模电第1章课件

R
+

4 V 2V 1k
I
+
2 mA
ui U REF
uO -
uo U
REF
2V
采用理想二极管串联电压源模型分析。
I＝ ui U
REF －
U
D

4 V 2V 0 . 7 V 1k
1 . 3 mA
R
u o U REF U
D
2 V 0.7V 2.7V
（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所 示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模 型分析电路并画出相应的输出电压波形。 ui
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
一. 本征半导体
本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 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”。 本征半导体的共价键结构
+4 +4 +4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中，不 会成为自由电子，因此本 征半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。
实验曲线
i
锗 击穿电压UBR
0
(1) 正向特性 i
u
V
mA
反向饱和电流
u
导通压降
死区 电压
E
(2) 反向特性 i u
V
uA
硅：0.7 V 锗：0.3V
硅：0.5 V
锗： 0.1 V
E
二. 二极管的模型及近似分析计算
例：
R E 10V 1kΩ D—非线性器件
i
RLC—线性器件
i
I
0
u
u
u
i I S (e
+
N
R
C
UCB
－
c区
b区
＋b
R V
b
P
UCE
VCC
集电结反偏：
由VCC、 VBB保证 UCB=UCE - UBE > 0
UBE －
e区
e
N
BB
－
共发射极接法
1．BJT内部的载流子传输过程
（1）因为发射结正偏，所以发 射区向基区注入电子 ，形成了扩 散电流IEN 。同时从基区向发射区 也有空穴的扩散运动，形成的电 流为IEP。但其数量小，可忽略。 I 所以发射极电流I E ≈ I EN 。 （2）发射区的电子注 入基区后，变成了少数载 流子。少部分遇到的空穴 复合掉，形成IBN。所以基 极电流I B ≈ I BN 。大部分 到达了集电区的边缘。
2 锗：. 5 10
13
cm
3
－
E
+4 +4 +4
＋
自由电子
导电机制
+4
动画演示
+4
+4
+4
+4
+4
载流子
自由电子 空穴
带负电荷 带正电荷
电子流
＋总电流 空穴流
本征半导体的导电性取决于外加能量：
温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。
二. 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的 半导体称为杂质半导体。
7
0 0
例 ： 二 极 管 构 成 的 限 幅 电 路 如 图 所 示 ， R ＝ 1kΩ ， UREF=2V，输入信号为ui。 (1)若 ui 为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、 理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo
解：（1）采用理想模型分析。
I＝ ui U R
REF
－ － －
－ － －
+
+ +
+
+ +
+ + +
+ + +
少子—空穴 少子浓度——与温度有关 多子浓度——与温度无关
三. PN结及其单向导电性
1 . PN结的形成
PN结合 因多子浓度差 多子的扩散 空间电荷区
形成内电场 阻止多子扩散，促使少子漂移。 内电场E P 型 半 导 体 空间电荷区 N 型 半 导 体
UT
1)
u Ri
二极管的模型
二极管的V—A特性
i
串联电压源模型
i
u UD
u UD
+
i
UD
0
u
u
UD
u
-
UD
导通压降
U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。
理想二极管模型
+
u
i
i
正偏
反偏
+
u
u
i
-
二极管的近似分析计算
例： R E 1kΩ I E 10V 串联电压源模型 R 理想二极管模型 R E 0.7V 10V
1. N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例 如磷，砷等，称为N型半导体。
N型半导体
硅原子 多余电子
+4 +5 +4 +4 +4 +4
电子空穴对
自由电子
N型半导体 + +
+4 +4 +4
+ + +
+ + +
+ + +
施主离子
磷原子
+
多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴
2. P型半导体
N
c
集电极
发射区 基区 集电区
发射极
e -
P
-
N
基极
P
c
集电极
发射区 基区 集电区
b
b
-
符号: eb
c
e-
-
c
b
三极管的结构特点: （1）发射区的掺杂浓度＞＞集电区掺杂浓度。 （2）基区要制造得很薄且浓度很低。
二． BJT的内部工作原理（NPN管）
三极管在工作时要
＋
c
加上适当的直流偏
置电压。 若在放大工作状态： 发射结正偏： 由VBB保证
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
硅原子
+4 +4 +4
电子空穴对 空穴 P型半导体 －
+4 +3 +4
空穴
－ － －
－ － －
－ －
－ －
硼原子
+4 +4 +4
－ 受主离子
多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子
杂质半导体的示意图
多子—空穴
P型半导体
多子—电子
N型半导体
－
－ －
－
－ － 少子—电子
u
i 为流过PN结的电流
UT
e
UT
1
i I Se
当 u<0
IS 为反向饱和电流 UT =kT/q 称为温度的电压当量
u
|u|>>|U T |时 e
UT
i IS
其中k为玻耳兹曼常数 1 1.38×10－23 q 为电子电荷量1.6×10－9 T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K） 则有UT=26 mV。
作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。 二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压UBR。
(3) 反向电流IR——
在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。 硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极 管在微安(A)级。
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
半导体三极管，也叫晶体三极管。由 于工作时，多数载流子和少数载流子都 参与运行，因此，还被称为双极型晶体 管 （ Bipolar Junction Transistor, 简 称
BJT）。
BJT是由两个PN结组成的。
一.BJT的结构
NPN型
发射结 集电结
PNP型
发射结 集电结
发射极
e -
N
-
P
基极
R
+
4V 2V
I
+
t
ui U REF
uO -
0
-4V
uo
2V
t
解：①采用理想二极管 模型分析。波形如图所示。
ui
R
+
4V 2.7V
I
+
t
0
-4V
ui U REF
uO -
uo
2.7V
②采用理想二极管串联 电 压 源 模型 分 析 ，波 形 如图所示。
t
0
三. 二极管的主要参数 二极管长期连续工
(1) 最大整流电流IF—— (2) 反向击穿电压UBR———
PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。
负极引线
外壳
N型 锗
(2) 面接触型二极管
正极引线 铝合金小球 P型 硅 N型 硅
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。 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。
正极引线
底座 负极引线
S iO
2
(3) 平面型二极管
F
P型 半 导 体 空 间电 荷区 － － － － － － － － － － +
N型 半 导 体 + + + + + + + + +