模电第一章
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模电第一章(江晓安)祥解
第一章 半导体器件
此时, ＰＮ结处于导通状态, 它所呈现出的电阻为正向 电阻, 其阻值很小。 正向电压愈大, 正向电流愈大。其关
系是指数关系：
ID ISe
U UT
式中, ＩＤ为流过ＰＮ结的电流；U为ＰＮ结两端电压；
kT UT q , 称为温度电压当量, 其中k为玻耳兹曼常数, Ｔ为绝对温度 ,q为电子的电量 ,在室温下即 Ｔ＝３００Ｋ 时,ＵＴ＝２６ｍＶ；ＩＳ为反向饱和电流。电路中的电阻 Ｒ是为了限制正向电流的大小而接入的限流电阻。
身的性质有关以外, 还与温度有关, 而且随着温度的升高,
基本上按指数规律增加。因此, 半导体载流子浓度对温度 十分敏感。对于硅材料, 大约温度每升高８℃, 本征载流 子浓度ni增加 1 倍；对于锗材料, 大约温度每升高１２℃,
ｎｉ增加 1 倍。 除此之外, 半导体载流子浓度还与光照有
关, 人们正是利用此特性, 制成光敏器件。
第一章 半导体器件
外电场
外电场
P
N
P
N
ID
自建场
自建场
＋ － U R
－ ＋ U R
(a ) 外加正向电压
(b ) 外加反向电压
图 1 - 7 PN结单向导电特性
第一章 半导体器件
2. 若将电源的正极接Ｎ区, 负极接Ｐ区, 则称此为反向接法
或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建
场方向相同, 增强了自建场, 使阻挡层变宽, 如图１-７(ｂ)所 示。 此时漂移作用大于扩散作用, 少数载流子在电场作用下 作漂移运动, 由于其电流方向与正向电压时相反, 故称为反 向电流。 由于反向电流是由少数载流子所形成的, 故反向电 流很小, 而且当外加反向电压超过零点几伏时, 少数载流子 基本全被电场拉过去形成漂移电流, 此时反向电压再增加, 载流子数也不会增加, 因此反向电流也不会增加, 故称为反 向饱和电流, 即 ＩＤ＝－ＩＳ。
模拟电子技术第1章PPT课件
多数载流子——自由电子 施主离子
少数载流子—— 空穴
7
8
2. P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
硅原子
+4
空穴
+4
硼原子
+4
8
电子空穴对
空穴
+4 +4
P型半导体
－ － －－
+3 +4
－ － －－
－ － －－
+4 +4
受主离子
多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子 9
杂质半导体的示意图
(1) 稳定电压UZ ——
在规定的稳压管反向工作电流IZ下UZ，所对应的Iz反min 向工作电u压。
(2) 动态电阻rZ ——
△I
rZ =U /I
rZ愈小，反映稳压管的击穿特性△愈U 陡。
I zmax
(3) 最小稳定工作 电流IZmin——
保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。
(4) 最大稳定工作电流IZmax——
17
EW
R
18
(2) 扩散电容CD
当外加正向电压
不同时，PN结两 + 侧堆积的少子的 数量及浓度梯度 也不同，这就相 当电容的充放电 过程。
P区 耗 尽 层 N 区 －
P 区中电子 浓度分布
N 区中空穴 浓度分布
极间电容（结电容）
Ln
Lp
x
电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来
18
19
1.2 半导体二极管
30
31
四、稳压二极管
稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管
பைடு நூலகம்
模拟电子电路基础 第1章
A(
jω
)
=
Vo Vi
( (
jω) jω)
（1.16）
在对一个电路进行分析以确定它的频率响应时，可以通过使用复数频率变量 s 来简化运算，即一 个电感 L 的阻抗是 sL，电容 C 的阻抗是 1/sC。用阻抗代替相应的电抗元件并进行标准的电路分析，
