八章绪绪论论绪论1.19041.1904年发明了真空二极管年发明了真空二极管第一代第一代电子器件诞生。

电子器件诞生。

2.19482.1948年研制出晶体三极管年研制出晶体三极管第二代第二代电子器件出现。

电子器件出现。

3.503.50年代末研制出集成电路年代末研制出集成电路第三代第三代电子器件出现。

电子器件出现。

4.4.近几十年来集成电路近几十年来集成电路发展发展成小规模、中规模、大规模及超成小规模、中规模、大规模及超大规模（几十平方毫米的片子上，可集成上百万个元件）大规模（几十平方毫米的片子上，可集成上百万个元件）5.5.电子技术学科可划分为两类：

电子技术学科可划分为两类：

（1）.

（1）.模拟电子技术：

可细分为高频、低频，主要研究对模拟信模拟电子技术：

可细分为高频、低频，主要研究对模拟信号的处理。

号的处理。

（2）.

（2）.数字电子技术：

研究逻辑电路，对数字信号进行处理。

数字电子技术：

研究逻辑电路，对数字信号进行处理。

电子技术与日常生活息息相关、其发展随器件的发展经历了电子技术与日常生活息息相关、其发展随器件的发展经历了以下几个阶段：

以下几个阶段：

第一章晶体二极管及其应用半导体的基础知识半导体的基础知识PN结与晶体二极管结与晶体二极管光电二极管和发光二极光光电二极管和发光二极光二极管的应用二极管的应用第一节第一节第二节第二节第三节第三节第四节第四节一、半导体的特性：

一、半导体的特性：

1.1.什么是导体、绝缘体、半导体：

什么是导体、绝缘体、半导体：

（1）.

（1）.导体：

导电性能良好的物质。

导体：

导电性能良好的物质。

（3）.（3）.半导体：

导电能力介于导体和半导体之间。

半导体：

导电能力介于导体和半导体之间。

第一节半导体基础知识2.2.半导体的特性：

半导体的特性：

（1）.

（1）.掺杂特性。

掺杂特性。

（掺入杂质则导电率激增掺入杂质则导电率激增）

（2）.

（2）.热敏特性。

热敏特性。

（温增则导电率显增温增则导电率显增）（3）.（3）.光敏特性。

光敏特性。

（光照可增加导电率光照可增加导电率、产生电动势产生电动势）导电率为105s.cm-1量级，如：

金、银、铜、铝。

（2）.

（2）.绝缘体：

几乎不导电的物质。

绝缘体：

几乎不导电的物质。

导电率导电率1010-22-22-10-10-14-14s.cms.cm-1-1量级，如：

橡胶、云母、量级，如：

橡胶、云母、塑料等。

塑料等。

导电率为导电率为1010-9-9-10-1022s.cms.cm-1-1量级，如：

硅、锗、量级，如：

硅、锗、砷化镓等。

砷化镓等。

二、本征半导体：

（一一）硅和锗晶体的共价健结构硅和锗晶体的共价健结构1.1.硅和锗均为硅和锗均为44价元素。

价元素。

2.2.晶体中晶格决定原子间按一晶体中晶格决定原子间按一定规律排列得紧密。

（四面定规律排列得紧密。

（四面体结构体结构）3.3.外层电子成为共价键。

外层电子成为共价键。

+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体本征半导体：

完全纯净、：

完全纯净、结构完整的半导体晶体。

结构完整的半导体晶体。

（二）两种载流子电子和空穴T=300KT=300K时时:

少数载流子获得能量少数载流子获得能量,从价带导从价带导带带自由电子自由电子，（本正激发本正激发）自由电子自由电子导带导带禁带禁带Eg价带价带空穴空穴载流子的能带图载流子的能带图T=0KT=0K时时:

价电子被束缚在价带内，晶体中价电子被束缚在价带内，晶体中无无自由电子自由电子.1.1.电子空穴对：

电子空穴对：

电子和空穴是成对产生的电子和空穴是成对产生的.价电子价电子在原位置留下空位在原位置留下空位空穴空穴。

两种载流子电子和空穴2.2.自由电子自由电子载流子：

载流子：

在外电场作用下形成电子流（在在外电场作用下形成电子流（在导带内运动），导带内运动），方向与电场方向相反。

方向与电场方向相反。

外电场外电场E的方向的方向电子流电子流空穴流空穴流E载流子的能带图载流子的能带图3.3.空穴空穴载流子：

载流子：

在外电场作用下形成空穴流（在价在外电场作用下形成空穴流（在价带内运动），带内运动），方向与电场方向相同方向与电场方向相同4.4.漂移运动：

漂移运动：

载流子载流子在电场作用下的定向运动。

在电场作用下的定向运动。

导带导带禁带禁带价带价带自由电子自由电子空穴空穴（三）载流子的浓度nnii=A=A00TT3/23/2ee-EG/2kT-EG/2kT（1-1）（1-1）AA00与材料有关的常数。

