模拟电子电路第一章

第 一 章 半 导 体 基 础 及 应 用 电 路 1.1 半 导 体 基 础 知 识 1.2 PN结 原 理 1.3 晶 体 二 极 管 及 应 用 应 用 返 回 1.1 半 导 体 基 础 知 识1.1.1 本 征 半 导 体 1.1.2 杂 质 半 导 体1.1.3 漂 移 电 流 与 扩 散 电 流引 言 返 回 引 言 ：固 体 按 导 电 性 能 上 可 分 为 三 类 ： 3 . 半 导 体 具 有 的 基 本 特 性 ： 对 影 响 较 大 的 因 素 ： 杂 质 ， 温 度 ， 光 照 1.1半 导 体 材 料 及 导 电 特 性 返 回 1.1 .1 本 征 半 导 体(一 ) 本 征 半 导 体 的 共 价 键 结 构14 32 4 4惯性核价电电 返 回 当 Si（ 或 G e） 原 子 组 成 单 晶 体 后 ， 各原 子 之 间 有 序 、 整 齐 的 排 列 在 一 起 ， 原 子之 间 靠 得 很 近 ， 价 电 子 不 仅 受 本 原 子 的 作用 ， 还 要 受 相 邻 原 子 的 作 用 。 因 此 Si（ 或 G e） 单 晶 体 每 个 原 子 都 从 四周 相 邻 原 子 得 到 4个 价 电 子 才 能 组 成 稳 定 状态 。 即 每 一 个 价 电 子 为 相 邻 原 子 核 所 共 有 ，每 相 邻 两 个 原 子 都 共 用 一 对 价 电 子 。 形 成共 价 键 结 构 。根 据 原 子 的 理 论 ： 原 子 外 层 电 子 有 8个才 能 处 于 稳 定 状 态 。 1.1 .1 本 征 半 导 体 （ intrinsic semiconductor）44 444 444 4电 子 能 量 禁带Eg导带价带 返 回 量 子 力 学 证 明 ： 原 子 中 电 子 具 有 的 能 量状 态 是 离 散 的 ， 量 子 化 的 ， 每 一 个 能 量 状 态对 应 于 一 个 能 级 ， 一 系 列 能 级 形 成 能 带 。 Ega: 空 穴 带 正 电 量b： 空 穴 是 半 导 体 中 所 特 有 的 带 单 位正 电 荷 的 粒 子 ， 与 电 子 电 量 相 等 ， 符号 相 反c： 空 穴 在 价 带 内 运 动 ， 也 是 一 种 带电 粒 子 。 在 外 电 场 作 用 下 可 在 晶 体 内定 向 移 动空 穴 ： 44 444 444 4（ 二 ） 本 征 激 发 和 两 种 载 流 子 电 子 能 量 禁 带 gE导 带价 带 自 由 电 子 载 流 子 ： 带 单 位 负 电 荷空 穴 载 流 子 ： 带 单 位 正 电 荷 在 常 温 下 本 征 半 导 体 内 有 两 种 载 流 子 ： 返 回 （ 三 ） 本 征 载 流 子 （ intrinsic carrier） 浓 度本 征 激 发 电 子空 穴Eg1 电 子 空 穴 随 机 碰 撞复 合 （ 自 由 电 子 释 放 能 量 ） 电 子 空 穴 对 消 失23 本 征 激 发 动 态 平 衡 复 合 是 电 子 空 穴 对 的 两 种 矛 盾 运 动 形 式 。 在 本 征 半 导 体 中 电 子 和 空 穴 的 浓 度 总 是 相 等 的 返 回 1.1.2 杂 质 半 导 体 （ donor and acceptor impurities） 2 为 什 么 要 掺 杂 ： 提 高 半 导 体 的 导 电 能 力3.3 1012分 之 一 根 据 掺 入 杂 质 的 种 类 可 分 为 ： 返 回 （ 一 ） N型 半 导 体 （ N Type semiconductor） 44 454 444 4 杂 质 原 子 能 提 供 多 余 电 子 称 为 施 主 杂 质 多 余 电 子 位 于 施 主 能 级 （ 进 入 导 带 ） 成 为 自 由 电 子室 温T=300k 电 子 能 量 禁 带Eg导 带价 带施 主 能 级 + + + 返 回 在 本 征 半 导 体 中 掺 入 5价 元 素 的杂 质 （ 砷 、 磷 、 锑 ） 就 成 为 N型 杂 质半 导 体 。 （ 一 ） N型 半 导 体 （ N Type semiconductor） 44 454 444 4电 子 能 量 禁 带Eg导 带价 带施 主 能 级 + + + 返 回1.与 本 征 激 发 不 同 ， 施 主 原 子 在 提 供 多 余 电子 的 同 时 并 不 产 生 空 穴 ， 而 成 为 正 离 子 被 束缚 在 晶 格 结 构 中 ， 不 能 自 由 移 动 ， 不 起 导 电作 用 。