第 1 章 模拟电子电路导论
就可以得到如下的传输函数 A(s)： A(s) = Vo (s) Vi (s)
几乎全被放大器吸取。
3. 输出电阻 Ro 输出电阻是放大器在输出端的等效电阻，同时作为放大器的内阻，它的大小决定了放大器带负
载的能力。其定义为
vt
R = | o
vsig =0
it RL →∞
（1.9）
图 1.8（b）所示为输出电阻的测试方法，在输出端加一测试电压vt，由其引起的电流为it，通过计算两
益有 4 种定义：
电压增益
Av
=
vo vi
，相应的放大器称为电压放大器；
电流增益
Ai
=
io ii
，相应的放大器称为电流放大器；
互阻增益
Ar
=
vo ii
，相应的放大器称为互阻放大器；
互导增益
Ag
=
io vi
，相应的放大器称为互导放大器。
也就是说，放大器根据输入、输出量的不同，可以分为 4 类基本放大器。每一类对信号源要求不同，
增益： vo is
= Rm
RS RS + Ri
RL RL + Ro
。
频特性在一定宽度的频率范围之内，增益几乎是固定不变的，这个频率范围称为“中频区”，而当频
率很高或很低时，增益会逐渐减小，分别称为“高频区”和“低频区”。若中频增益为A0，则随着频 率的升高或降低，增益会下降，当增益下降到 A0 / 2 时，对应的频率分别为上限截止频率 fH 和下限 截止频率 fL 。
最新模电课件-第1章-半导体器件课件PPT
第一章 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 晶体三极管 §1.4 场效应晶体管
共价键
价电子共有化，形成共价键的晶格结构
空穴
自由电子
半导体中有两种载流子:自由电子和空穴
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
在外电场作用下，电子的定向移动形成电流
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流
1.本征半导体中载流子为自由电子和空穴(金属呢？)。
2.电子和空穴成对出现,浓度相等。
3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导体的导 电性和温度有关,对温度很敏感。
2 杂质半导体
2.1 N型半导体
在纯净的硅晶体 中掺入五价元素 （如磷），使之取 代晶格中硅原子的 位置，就形成了N 型半导体。
PN结
I扩 I漂
当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。
1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;
2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;
3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。
3.2 PN结的单向导电性
1) PN结外加正向电压时处于导通状态 加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压， 也称正向接法或正向偏置。
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。由P区引出的电极为阳极（A） ，由N区 引出的电极为阴极（ K ）。
模电第一章总结论文
第一章常用半导体元件一半导体1 半导体三大特性搀杂特性热敏特性光敏特性2本征半导体指纯净的具有晶体结构的半导体。
3载流子(Carrier)运动电荷的粒子。
有温度环境就有载流子。
绝对零度（-273C）时晶体中无自由电子。
