模拟电子技术全册精品完整课件.ppt

1、华中科技大学 张林 1 模拟电子技术全册精品模拟电子技术全册精品 完整课件完整课件 电子技术基础电子技术基础 模拟部分模拟部分 （第六版第六版） 3 华中科技大学 张林 电子技术电子技术基础模拟部分基础模拟部分 1 1 绪论绪论 2 2 运算放大器运算放大器 3 3 二极管及其基本电路二极管及其基本电路 4 4 场效应三极管及其放大电路场效应三极管及其放大电路 5 5 双极结型三极管及其放大电路双极结型三极管及其放大电路 6 6 频率响应频率响应 7 7 模拟集成电路模拟集成电路 8 8 反馈放大电路反馈放大电路 9 9 功率放大电路功率放大电路 10 10 信号处理与信号产生电路信号处理与信

2、号产生电路 11 11 直流稳压电源直流稳压电源 华中科技大学 张林 4 1 1 绪论绪论 1.1 1.1 信号信号 1.2 1.2 信号的频谱信号的频谱 1.3 1.3 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 1.4 1.4 放大电路模型放大电路模型 1.5 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标 5 华中科技大学 张林 1.1 信号信号 1 1. . 信号：信号： 信息的载体信息的载体 微音器输出的某一段信号的波形微音器输出的某一段信号的波形 6 华中科技大学 张林 1.1 信号信号 2 2. . 电信号源的电路表达形式电信号源的电路表达形式 si s s R i v 电电 子

3、子 系系 统统 Rsi + + - - vS 电压源等效电路电压源等效电路 电流源等效电路电流源等效电路 电电 子子 系系 统统 Rsi iS 戴戴 维维 宁宁 诺诺 顿顿 转换转换 7 华中科技大学 张林 1.2 信号信号的频谱的频谱 1 1. . 正弦信号正弦信号 )sin()( 0m tVtv 00 0 2 2 fT 时域时域 频域频域 8 华中科技大学 张林 1.2 信号信号的频谱的频谱 2 2. . 方波信号方波信号 )5sin 5 1 3sin 3 1 (sin 2 2 )( 000 SS ttt VV tv 满足狄利克雷条件满足狄利克雷条件，展展 开成傅里叶级数开成傅里叶级数 2

4、 S V 直流分量直流分量 其中其中 2 S V 基波分量基波分量 3 1 2 S V 三次谐波分量三次谐波分量 方波的时域表示方波的时域表示 T 2 0 基波角频率基波角频率 9 华中科技大学 张林 1.2 信号的频谱信号的频谱 2 2. . 方波信号方波信号 )5sin 5 1 3sin 3 1 (sin 2 2 )( 000 ss ttt VV tv 频谱：信号的振幅和相位随频率变化的分布称为该信号的频谱。频谱：信号的振幅和相位随频率变化的分布称为该信号的频谱。 幅度谱幅度谱 相位谱相位谱 傅里叶级数的标准形式傅里叶级数的标准形式 ) 2 cos( 1 2 2 )( 5, 3, 1 0

5、ss n tn n VV t v 10 华中科技大学 张林 1.2 信号的频谱信号的频谱 3 3. . 非周期信号非周期信号 傅里叶变换：傅里叶变换： 通过快速傅里叶变换通过快速傅里叶变换（FFT） 可迅速求出非周期信号的频谱函可迅速求出非周期信号的频谱函 数数。 )0( 非周期信号包含了所有可能的频非周期信号包含了所有可能的频 率成分率成分 离散频率函数离散频率函数 周期信号周期信号 连续频率函数连续频率函数 非周期信号非周期信号 气温波形气温波形 气温波形的频谱函数（示意图）气温波形的频谱函数（示意图） c 截止角频率截止角频率 11 华中科技大学 张林 1.3 模拟信号和数字信号模拟信号

6、和数字信号 处理模拟信号的电子电路称为模拟电路处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。 模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。 数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。 12 华中科技大学 张林 1.4 放大电路模型放大电路模型 电压增益电压增益（电压放大倍数电压放大倍数） i o v v v A 电流增益电流增益 i o i i Ai 互阻增益互阻增益 )( i o i Ar v 互导增益互导增益 )S( i o v i Ag 1. 1. 放大电路的符号及模拟信号放大放大电路的符号及模拟信号放大 信号源信号源 负载负载