与材料有关的常数。

EEGG禁带宽度。

禁带宽度。

TT绝对温度。

绝对温度。

KK玻尔兹曼常数。

玻尔兹曼常数。

nnii与温度与温度TT和和禁带宽度禁带宽度EEGG有关。

有关。

本征半导体本征半导体中电子的浓度中电子的浓度本征半导体本征半导体中空穴的浓度中空穴的浓度p（p（空穴浓度空穴浓度）:

）:

表示单位体积的空穴数。

表示单位体积的空穴数。

（ppii）n（n（电子浓度电子浓度）:

）:

表示单位体积的自由电子数。

（表示单位体积的自由电子数。

（nnii）当材料一定时：

当材料一定时：

载流子的浓度主要取决于温度；载流子的浓度主要取决于温度；温度增加使导电能力激增。

温度增加使导电能力激增。

且温度可人为控制且温度可人为控制。

（四）载流子的产生与复合nnii（电子浓度）：

是动态平衡值。

电子浓度）：

是动态平衡值。

g（g（载流子的产生率载流子的产生率）:

）:

每秒成对产生的电子空每秒成对产生的电子空穴的浓度。

穴的浓度。

R（R（载流子的复合率载流子的复合率）：

每秒复合的载流子的浓每秒复合的载流子的浓度。

度。

当当g=Rg=R时：

时：

R=R=rnrniippii（1-2）（1-2）其中其中rr是和材料有关的系数是和材料有关的系数杂质半导体3.3.在在PP型半导体中：

型半导体中：

空穴空穴为多数载流子为多数载流子自由电子自由电子为少数载流子为少数载流子+4+4+4+4+3+4+4+4+4

（二）

（二）PP型半导体型半导体1.1.在四价元素中掺入三价元素铟：

在四价元素中掺入三价元素铟：

三价元素与周围四个原子形成共价三价元素与周围四个原子形成共价健，因缺少一个电子形成健，因缺少一个电子形成“空穴空穴”。

2.2.铟原子在电场作用下接受一个铟原子在电场作用下接受一个电子电子受主杂质受主杂质（负离子）（负离子）三、杂质半导体3.3.在在NN型半导体中：

型半导体中：

自由电子自由电子为多数载流子为多数载流子空穴空穴为少数载流子为少数载流子+4+4+4+4+5+4+4+4+4

（一）

（一）NN型半导体型半导体1.1.在四价元素中掺入五价元在四价元素中掺入五价元素砷，素砷，五价五价元素与周围四个元素与周围四个原子形成共价健，余下一个原子形成共价健，余下一个电子成为电子成为自由电子自由电子。

2.2.砷原子贡献一个电子（在电场砷原子贡献一个电子（在电场作用下成为自由电子）作用下成为自由电子）施主杂质施主杂质（正离子）（正离子）半导体的热敏性半导体的热敏性；半导体的半导体的掺杂特性；掺杂特性；半导体的半导体的光敏性特性；光敏性特性；是可人为控制的。

是可人为控制的。

结论结论第二节PN结与晶体二极管

（1）.

（1）.两种半导体结合后，由于浓度差产两种半导体结合后，由于浓度差产生载流子的生载流子的扩散运动扩散运动结果产生空结果产生空间电荷区间电荷区耗尽层（多子运动）。

耗尽层（多子运动）。

+PN载流子要从浓度大载流子要从浓度大区域向浓度小的区域区域向浓度小的区域扩散扩散,称载流子的扩散称载流子的扩散的运动的运动

（2）.