4本征激发（光照、加温度）会成对产生自由电子和空穴对自由电子（负电）空穴（正电）本征半导体载流子浓度为：n i=p i=K1T^(3/2)e^(-E GO/2kT)ni表示自由电子的浓度pi表示空穴的浓度5 N型半导体：电子型半导体（掺入五价元素，如磷）多数载流子：自由电子少数载流子：空穴自由电子数= 空穴数+ 施主原子6 P型半导体：空穴型半导体（掺入三价元素，如硅）多子：空穴少子：自由电子空穴数= 自由电子数+ 受主原子二PN结1 PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导体结合处所形成的特殊结构。
PN结具有单向导电性。
空间电荷区（耗尽层）P区出现负离子区，N区出现正离子曲2 PN结形成“三步曲”（1）多数载流子的扩散运动。
（2）空间电荷区的少数载流子的漂移运动。
（3）扩散运动与漂移运动的动态平衡。
3 PN结的单向导电性正向偏置P接电源正，N接电源负•削弱内电场，使PN结变窄。
•扩散运动＞漂移运动。
•称为“正向导通”。
反向偏置P接电源负，N接电源正•增强内电场，使PN结变宽。
•扩散运动＜漂移运动•称为“反向截止”5 PN结伏安特性•单向导电性–正向导通开启电压–反向截止饱和电流7 反向击穿当对PN结的外加反向电压超过一定的限度，反向电流急剧增加，称之为反向击穿。
•击穿有两种机理：–雪崩击穿低掺杂，耗尽层宽度较宽（少子，加速）–齐纳击穿高掺杂，耗尽层宽度较窄（强电场破坏共价键）8 PN结电容特性•PN结呈现电容效应•有两种电容效应势垒电容（和反向偏置有关）CT•PN结外加反向偏置时，引起空间电荷区体积的变化（相当电容的极板间距变化和电荷量的变化）扩散电容（和正向偏置有关）CDPN结外加正向偏置时，引起扩散浓度梯度变化出现的电容（电荷）效应。
模电第1章-电路模型和电路的基本定律
1.4 电路的基本元件及其特性
电路的基本元件是构成电路的基本元素。电路中 普遍存在着电能的消耗、磁场能[量]的储存和电场能 [量]的储存这三种基本的能［量］转换过程。表征这 三种物理性质的电路参数是电阻、电感和电容。 只含一个电路参数的元件分别称为理想电阻元 件、理想电感元件和理想电容元件，通常简称电 阻元件、电感元件和电容元件。 元件的基本物理性质是指当把它们接入电路时， 在元件内部将进行什么样的能量转换过程以及表现 在元件外部的特征。
1.4 电路的基本元件及其特性
1.4.1 电阻元件和欧姆定律 电阻：是电路中阻止电流流动、表示能量损耗大 小的参数。电阻有线性电阻和非线性电阻之分（这 里只讨论线性电阻）。 所谓线性电阻，是指电阻元件的阻值R是个常数， 加在该电阻元件两端的电压u和通过该元件中的电流 i之间成正比关系，即 u=Ri 非线性电阻的伏安特性:其曲线可以是通过坐标原点 或不通过坐标原点的曲线，也可以是不通过坐标原点 的直线。
P UI
或 p ui
（2）当电流、电压取非关联的参考方向时
P -UI 或 p -ui
如果P＞0（或p＞0）时，表示元件吸收功率，是负载 如果P＜0（或p＜0）时，表示元件发出功率，是电源
1.2.2 功率的计算 例: 如图所示各元件电流和电压的参考方向，已知 U1=3V，U2=5V，U3=U4=－2V，I1=－I2=－2A， I3=1A，I4=3A。试求各元件的功率，并指出是吸收 还是发出功率？是电源还是负载？整个电路的总功 率是否满足功率守恒定律？（a）（b）来自1.2.2 功率的计算
电功率: 该元件两端的电压与通过该元件电流的乘积
P UI
如果电压和电流都是时变量时，瞬时功率写成
p ui
模拟电子技术第一章
二、杂质半导体 在本征半导体中掺入微量杂质元素，掺杂后
的半导体称为杂质半导体。可分为N型半导体和P 型半导体。
（一）N 型半导体
N型
电子为多数载流子
+4
+4
+4
空穴为少数载流子
载流子数 电子数
+4
+5
+4
磷原子
自由电子
施主 原离子
（二）P 型半导体
P型
+4
+4 +4
+4
+3 +4
硼原子
空穴
空穴 — 多子 电子 — 少子 载流子数 空穴数
第一章 常用半导体器件
温度对二极管特性的
影响
iD / mA 90C
60
20C
40
–50
20 –25
0 0.4
uD / V
– 0.02
T 升高时， U 以 D(on) (2 2.5) mV/
C 下降
第一章 常用半导体器件