7、 13 华中科技大学 张林 1.4 放大电路模型放大电路模型 2. 2. 放大电路模型放大电路模型 放大电路是一个双口网络放大电路是一个双口网络。从端口特性来研究放大电从端口特性来研究放大电 路路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。 输入端口特性可以等效为一个输入电阻输入端口特性可以等效为一个输入电阻 输出端口可以根据不同情况等效成不同的电路形式输出端口可以根据不同情况等效成不同的电路形式 14 华中科技大学 张林 1.4 放大电路模型放大电路模型 2. 2. 放大电路模型放大电路模型 Rsi + + + RL vo vs vi Ri + vi A

8、vo Ro 负载开路时的负载开路时的 电压增益电压增益 A. 电压放大模型电压放大模型 ov A i R 输入电阻输入电阻 o R 输出电阻输出电阻 由输出回路得由输出回路得 Lo L ioo RR R A vv v 则电压增益为则电压增益为 i o v v v A Lo L o RR R A v 由此可见由此可见 L R v A即负载的大小会影响增益的大小即负载的大小会影响增益的大小 要想减小负载的影响要想减小负载的影响，则希望则希望？ （考虑改变放大电路的参数考虑改变放大电路的参数） Lo RR 理想情况理想情况 0 o R 15 华中科技大学 张林 1.4 放大电路模型放大电路模型 另一

9、方面另一方面，考虑到考虑到 输入回路对信号源的输入回路对信号源的 衰减衰减 si RR 理想情况理想情况 有有 s is i i vv RR R 要想减小衰减要想减小衰减，则希望则希望？ i R A. 电压放大模型电压放大模型 Rsi + + Ro + + Ri RL vi A vo vo vs vi 16 华中科技大学 张林 1.4 放大电路模型放大电路模型 Rsi Ro Ri RL Ais io ii is ii Rsi + + Ro + + Ri RL vi A vo vo vs vi B. 电流放大模型电流放大模型 关 心 输 出 电关 心 输 出 电 流与输入电流的流与输入电流的 关

10、系关系 17 华中科技大学 张林 1.4 放大电路模型放大电路模型 Rsi Ro Ri RL Ais io ii is ii 负载短路时的负载短路时的 电流增益电流增益 s i A 由输出回路得由输出回路得 Lo o io RR R iAi is 则电流增益为则电流增益为 i o i i Ai Lo o RR R Ais 由此可见由此可见 L R i A 要想减小负载的影响要想减小负载的影响，则希望则希望？ Lo RR 理想情况理想情况 o R 由输入回路得由输入回路得 is s si RR R ii 要想减小对信号源的衰减要想减小对信号源的衰减，则希望则希望？ si RR 理想情况理想情况

11、0 i R B. 电流放大模型电流放大模型 18 华中科技大学 张林 1.4 放大电路模型放大电路模型 Ro + Ri vi A vo v o + vi + C. 互阻放大模型互阻放大模型（自学自学） 输入输出回路没有公共端输入输出回路没有公共端 D. 互导放大模型互导放大模型（自学自学） E. 隔离放大电路模型隔离放大电路模型 19 华中科技大学 张林 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标 Rsi + vs vi + Ro vo + + Ri RL vi A vo io ii 1 1. . 输入电阻输入电阻 t t i i R v it + vt Ri RL 放大电路放大电路

12、 A + vt Ri RL 放大电路放大电路 A + vi R1 1i i i t RR R v v it i1 i vv v R R 或或 20 华中科技大学 张林 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标 2 2. . 输出电阻输出电阻 Ls ,0 t t oRv v i R注意：输入注意：输入、输出电阻为交流电阻输出电阻为交流电阻 it + vt Ro + vs=0 放大电路放大电路 A Rsi 21 华中科技大学 张林 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标 3 3. . 增益增益 反映放大电路在输入信号控制下反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量将供电

13、电源能量 转换为输出信号能量的能力转换为输出信号能量的能力。 (dB) lg20 v A 电压增益电压增益 四种增益四种增益 i o v v v A i o i i Ai i o i Ar v i o v i Ag 其中其中 i AA 、 v 常用分贝常用分贝（dBdB）表示表示。 (dB) lg20 i A 电流增益电流增益 (dB) lg10 P A 功率增益功率增益 “甲放大电路的增益为甲放大电路的增益为- -2020倍倍”和和“乙放大电路的增益为乙放大电路的增益为 - -2020dB”dB”，问哪个电路的增益大问哪个电路的增益大？ 22 华中科技大学 张林 1.5 放大电路的主要性能指