2.在 室 温 下 ， 多 余 电 子 全 部 被 激 发 为 自 由 电 子 ，故 N型 半 导 体 中 自 由 电 子 数 目 很 高 （ 浓 度 大 ） ,主 要 靠 电 子 导 电 。 称 为 电 子 半 导 体 。 3.在 N型 半 导 体 中 同 样 也 有 本 征 激 发 产 生 的 电 子空 穴 对 ， 但 数 量 很 小 ， 自 由 电 子 浓 度 远 大 于 空 穴浓 度 。自 由 电 子 多 数 载 流 子 （ 多 子 ） 。且 多 数 载 流 子 浓 度 ni空 穴 少 数 载 流 子 （ 少 子 ） 。 少 数 载 流 子 浓 度 pi （ 二 ） P型 半 导 体 （ P type semiconductor） 电 子 能 量 禁 带Eg导 带价 带受 主 能 级 - - 44 434 4 44 4- 返 回 在 本 征 半 导 体 中 掺 入 3价 元 素 （ 如 B硼 ） ，就 成 为 P型 半 导 体 。 3价 杂 质 原 子 接 受 电 子 负 离 子 受 主 杂 质 受 主 原 子 位 于 受 主 能 级 产 生 空 位室 温T=300k杂 质 产 生 （ 空 位 ） 受 主 能 级 在 价 带 中 形 成 空 穴 晶 格 中 留 下 负 离 子 接 受电 子 （ 二 ） P型 半 导 体 （ P type semiconductor） 电 子 能 量 禁 带Eg导 带价 带受 主 能 级 - - P 型 半 导 体 的 特 点 ： 44 434 444 4- P型 半 导 体 ： 多 子 空 穴 且 ： 多 子 浓 度 pi 少 子 电 子 少 子 浓 度 ni 返 回 （ 三 ） 杂 质 半 导 体 中 的 载 流 子 浓 度 本 征 半 导 体 中 载 流 子 由 本 征 激 发 产 生 ： ni=pi掺 杂 半 导 体 中 （ N or P） 掺 杂 越 多 多 子 浓 度 少 子 浓 度 杂 质 半 导 体 载 流 子 由 两 个 过 程 产 生 ： 杂 质 电 离 多 子 本 征 激 发 少 子由 半 导 体 理 论 可 以 证 明 ， 两 种 载 流 子 的 浓 度 满 足 以 下 关 系 ：1 热 平 衡 条 件 ： 温 度 一 定 时 ， 两 种 载 流 子 浓 度 积 之 ， 等 于 本 征 浓度 的 平 方 。N型 半 导 体 ： 若 以 n n表 示 电 子 （ 多 子 ） ， pn表 示 空 穴 （ 少 子 ） 则 有 nn.pn=ni2P型 半 导 体 ： pp表 示 空 穴 （ 多 子 ） ， np表 示 电 子 浓 度 （ 少 子 ） pp.np=ni2 返 回 （ 三 ） 杂 质 半 导 体 中 的 载 流 子 浓 度 2 电 中 性 条 件 ： 整 块 半 导 体 的 正 电 荷 量 与 负 电 荷 量 恒 等 。 N型 ： ND表 示 施 主 杂 质 浓 度 ， 则 ： nn=ND+pn P型 ： NA表 示 受 主 杂 质 浓 度 ， pp=NA+np由 于 一 般 总 有 : NDpn NAnp 所 以 有 N型 ： nnND 且 ： pn ni2/ND P型 ： p pNA np ni2/NA多 子 浓 度 等 于 掺 杂 浓 度 少 子 浓 度 与 本 征 浓 度 ni2有 关 ， 与 温 度 无 关 随 温 度 升 高 而 增 加 ， 是 半 导 体 元 件 温 度 漂 移 的 主 要 原 因多 子浓 度 少 子浓 度 返 回 1. 1 . 3 漂 移 电 流 与 扩 散 电 流半 导 体 中 有 两 种 载 流 子 ： 电 子 和 空 穴 ， 这 两 种 载 流 子 的 定 向 运 动 会 引 起 导 电 电 流 。 引 起 载 流 子 定 向 运 动 的 原 因 有 两 种 ：由 于 电 场 而 引 起 的 定 向 运 动 漂 移 运 动 。 （ 漂 移 电 流 ）由 于 载 流 子 的 浓 度 梯 度 而 引 起 的 定 向 运 动 扩 散 运 动 （ 扩 散 电 流 ）（ 一 ） 漂 移 电 流 （ drift current） 在 电 子 浓 度 为 n,空 穴 浓 度 为 p的 半 导 体 两 端 外 加 电 压 U， 在 电 场 E的 作用 下 ， 空 穴 将 沿 电 场 方 向 运 动 ， 电 子 将 沿 与 电 场 相 反 方 向 运 动 ： （ 单 位 电 场 强 度 下 载 流 子 的 平 均 漂 移 速 度 ） 返 回空 穴 的 平 均 漂 移 速 度 为 : Vp=upE 电 子 的 平 均 漂 移 速 度 为 : Vn=-unE (二 ） 扩 散 电 流 （ diffusion current） Jpo=-qDp dx )x(dp Jno=-(-q) Dn dx )x(dn =qDn dx )x(dn 返 回 1.2 PN结1.2 .2 PN结 的 单 向 导 电 特 性 1.2.1 PN结 的 形 成 及 特 点 返 回 NP + + + +- - - - 1.2 PN结E 返 回1.2.1 PN结 的 形 成 及 特 点 1. PN结 的 形 成 返 回 空 间 电 荷 区 (space charge region) 在 N型 和 P型 半 导 体 的 界 面 两 侧 ， 明显 地 存 在 着 电 子 和 空 穴 的 浓 度 差 ， 导 致载 流 子 的 扩 散 运 动 ： P型 半 导 体 中 空 穴 N区 扩 散 与 N区 中 电 子 复 合 P区 留 下 负 离 子 N区 生 成 正 离 子 N型 半 导 体 中 电 子 （ 多 子 ） P区 扩 散 与 P区 空 穴 复 合 N区 留 下 正 离 子 P区 生 成 负 离 子 。 伴 随 着 扩 散 和 复 合 运 动 在 PN结 界 面 附 近 形 成 一 个 空 间 电 荷 区 ： N区 一 则 为 正P区 一 则 为 负 形 成 内 建 电 场 E内 建 电 场 形 成 少 子 的 漂 移 运 动 N区 中 空 穴 P区P区 中 电 子 N区 具 有 消 弱 内 建 电 场 E的 作 用 NP + + + +- - - -E 显 然 半 导 体 中 多 子 的 扩 散 运 动 和 少 子 的 漂 移 运 动 是 一 对 矛盾 运 动 的 两 个 方 面 ： 多 子 扩 散 运 动 空 间 电 荷 区 内 建 电 场 E 少 子 漂 移 结 果 ： 多 子 扩 散 运 动 少 子 的 漂 移 扩 散 电 流 漂 移 电 流 达 到 热 平 衡 （ 动 态 平 衡 ） PN结 中 总 电 流 为 零 。空 间 电 荷 区 宽 度 稳 定 形 成 PN结 。 2. PN结 的 特 点 返 回 NP + + + +- - - - E 电 荷 密 度E电 场 强 度 电 位U内 建 电 位势 垒 （ 电 子 势 能 ）qUP N 1.2.2 PN结 的 单 向 导 电 特 性 偏 置 ： 在 PN 结 两 端 外 接 电 源 电 压 正 向 偏 置 ： P区 接 正 电 源 ， N区 接 负 反 向 偏 置 ： N区 接 正 ， P区 接 负 返 回 1. 正 向 偏 置 ， 正 向 电 流R UD NP + + + +- - - - UiD 正 向 偏 置 UU -U 外 电 场 削 弱 内 电 场 势 垒 降 低 阻 挡 层 变 窄扩 散 电 流 的 全 过 程 ： 扩 散 + _ 返 回仿 真 iSNP + + + +- - - -2. 反 向 偏 置 ， 反 向 电 流R URU iSU U U +UR+_ 返 回仿 真 1.3 晶 体 二 极 管 及 应 用1 3 2 二 极 管 的 电 阻1 3 3 二 极 管 的 交 流 小 信 号 等 效 模 型1. 3. 4 二 极 管 应 用 电 路1 3 1晶 体 二 极 管 的 伏 安 特 性 引 言 返 回1 3 5 稳 压 管1 3 6 PN结 电 容1 3 7 PN结 的 温 度 特 性1 3 8 二 极 管 主 要 参 数 1.3 晶 体 二 极 管 及 应 用 晶 体 二 极 管 PN结 欧 姆 接 触 电 极 ， 引 出 线 管 壳1.3.1 晶 体 二 极 管 的 伏 安 特 性 返 回 Si1.3.1 晶 体 二 极 管 的 伏 安 特 性二 极 管 的 电 流 与 端 电 压 之 间 的 关 系 或 曲 线1. 二 极 管 的 理 想 伏 安 特 性 方 程 ： Ge 1.0iD uDa: 正 偏 (uD0 的 区 域 是 正 向 工 作 区 )： UON UON 返 回 一 般 ： Si: Is在 10 9 10 15A量 级 G e: I s在 uA量 级 Si1. 二 极 管 的 理 想 伏 安 特 性 方 程 ： iR=-IS GeUBR UBR 1.0iD uDb: 反 偏 (U(BR)uD0和 UDUON， 那 么 最 初 的 假设 就 不 成 立 。