iD / mA
60
40
–50
20 –25
0 0.4 0.8 uD / V
工作条 u 件：实物照片
反向偏
2. 主要参 特性
置
数（光数:光暗 高四学：谱变电工）参范容流作变围二， 范容，极光 围灵管电敏是流度利，，用最峰PN值结波反长偏等
时二势极垒管电容大小随外加电压而变
化它的主特要性用制在成高的频。电路中作自动调谐、
2.1 双极型半导体三极管
一、双极型半导体三极管的结构和工作原理 二、晶体三极管的特性曲线 三、三极管的主要参数 四、光电三极管
C
C 按功率分：
的半导体称为杂质半导体。可分为N型半导体和P 型半导体。
（一）N 型半导体
N型
电子为多数载流子
+4
+4
+4
空穴为少数载流子
载流子数 电子数
+4
+5
+4
磷原子
自由电子
施主 原离子
（二）P 型半导体
P型
+4
+4 +4
+4
+3 +4
硼原子
空穴
空穴 — 多子 电子 — 少子 载流子数 空穴数
第一章 常用半导体器件
温度对二极管特性的
影响
iD / mA 90C
60
20C
40
–50
20 –25
0 0.4
uD / V
– 0.02
T 升高时， U 以 D(on) (2 2.5) mV/
C 下降
第一章 常用半导体器件
iD / mA
60
40
–50
20 –25
0 0.4 0.8 uD / V
工作条 u 件：实物照片
反向偏
2. 主要参 特性
置
数（光数:光暗 高四学：谱变电工）参范容流作变围二， 范容，极光 围灵管电敏是流度利，，用最峰PN值结波反长偏等
时二势极垒管电容大小随外加电压而变
化它的主特要性用制在成高的频。电路中作自动调谐、
2.1 双极型半导体三极管
一、双极型半导体三极管的结构和工作原理 二、晶体三极管的特性曲线 三、三极管的主要参数 四、光电三极管
C
C 按功率分：
模电第一章半导体基础及二极管电路
vS
if (vS 0) vS
if (vS 0) vS
D1
vS
RL vO
D2
D1
vO
RL vO
D2
D1
RL vO
vS
D2
t
t
D1
RL vO
D2
38
二极管整流电路：全波整流
D4
D1
AC
Line
vS
vO
vS
Voltage
R
t
D2
D3
3
本征半导体及其特性
导 体 (Conductor)
电导率 ＞105 铝、金、钨、铜等金属，镍铬等合金。
半导体 (Semiconductor)
电导率 10-9~ 102 硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓、重掺杂多晶硅
绝缘体 (Insulator)
电导率10-22 ~10-14
二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等
RL VO
当 RL不变时：
Vs
Vo
Vz
I Vo z
IR
VR
Vo 当 Vs 不变时：
# 不加R可以吗？
RL Io IR Vo Iz IR VR
Vo
41
二极管模拟电路：限幅电路（一）
限幅：按照规定的范围，将输入信号波形的一部分传 送到输出端、而将其余部分消去。一般利用器件的开 关特性实现
I evD /VT S
当vD 100mV 时，i IS ，反向电流基本不变
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I/mA 60
e
uD
UT
1
uD uT
正向
40 20 -50 -25 死区 电压 O 0.4 -20 0.8
iD I S e
(4) 当uD>>UT后，曲线上升 斜率 uD di D iD UT 1 ISe duD UT UT
导 通 后 的 管 压 降 uD 约 为 0.7V(硅管)、0.3V(锗管)。
+4
上页
下页
后退
模拟电子
将锗和硅材料提纯并形成单晶体后，所有原子便基本 上整齐排列。 晶体平面结构 晶体立体结构
半导体一般都有这种晶体结构
上页 下页 后退
模拟电子
本征半导体就是完全纯净的，具有晶体结构的半导体。