14、标放大电路的主要性能指标 4 4. . 频率响应频率响应 A A. .频率响应及带宽频率响应及带宽 电压增益可表示为电压增益可表示为 )j ( )j ( )j ( i o V V A V 在输入正弦信号情况下在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的输出随输入信号频率连续变化的 稳态响应稳态响应，称为放大电路的频率响应称为放大电路的频率响应。 )()( )j ( )j ( io i o V V 或写为或写为 )()( VV AA 其中其中 称为幅频响应称为幅频响应 j j i o )( )( )( V V AV 称为相频响应称为相频响应 io )()()( 23 华中科技大学 张林 1

15、.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标 其中其中 上限频率上限频率 H f 普通音响系统放大电路的幅频响应普通音响系统放大电路的幅频响应 下限频率下限频率 L f 称为带宽称为带宽 LH ffBW HLH fBWff 时，时，当当 0 3dB 20lg|AV|/dB 带宽带宽 2 20 40 60 202 1022 1032 104f/Hz fLfH 高频区高频区 中频区中频区 低频区低频区 3dB 频率点频率点 （半功率点）（半功率点） 3dB 频率点频率点 （半功率点）（半功率点） 直流放大电路的幅频响应与直流放大电路的幅频响应与 此有何区别此有何区别？ 0 f / Hz 20

16、lg|AV|/dB 低频通带区 高频区 3dB 4 4. . 频率响应频率响应 A A. .频率响应及带宽频率响应及带宽 24 华中科技大学 张林 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标 B B. .频率失真频率失真（线性失真线性失真） 幅度失真：幅度失真： 对不同频率的信号增对不同频率的信号增 益不同益不同，产生的失真产生的失真。 O t I O t O 基波基波 二次谐波二次谐波 输入信号输入信号 输出信号输出信号 基波基波 二次谐波二次谐波 4 4. . 频率响应频率响应 25 华中科技大学 张林 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标 相位失真：相位失真：

17、对不同频率的信号时对不同频率的信号时 延不同延不同，产生的失真产生的失真。 O t vI O t vO O t vI O t vO 基波基波 基波基波 O t vI O t vO 基波基波 二次谐波二次谐波 基波基波 二次谐波二次谐波 O t vI O t vO 信号信号 基波基波 二次谐波二次谐波 基波基波 二次谐波二次谐波 信号信号 B B. .频率失真频率失真（线性失真线性失真） 4 4. . 频率响应频率响应 幅度失真：幅度失真： 对不同频率的信号增对不同频率的信号增 益不同益不同，产生的失真产生的失真。 26 华中科技大学 张林 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标

18、5 5. . 非线性失真非线性失真 由元器件非线性特性由元器件非线性特性 引起的失真引起的失真。 非线性失真系数非线性失真系数: %100 o1 2 2 o V V k k Vo1是输出电压信号基是输出电压信号基 波分量的有效值波分量的有效值，Vok是高是高 次谐波分量的有效值次谐波分量的有效值，k为为 正整数正整数。 O t I O t O end 电子技术基础电子技术基础 模拟部分模拟部分 （第六版第六版） 华中科技大学华中科技大学 28 华中科技大学 张林 电子技术电子技术基础模拟部分基础模拟部分 1 1 绪论绪论 2 2 运算放大器运算放大器 3 3 二极管及其基本电路二极管及其基本电

19、路 4 4 场效应三极管及其放大电路场效应三极管及其放大电路 5 5 双极结型三极管及其放大电路双极结型三极管及其放大电路 6 6 频率响应频率响应 7 7 模拟集成电路模拟集成电路 8 8 反馈放大电路反馈放大电路 9 9 功率放大电路功率放大电路 10 10 信号处理与信号产生电路信号处理与信号产生电路 11 11 直流稳压电源直流稳压电源 华中科技大学 张林 29 2 2 运算放大器运算放大器 2.1 2.1 集成电路集成电路运算放大器运算放大器 2.2 2.2 理想理想运算放大器运算放大器 2.3 2.3 基本基本线性运放电路线性运放电路 2.4 2.4 同相同相输入和反相输入放大输入