（ 3） 如 果 任 何 一 个 最 初 的 假 设 被 证 明 是 不 成 立 的 ， 那 么 必 须 再做 一 个 新 的 假 设 ， 然 后 分 析 新 的 “ 线 性 ” 电 路 。 必 须 重 复 第 (2)步 。解 ： 首 先 假 设 二 极 管 VD1和 VD2都 处 于 导通 状 态 ， 根 据 电 路 列 写 节 点 A、 B的 电 流方 程 ， 可 得 2AD21 A RUIRUE 4BD23B )7.0( RUIRUE 注 意 到 UB =UA-0.7。 联 立 这 两 个 方 程 并消 去 ID2， 可 得 : UA 7.62V 和 UB 6.92V代 入 上 式 可 得 ： ID2 -0. 786mA。 负 的 二 极 管 电 流 和 最 初 的 假 设 不 一 致 ， 需 要 重 新 做 一 次 假 设 。 重 新 假 设 二 极 管 VD2截 止 和 VD1导 通 。 为 了 求 得 节 点 电 压 UA和 UB，可 以 应 用 分 压 公 式 计 算 ， 结 果 为V521 2A ERR RU V53.9)7.0(43 4OB ERR RUU显 示 二 极 管 VD2确 实 反 向 偏 置 截 止 ， 所 以 ID2=0。 仿 真 实 际 电 路 ： R： 限 流 电 阻 （ 偏 置 电 阻 ） 交 流 小 信 号 电 路 模 型 电 路 仿 真 2 二 极 管 的 交 流 小 信 号 等 效 模 型 返 回 ud ID uDQ UDidiD 1.3.4 二 极 管 应 用 电 路1 整 流 电 路ui0， 二 级 管 导 通 ， ， uo=ui0Di 电 路 仿 真2二 极 管 限 幅 电 路右 图 为 双 向 的 限 幅 电 路如 果 设 ： 二 极 管 的 开 启 电 压 UON = 0.7V则 有 ： |u i| UON ， VD1导 通 VD2截 止 ，回 路 中 的 电 流 ， 利 用 二 极 管 正 向 稳压 特 性 ， uo= UON 。如 果 ， ui0时 ， VD截 止 ， iD=0， 回 路 无法 放 电 ， 使 电 容 C的 电 压 保 持uc=ui=2.5V，而 输 出 电 压 ：uo=ui+uc= ui+ 2.5V=5V iDPN 结 击 穿 后 ， 反 向 电 流 急 剧 增 加 ， 但 端 电 压 几乎 不 变 ， 表 明 击 穿 后 的 PN 结 具 有 稳 压 功 能 ， 在 安 全限 流 条 件 下 ， 利 用 二 极 管 的 击 穿 特 性 制 作 稳 压 管 。IZminIZmaxUZ IZ UZ正 向 区 ： 相 当 普 通 二 极 管 反 向 区 ： 高 阻 抗 器 件 反 向 击 穿 区 ： 稳 压 元 件 稳 定 电 压 UZ IZmin最 小 允 许 电 流 IZmax最 大 允 许 电 流 返 回u D Ui UO 2 应 用 电 路 电 路 仿 真返 回 IZ IL iDIZminIZmaxUZ IZ UZ uD IR 4 稳 压 管 动 态 阻 抗 IZ mi nIZ m a x UZ IZ UZ （ 击 穿 曲 线 斜 率 的 倒 数 ） rz I z通 常 击 穿 曲 线 越 陡 ， 内 阻 rz越 小 ， 稳 压 性 能 越 好 .5. 稳 压 管 电 路 模 型 ： 返 回 UZ UZrZiZ iZ 1 3 6 PN结 电 容 + + + +- - - - R UU +_ iR PN 结 具 有 电 容 效 应 势 垒 电 容 (Barrier Capacitance) （ 1） 定 义 ： 相 当 于 一 个 平 等 板 电 容 器 （ 2） 变 容 极 管 特 性 ：利 用 PN 结 的 势 垒 电 容 效 应 可 制 造 变 容 二 极 管 。 返 回变 容 管 电 容 与 反 偏 电 压 的 关 系 ： nDTT )-(1 )0(C=C Uu 载 流 子 浓 度。 。 。 。 。 PN结 正 向 偏 压 时 载 流 子 在 扩 散 过 程 中 的 电 荷 积 累 引 起 的 电 容 效 应 。 QpQn . . P NU+ U- 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。一 般 CD可 表 示 为 ： 返 回 二 极 管 主 要 参 数 4. 最 高 工 作 频 率 fm:最 高 允 许 工 作 频 率 uDiD 返 回 继 续5. 二 极 管 的 高 频 小 信 号 模 型