在本征半导体的晶体结构中，每个原子与相邻的四个原子结合， 每一个原子的 一个价电子与另一个原子的 一个价电子组成一个共 用电子对，把相邻的两个原子结合起来，形成共价键结构。
模拟电子
（1）N型半导体 在本征半导体中，掺入少量五价杂质元素，如磷、砷：
上页
下页
后退
模拟电子
加入杂质后，杂质P原子替代某些硅原子。杂质原子的五个价 电子中，只能有四个价电子与相邻的四个硅原子的价电子组 成共价键，多余的那个价电子很容易受激发脱离原核的束缚 成为自由电子，但并不同时产生空穴， 相应的五价元素的原 子因失去一个电子而成为不能自由移动的正离子，掺入的杂 质密度足够大时，有大量的自由电子产生。
N 型半导体
+ + + + + + + + + + + +
中性区
空 间 电 荷 层 内 电 场方向
中性区
势 垒
U0
PN结一侧带正电，另一侧带负电，在两种半导体之间 存在电位壁垒，对多子向另一侧扩散起阻碍作用，称为势 垒或位垒，记作U0。
上页 下页 后退
模拟电子
不对称的PN结
P
_ _ _ _ _ _
电子是多数载流子（空穴是少数载流子），简称多子。 电子带负电，所以称这种半导体为N(negative)型或电子型半 导体。 所掺入的杂质能给出电子，称为施主杂质。
上页
下页
后退
模拟电子
(2) P型半导体
当本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等:
因三价元素缺少一个价 电子，而从而产生一个 空穴和一个负离子。 使半导体中空穴成为多 子，空穴带正电，所以 称为P(positive)型或空穴 型半导体。 所掺入的杂质能接受电 子，称为受主杂质。 上页
正极 二氧化硅 保护层
P 型区 N 型硅 负极
上页
下页
后退
模拟电子
1．正向特性 (1) 整个正向特性曲线近似地呈现为 指数曲线。（由于二极管的引线电阻， 体电阻很小，电极间的漏电阻又很大， 对其伏安特性的影响均不大）
I/mA 60
正向
40 20 -50 -25 死区 电压 O 0.4 -20 0.8
正极 金属触丝 P 型区 锡 N 型锗 N 型硅 支座 负极 负极 上页 下页 后退 正极 二氧化硅 保护层
P 型区
模拟电子
1.2.2 半导体二极管的伏安特性
i D / mA
8 _ _ 4 40
iD
正 向 特 性 0. 8
uD
i D / mA
800
400
80
_
120
_ 60
正 向 特 性
0. 8
0 反向特性
U T 26mV
上页
下页
后退
模拟电子
i I s (e
讨论：
（1）当u=0时，i=0
u
UT
1)
u UT
（2）当u>0，且 u UT 时， i I Se
i （3）当u<0，且 u UT 时，
I S
上页
下页
后退
模拟电子
1.2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的结构和类型
iD I S e
uD uT
(2) 当正向偏置电压较小时， iD 近似为零，这一电压区域称为死 区。死区的电压范围称为死区电 压，硅管的死区电压约为0.5伏； 锗管的死区电压约为0.1伏。 上页
击穿电压
U(BR) 反向 下页
-40 I/μA
后退
模拟电子
(3) uD大于死区电压后 uD U T
模拟电子
1.2.4 半导体二极管的主要电参数 1.额定电流IF
I/mA 60
2.反向击穿电压U(BR)
) ) ( UF
PN结中的外电场削弱 了内电场，势垒下降,有利 于多子扩散， 大量的多子 通过PN结，形成大的正向 电流。 此时，一部分多子在 扩散过程中与空间电荷区 的离子中和，使PN结变窄。
+
P
U= _ _ _ _
_
+ + + +
N
内电场方向 外电场方向
PN结呈现低阻、导通状态。
上页 下页
U 0_U
同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方 式特点， 也是半导体和金属导电原理的 本质区别。 2．掺杂半导体 在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素， 这 类半导体称为掺杂半导体。能使半导体的导电能力成 千上万倍的提高。 根据掺杂的不同，杂质半导体分为：N型半导体和P 型半导体。