20、和反相输入放大 电路的其他应用电路的其他应用 30 华中科技大学 张林 2.1 集成电路集成电路运算放大器运算放大器 1. 集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内部组成单元 图图2.1.1 集成运算放大器的内部结构框图集成运算放大器的内部结构框图 本章不讨论集成运放的内部电路，仅从其电路模型和外特性本章不讨论集成运放的内部电路，仅从其电路模型和外特性 出发，讨论运放构成的放大电路和典型的线性应用电路。出发，讨论运放构成的放大电路和典型的线性应用电路。 31 华中科技大学 张林 2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 符号符号 图图2.1.2 运算放大器的代表符号运算放大器

21、的代表符号 （a）国家标准规定的符号）国家标准规定的符号 （b）国内外常用符号）国内外常用符号 (a) (b) 1. 集成电路运算放大器的内部组成单元集成电路运算放大器的内部组成单元 32 华中科技大学 张林 2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 通常：通常： 开环电压增益开环电压增益 Avo的的 105 （很高）（很高） 输入电阻输入电阻 ri 106 （很大）（很大） 输出电阻输出电阻 ro 100 （很小）（很小） vOAvo(vPvN) （ V vO V ） ） 注意输入输出的相位关系注意输入输出的相位关系 放大：在输入信号控制下放大：在输入信号控制下， 放大电路将供电电源能量

22、转放大电路将供电电源能量转 换成为输出信号能量换成为输出信号能量。 33 华中科技大学 张林 2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 当当Avo(vPvN) V 时 时 vO V 当当Avo(vPvN) V- -时时 vO V- - 电压传输特性电压传输特性 vO f (vPvN) 34 华中科技大学 张林 2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 线性范围内线性范围内 vOAvo(vPvN) Avo斜率斜率 当当Avo(vPvN) V 时 时 vO V 当当Avo(vPvN) V- -时时 vO V- - 电压传输特性电压传输特性 vO f (vPvN) 35 华中科技大学 张林

23、2.2 理想运算放大器理想运算放大器 1. vo o的饱和极限值等于运放的的饱和极限值等于运放的 电源电压电源电压V 和 和V 2. 运放的开环电压增益很高运放的开环电压增益很高 若（若（vpvn）0 则则 vo= +Vom=V 若（ 若（vpvn）0 则则 vo= Vom=V 3. 若若V vo R3时，时， （1）试证明）试证明Vs( R3R1/R2 ) Im 解（解（1）根据虚短和虚断有）根据虚短和虚断有 Ii =0 Vp = Vn =0 例例2.3.3直流毫伏表电路直流毫伏表电路 （2）R1R2150k ，R31k ， 输入信号电压输入信号电压Vs100mV时，通过时，通过 毫伏表的电

24、流毫伏表的电流Im(max)？ 所以所以 I2 = Is = Vs / R1 R2和和R3相当于并联，所以相当于并联，所以 I2R2 = R3 (I2 - Im ) 得得 1 s 3 32 m R V R RR I)( 当当R2 R3时，时，Vs( R3R1/R2 ) Im （2）代入数据计算即可）代入数据计算即可 （指针偏转角度与（指针偏转角度与Im是线性关系）是线性关系） 华中科技大学 张林 46 2.4 同相输入和反相输 入放大电路的其他应用 2.4.1 求差电路 2.4.2 仪用放大器 2.4.3 求和电路 2.4.4 积分电路和微分电路 47 华中科技大学 张林 2.4.1 求差电路

25、求差电路 ip i2 i3 P N R2 R3 R1 R4 vo i1 i4 vp vn vi2 vi1 vi2vi1 in 从结构上看从结构上看，它是反相它是反相 输入和同相输入相结合的放输入和同相输入相结合的放 大电路大电路。 4 on 1 ni1 R vv R vv 3 p 2 pi2 0 R v R vv i1 1 4 i2 32 3 1 41 o v R R v RR R R RR v )( 当当 , 2 3 1 4 R R R R 则则 )( i1i2 1 4 o vv R R v 若继续有若继续有 , 14 RR 则则 i1i2o vvv 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N N、P

