模拟电路基础课件
北京邮电大学出版社
1.2 PN结及其特性
1.2.1 PN结的原理 采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N
型半导体制作在一起,使这两种杂质半 导体在接触处保持晶格连续,在它们的 交界面就形成PN结。
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1.2 PN结及其特性
在PN结中,由于P区的空 穴浓度远远高于N区,P 区的空穴越过交界面向N 区移动;同时N区的自由 电子浓度也远远高于P区, N区的电子越过交界面向 P区移动;在半导体物理 中,将这种移动称作扩 散运动
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PNP型三极管组成的基本共射 放大电路如图1-17所示。比 较图1-17和图1-16可以看到, 为了使三极管工作处在放大 状态,要求发射结正向偏置、 集电结反向偏置,为此在图117中,在输入回路所加基极 直流电源VBB及输出回路所加 集电极直流电源VCC反向了, 相应的直流电流IB、IC和IE也 都反向了,这也是NPN型和 PNP型三极管符号中发射极指 示方向不同的含义所在。对 于交流信号,这两种电路没 有任何区别
在无外电场和无其它激发作用下,参与扩散运动的多 子数目等于参与漂移运动的少子数目,从而达到动态 平衡。
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1.2 PN结及其特性
1.2.2 PN结的导电特性
PN结外加正向电压时 处于导通状态
PN结外加反向电压时 处于截止状态
势垒区
⊝ ⊝ ⊝ ⊝⊕ ⊕ ⊕ ⊕
⊝ ⊝ ⊝ ⊝⊕ ⊕ ⊕ ⊕
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1.4.2 三极管的电流放大原理
放大电路的组成 图所示的是由NPN型三极管组
成的基本共射放大电路。ui为 交流输入电压信号,它接入 基极-发射极回路,称为输入 回路;放大后的信号在集电 极-发射极回路,称为输出回 路。由于发射极是两个回路 的公共端,故称该电路为共 射放大电路。为了使三极管 工作处在放大状态,在输入 回路加基极直流电源VBB,在 输出回路加集电极直流电源 VCC,且VCC大于VBB,使发射 结正向偏置、集电结反向偏 置。
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1.3.5 稳压二极管
稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管,简 称稳压管。稳压管在反向击穿时,在一定的电流范围内(或 者说在一定的功率损耗范围内),端电压几乎不变,表现出 稳压特性,因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。
稳 压 管 的 伏 安 特 性 及 符 号
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空穴 负离子
正离子
自由电子
⊝ ⊝ ⊝ ⊝⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊝ ⊝ ⊝ ⊝⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊝ ⊝ ⊝ ⊝⊕ ⊕ ⊕ ⊕
P区
N区
图1-4a PN结载流子扩散运动
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1.2 PN结及其特性
扩散到P区的自由电子与 空穴复合,而扩散到N区 的空穴与自由电子复合, 在PN结的交界面附近多 子的浓度下降,P区出现 负离子区,N区出现正离 子区,它们是不能移动 的,人们称此正负电荷 区域为势垒区总的电位 差称为势垒高度
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1.3.2 二极管特性的解析式
理论分析得到二极管的伏安特性表达式为:
qu
i I S (e kT 1)
式中IS为反向饱和电流,q为电子的电量,其值为1.602×10-19库仑;k是为玻耳 兹曼常数,其值为1.38×10-23J/K;T为绝对温度,在常温(20C)相当于K= 293K
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第一章 半导体器件基础
1.1 半导体及其特性 1.2 PN结及其特性 1.3 半导体二极管 1.4 半导体三极管及其工作原理 1.5 三极管的共射特性曲线及主要参数北京邮电大学ຫໍສະໝຸດ 版社1.1 半导体及其特性
1.1.1本征半导体及其特性
定义:纯净的半导体经过一定 的工艺过程制成单晶体,称为 本征半导体。
势垒区
⊝ ⊝ ⊝ ⊝ ⊕⊕ ⊕ ⊕
⊝ ⊝ ⊝ ⊝ ⊕⊕ ⊕ ⊕
⊝ ⊝ ⊝ ⊝ ⊕⊕ ⊕ ⊕
P区
N区
图1-4b PN结势垒形成示意图
Ψ
0
x
势垒高度
图1-4c PN结势垒分布示意图
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1.2 PN结及其特性
在势垒区两侧半导体中的少数载流子,由于杂乱无章 的运动而进入势垒区时,势垒区的电场使这些少子作 定向运动。少子在电场作用下的定向运动称作漂移运 动。
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1.4.2 三极管的电流放大原理
电流放大原理 三极管的电流放大表现为小的基极电流变化,引起较
大的集电极电流变化。