上页 下页 后退
F
U0
后退
模拟电子
2．PN结反向偏置
PN结中产生的外电场加强 了内电场，势垒增加，PN结变 宽。势垒提高，有利于少子漂 移，不利于多子扩散。 由于少子是由热激发产生 的，浓度很低。 当反向电压 使几乎所有的少子均参与了导 电， 反向电流不再增加，此 电流称为反向饱和电流，记作 限流电阻R
V
_
I =(-I R)
上页
下页
后退
模拟电子
(3)产生击穿的机理：
(a)齐纳击穿
对于掺杂浓度高的PN结，空间电荷层的宽度很薄，所 以在较低的反向电压下，空间电荷区中就有较强的电场， 足以把空间电荷层里的半导体原子的价电子从共价键中激 发出来，使反向电流突然增大，出现击穿，称这种击穿为 齐纳击穿。
击穿电压低于4伏时，主要是由齐纳击穿。 当温度上升时，价电子的能量增加， 使价电子激发需 要的电压变小。齐纳击穿电压具有负的温度系数。
当N区及P区中的少子靠近PN结时，受内电场的作 用而被加速，向另一侧漂移。形成漂移电流。
在PN结两端开路的条件下，少数能量大的多子可 以克服内电场（即自建场）产生的电场力扩散到另一 侧，形成扩散电流。 经过交界面的由多子扩散形成的扩散电流与少子 漂移形成的漂移电流大小相等、方向相反、动态平衡。
上页
下页
+
U=- UR
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + +
P
N
内电场方向
外电场方向
IS 。
PN结呈现高阻、截止状态。
上页 下页
U0 U0-UR 后退
模拟电子
1.1.3 PN结的电压与电流关系
i I s (e
IS—反向饱和电流
u
UT
1)
U T kT q ，为温度电压当量，T为绝对温度，K玻耳 兹曼常数， q为电子电量。在室温 (T 300K)时，
上页
下页
后退
模拟电子
共价键对价电子的束缚力较弱， 在获得一定能量（温度增高或 受光照）后， 即可挣脱原子核的束缚（电子受到激发）成为自 由电子。同时，在原来的共价键中留下一个空位，称为空穴。
上页
下页
后退
模拟电子
本征激发（主要是热激发）使空穴和自由电子成 对产生；它们相遇复合时，成对消失。 当温度一定时，激发和复合动态平衡，“空穴、电 子对”浓度一定 。
下页
后退
模拟电子
N型半导体和P型半导体均属非本征半导体，其中 多子的浓度取决于掺入的杂质元素原子的密度；少子 的浓度主要取决于温度；所产生的离子，不能在外电 场作用下作漂移运动，不参与导电，不属于载流子。 当N型半导体中再掺入三价杂质元素，且其密度大 于原掺入的五价杂质元素，可转型为P型半导体； 反 之，P型半导体也可通过掺入足够的五价元素而转型为 N型半导体。
_
u D/ V
击 穿 特 性
反向特性
_
0
0. 2
u
D
/V
0. 2
锗管
_ 0. 4
硅管
后退
上页
下页
模拟电子
虽然半导体二极管的核心是PN结，但在半导体二极 管中，还有电极的引线电阻、 管外电极间的漏电阻、 PN结两侧中性区的体电阻。都会对伏安特性有所影响。 引线电阻及体电阻与PN结 串联，主要影响半导体二极管 的正向偏置时的伏安特性—— 正向特性； 漏电阻较大，与管子并联， 主要影响半导体二极管的反向 偏置时的伏安特性——反向特 性。
上页
下页
后退
模拟电子
3.PN结的形成：
当半导体的一边是N型半导体，另一边是P型半导体时，由 于浓度差的作用使得多子互相扩散， 通过交界面到达对方， 并与对方的多子复合。 在N区和P区之间的交界面附近将形成一 个极薄的空间电荷层，称为PN结。
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下页另一方面，加速少 子的漂移。
+ + + + + +
N+
当N区和P区的掺杂浓度不等时，掺杂浓度高的一侧（常用P+或N+表 示）离子电荷密度大，空间电荷区的宽度较窄； 掺杂浓度低的一 侧，离子电荷密度低，空间电荷区的宽度较宽，PN结不对称。 上页 下页 后退