26、 P 点的点的KCLKCL得：得： pn vv 48 华中科技大学 张林 2.4.1 求差电路求差电路 从放大器角度看从放大器角度看 1 4 i1i2 o d R R vv v Av 时时 2 3 1 4 R R R R )( i1i2 1 4 o vv R R v 增益为增益为 （该电路也称为差分电路或减法电路）（该电路也称为差分电路或减法电路） 当当 ip i2 i3 P N R2 R3 R1 R4 vo i1 i4 vp vn vi2 vi1 vi2vi1 in 49 华中科技大学 张林 2.4.1 求差电路求差电路 差模输入电阻差模输入电阻 时时 2 3 1 4 R R R R 当当

27、i1i2id vvv ip i2 i3 P N R2 R3 R1 R4 vo i1 i4 vp vn vid in iid iid ip i2 i3 P N R2 R3 R1 R4 vo i1 i4 vp vn vi2 vi1 vi2vi1 in )( - )( 41ido32idid RRiRRi vv 2idp Ri v 4idon Ri vv np vv 21 id id id RR i R v 此时有此时有 4132id iiiii 输入电阻较小输入电阻较小 50 华中科技大学 张林 2.4.1 求差电路求差电路 一种高输入电阻的差分电路一种高输入电阻的差分电路 如何提高输入电阻如何提

28、高输入电阻？ + - - i2 i3 P N R2 R3 R1 R4 vo i1 i4 vp vn vi2 vi1 vi1 A1 vi2 A2 A3 51 华中科技大学 张林 2.4.2 仪用放大器仪用放大器 A1 A2 A3 v1 R1 vR1v1v2 v2 R2 R2 2 R i v3v4 v3 R3 v4 R3 R4 R4 vo iR1 vn3 vp3 in=0 in=0 2 R i ) 2 1( 1 2 3 4 21 O R R R R A vv v v 52 华中科技大学 张林 2.4.3 求和电路求和电路 R2 R3 R1 vi2 vi1 i2 i1 ii i3 vn vo1 R

29、R vo R2 R3 R1 vi2 vi1 i2 i1 ii i3 vn vo 1 ni1 - R vv 3 on - R vv 根据根据虚短虚短、虚断虚断和和N N点点 的的KCLKCL得：得： 2i 2 3 1 i 1 3 o -v R R v R R v 321 RRR 若若 0 pn vv 2 ni2 - R vv 则有则有 2i1 io -vvv 输出再接一级反相电路输出再接一级反相电路 2i1 io vvv 可得可得 （该电路也称为加法电路）（该电路也称为加法电路） 53 华中科技大学 张林 2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路 i2 C ii i1 vI R vN v

30、O vc R1 1. 1. 积分电路积分电路 式中式中，负号表示负号表示vo与与vi在相位上是相反的在相位上是相反的。 根据根据“虚短虚短”，得得 根据根据“虚断虚断”，得得 0 pn vv 0 i i 因此因此 R v ii i 12 电容器被充电电容器被充电，其充电电流为其充电电流为 2 i 设电容器设电容器C的初始电压为零的初始电压为零，则则 t RC ti C d 1 d 1 i 2on v vv tv RC vd 1 io （积分运算积分运算） 54 华中科技大学 张林 2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路 vI O t VI (a) VI t O vO Vom (b)

31、当当vi为阶跃电压时为阶跃电压时，有有 vo与与 t 成线性关系成线性关系 tv RC vd 1 io t RC Vi t V i 与一般与一般RC电路相比该积电路相比该积 分电路有何特点分电路有何特点？ C i vi R vo 1. 1. 积分电路积分电路 i2 C ii i1 vI R vN vO vc R1 55 华中科技大学 张林 2.4.4 积分电路和微分电路积分电路和微分电路 2. 2. 微分电路微分电路 t v RCv d d i o end 电子技术基础电子技术基础 模拟部分模拟部分 （第六版第六版） 华中科技大学华中科技大学 57 华中科技大学 张林 电子技术电子技术基础模拟

32、部分基础模拟部分 1 1 绪论绪论 2 2 运算放大器运算放大器 3 3 二极管及其基本电路二极管及其基本电路 4 4 场效应三极管及其放大电路场效应三极管及其放大电路 5 5 双极结型三极管及其放大电路双极结型三极管及其放大电路 6 6 频率响应频率响应 7 7 模拟集成电路模拟集成电路 8 8 反馈放大电路反馈放大电路 9 9 功率放大电路功率放大电路 10 10 信号处理与信号产生电路信号处理与信号产生电路 11 11 直流稳压电源直流稳压电源 华中科技大学 张林 58 3 3 二极管及其基本二极管及其基本电路电路 3.1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.2 PN3.2 P