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当交流输入电压信号ui 0时,直流电源VBB和VCC分别作用于放大电路 的输入回路和输出回路,使发射结正向偏置、集电结反向偏置。因为发 射结加正向电压,并且大于发射结的开启电压,使发射结的势垒变窄, 又因为发射区杂质浓度高,所以有大量自由电子因扩散运动源源不断地 越过发射结到达基区,从而形成了发射极电流IE。
(1) 最大整流电流IM:IM是二极管长期运行时允许通过的最大正向 平均电流,其值与PN结面积及外部散热条件等有关。在规定散热 条件下,二极管正向平均电流若超过此值,则将因为PN结的温度 过高而烧坏。
(2) 反向击穿电压UBR:UBR是二极管反向电流明显增大,超过某个 规定值时的反向电压。
(3) 反向电流IS:IS是二极管未击穿时的反向饱和电流。IS愈小,二 极管的单向导电性愈好,IS对温度非常敏感。
U
R2 R1 R2
U i、R=R1
//
R2
当 U UZ时,稳压管稳压,输
出 Uo UZ ;
当 U UZ时,稳压管截止,输
出 Uo
U
。所以,Ui
时, R1
R2 R2
U
Z
输出
U o ;U Z否
则,U o
R2 R1 R2
Ui
。
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1.4 半导体三极管及其工作原理
1.4.1三极管的结构及符号
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1.1 半导体及其特性
N型半导体 : 在本征半导体中掺入少
量的五价元素,如磷、 砷和钨,使每一个五价 元素取代一个四价元素 在晶体中的位置,形成N 型半导体。 由于五价元素很容易贡 献出一个电子,称之为 施主杂质。
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1.1 半导体及其特性
在N型半导体中,由于掺入了五价元素, 自由电子的浓度大于空穴的浓度。半导 体中导电以电子为主,故自由电子为多 数流子,简称为多子;空穴为少数载流 子,简称为少子。
晶体中的共价键具有很强的结 合力,在常温下仅有极少数的 价电子受热激发得到足够的能 量,挣脱共价键的束缚变成为 自由电子。与此同时,在共价 键中留下一个空穴。
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1.1 半导体及其特性
运载电流的粒子称为载流子。在本征半 导体中,自由电子和空穴都是载流子, 这是半导体导电的特殊性质。
令
UT
kT q
26mV
则二极管的伏安特性表达式为:
u
i I S (eUT 1)
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1.3.3 二极管的等效电阻
直流等效电阻也称静态等效电阻。如图1-9所示,在二极管的两端 加直流电压UQ、产生直流电流IQ,此时直流等效电阻RD定义为
RD
UQ IQ
交流等效电阻表示,在二极管直流工作点确定后,交流小信号作 用于二极管所产生的交流电流与交流电压的关系。在直流工作点 Q一定,在二极管加有交流电压u,产生交流电流i,交流等效 电阻rD定义为
一般来说,有三种方法来定量 地分析一个电子器件的特性, 即特性曲线图示法、解析式表 示法和参数表示法
+
-
二极管符号
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1.3 半导体二极管
1.3.1二极管的特性曲线
在二极管加有反向电压, 当电压值较小时,电流极 小,其电流值为反向饱和 电流IS。当反向电压超过 超过某个值时,电流开始 急剧增大,称之为反向击 穿,称此电压为二极管的 反向击穿电压,用符号 UER表示。
半导体在受热激发下产生自由电子和空 穴对的现象称为本征激发。
在一定温度下,本征半导体中载流子的 浓度是一定的,并且自由电子与空穴的 浓度相等。
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1.1 半导体及其特性
1.1.2杂质半导体及其特性 定义:掺入杂质的本征半导体称为杂质
半导体。 根据掺入杂质元素的不同,可形成N
(Negative)型半导体和P(Positive)型 半导体。
⊝ ⊝ ⊝ ⊝⊕ ⊕ ⊕ ⊕
P区
N区
I
V
R
图1-5 PN结加正向电压处于导通状态
势垒区
⊝ ⊝ ⊝ ⊝⊕⊕⊕ ⊕
⊝ ⊝ ⊝ ⊝⊕⊕⊕ ⊕
⊝ ⊝ ⊝ ⊝⊕⊕⊕ ⊕
P区
N区
IS
V
R
图1-6 PN结加反向电压处于截止状态
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1.3 半导体二极管
将PN结用外壳封装起来,并加 上电极引线就构成了半导体二 极管,简称二极管。由P区引出 的电极为正极,由N区引出的电 极为负极
由于杂质原子可以供电子,故称之为施 主原子。
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1.1 半导体及其特性
P型半导体: 在本征半导体中掺入少
量的三价元素,如硼、 铝和铟,使之取代一个 四价元素在晶体中的位 置,形成P型半导体。 由于杂质原子中的空位 吸收电子,故称之为受 主杂质。 在P型半导体中,空穴为 多子,自由电子为少子, 主要靠空穴导电。
电流变化量之比。rD愈小,稳压管的稳压特性愈好。对于不同型 号的管子,rD将不同,从几欧到几十欧。对于同一只管子来说, 工作电流愈大,rD愈小。
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例 1-3 图13是由稳压二极管 DZ组成的电路,其稳压值为 UZ。设电路的直流输入电压Ui, 试讨论输出Uo的值。
解:由戴维南电源等效定理, 图13等效的等效定理如右图 所示,其中