（2）.空间电荷区产生空间电荷区产生建立了内电场建立了内电场产生载流子定向运动（产生载流子定向运动（漂移运动漂移运动）（3）.（3）.扩散运动产生扩散电流；漂移运动扩散运动产生扩散电流；漂移运动产生漂移电流。

产生漂移电流。

动态平衡时：

扩散电流动态平衡时：

扩散电流=漂移电流。

漂移电流。

PNPN结内总电流结内总电流=0=0。

PNPN结的宽度一定结的宽度一定。

把载流子在电场作把载流子在电场作用下的定向移动称用下的定向移动称为漂移运动为漂移运动一一.PNPN结的基本原理：

结的基本原理：

（一）

（一）.PNPN结的形成：

结的形成：

当扩散运动当扩散运动内电场内电场漂移运漂移运动动扩散运动扩散运动动态平衡。

动态平衡。

自由电子自由电子空穴空穴+PN+

（2）.

（2）.接触电位接触电位VV决定于材决定于材料及掺杂浓度：

料及掺杂浓度：

硅：

硅：

VV=0.7=0.7锗：

锗：

VV=0.2=0.2+PNPN结的接触电位结的接触电位VV（二二）PNPN结的接触电位：

结的接触电位：

（1）.

（1）.内电场的建立，使内电场的建立，使PNPN结结中产生电位差。

从而形成接中产生电位差。

从而形成接触电位触电位VV（又称为位垒又称为位垒）。

（3）.（3）.其电位差用其电位差用表示表示+

（1）.

（1）.UUq（Vq（V-U）-U）位垒高度位垒高度耗尽层变薄耗尽层变薄扩散运扩散运动动（多子多子）扩散电流扩散电流1.1.PNPN结加正向电压时：

结加正向电压时：

（内电场内电场）与与U方向相反方向相反+PN+Q（V-U）扩散扩散U（三）（三）PNPN结的单向导电性结的单向导电性

（2）.

（2）.位垒高度位垒高度漂移运动漂移运动（少子）（少子）漂移电流漂移电流（3）.（3）.正向电流决定于扩散电流。

正向电流决定于扩散电流。

此时此时PNPN结导通。

结导通。

I漂移漂移

（1）.

（1）.UUq（Vq（V-U）-U）位垒高度位垒高度耗尽层变薄耗尽层变薄扩散扩散运动运动（多子多子）扩散扩散电流电流2.2.PNPN结加反向电压时：

结加反向电压时：

（内电场内电场）与与U方向相同方向相同+PN+Q（V+U）扩散扩散U

（2）.

（2）.位垒高度位垒高度漂移运动漂移运动（少子）（少子）漂移电流漂移电流（3）.（3）.反向电流决定于反向电流决定于漂移电流漂移电流此时此时PNPN结截止。

结截止。

I漂移漂移IIss饱和电流饱和电流;UUTT=kTkT/q/q为温度电压当量。

为温度电压当量。

kk波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；（TT=300k;=300k;时时UUTT=26mv）=26mv）二二.PNPN结的电流方程：

结的电流方程：

由半导体物理可推出：

由半导体物理可推出：

当加正向电压时：

当加正向电压时：

当加正向电压时：

当加正向电压时：

II-I-Iss当加正向电压时：

当加正向电压时：

I随随U，呈指数规呈指数规率率。

PN符号符号结构结构IUIsPNPN结的理想特性结的理想特性三三.二极管的结构与伏安特性：

二极管的结构与伏安特性：

（一一）.二极管的结构：

二极管的结构：

如图所示如图所示。

（二二）.）.理想伏安特性：

理想伏安特性：

二极管两端电压与流过电流之间关系：

二极管两端电压与流过电流之间关系：

当加反向电压时：

当加反向电压时：

I=Is，基本不变。

基本不变。

11.正向起始部分有门限电压：

正向起始部分有门限电压：

硅：

硅：

Ur=0.5-0.6v;=0.5-0.6v;锗：

锗：

Ur=0.1-0.2v=0.1-0.2v2.2.加反向电压时，相同温度下：

加反向电压时，相同温度下：

Is硅硅（nA,10-9）EEG（G（GeGe）3.3.当反压大时，反向击穿，击穿当反压大时，反向击穿，击穿电压为电压为UUBB（三三）.）.实测伏安特性：

实测伏安特性：

IIsU硅管的伏安特性硅管的伏安特性0Ur与理想的伏安特性的差别：

与理想的伏安特性的差别：

IU锗管的伏安特性锗管的伏安特性Is0UrUB正向电压时：

正向电压时：

（1）.

（1）.OQ斜率的倒数是正向电阻斜率的倒数是正向电阻RR。

（2）.

（2）.R与与Q有关，有关，Q不同不同,R也不同也不同（3）.（3）.反向电压时：

反向电压时：

I很小，很