33、N结的形成及特性结的形成及特性 3.3 3.3 二极管二极管 3.4 3.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法 3.5 3.5 特殊二极管特殊二极管 华中科技大学 张林 59 3.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体 3.1.4 杂质半导体 60 华中科技大学 张林 3.1.1 半导体材料半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分的不同，来划分 导体、绝缘体和半导体。导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓G

34、aAsGaAs等。等。 61 华中科技大学 张林 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 62 华中科技大学 张林 3.1.3 本征半导体本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈它在物理结构上呈 单晶体形态单晶体形态。 空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。 电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而 产生的自由电子和空穴对。产生的自由电子和空穴对。 空穴的移动空穴的移动空穴的运动空穴的运动 是靠相邻共价键中的价电子是靠相邻共价键中的价电子 依次充填空穴来实现的。依次

35、充填空穴来实现的。 由于随机热振动致使共价键被打破而由于随机热振动致使共价键被打破而 产生空穴电子对产生空穴电子对 63 华中科技大学 张林 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质， 可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质 主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体 称为称为杂质半导体杂质半导体。 N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的掺入五价杂质元素（如磷）的 半导体。半导体。 P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼

36、）的掺入三价杂质元素（如硼）的 半导体。半导体。 64 华中科技大学 张林 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 1. N1. N型半导体型半导体 因五价杂质原子中只因五价杂质原子中只 有四个价电子能与周围四有四个价电子能与周围四 个半导体原子中的价电子个半导体原子中的价电子 形成共价键，而多余的一形成共价键，而多余的一 个价电子因无共价键束缚个价电子因无共价键束缚 而很容易形成自由电子。而很容易形成自由电子。 在在N N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原它主要由杂质原 子提供；子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, , 由热激发形成。由热激发形成。

37、 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子， 因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。 65 华中科技大学 张林 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +4 邻近的电子落入受主的空邻近的电子落入受主的空 位，留下可移动的空穴位，留下可移动的空穴 受主获得一个电子而受主获得一个电子而 形成一个负离子形成一个负离子 受主原子受主原子 可移动的空穴可移动的空穴 2. P2. P型半导体型半导体 因三价杂质原子因三价杂质原子 在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价 键时，缺少一个价电

38、键时，缺少一个价电 子而在共价键中留下子而在共价键中留下 一个空穴。一个空穴。 在在P P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；它主要由掺杂形成； 自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂。三价杂 质因而也称为质因而也称为受主杂质受主杂质。 66 华中科技大学 张林 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 3. 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影 响，

39、一些典型的数据如下响，一些典型的数据如下: : T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm3 1 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3 以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2 掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 华中科技大学 张林 67 3.2 PN结的形成及特性 3.2.1 载流子的漂移与扩散 3.2.2 PN结的形成 3.2.3 PN结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容

40、效应 68 华中科技大学 张林 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 漂移运动：漂移运动： 在电场作用引起的载流子的运动在电场作用引起的载流子的运动 扩散运动：扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动由载流子浓度差引起的载流子的运动 69 华中科技大学 张林 3.2.2 PN结的形成结的形成 P 型型 N 型型 70 华中科技大学 张林 3.2.2 PN结的形成结的形成 空间电荷区空间电荷区 P 型区型区 N 型区型区 内电场内电场 E 71 华中科技大学 张林 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, ,分别分别 形成形成N N型半导体和

41、型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半导体和型半导体和P P型型 半导体的结合面上形成如下物理过程半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后, ,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。 多子的扩散运动多子的扩散运动 由 由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 72 华中科技大学 张林 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的

42、电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加 正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 (1) PN(1) PN结加正向电压时结加正向电压时 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流 PNPN结的结的I I- -V V 特性特性 iD/mA 1.0 0.5 -0.5 -1.0 0.5 1.0 vD/V 正向偏正向偏 置特性置特性 73 华中科技大学 张林 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区

43、的电位，称为加区的电位，称为加 正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 (2) PN(2) PN结加反向电压时结加反向电压时 PNPN结的结的I I- -V V 特性特性 iD/mA 1.0 0.5 -0.5 -1.0 0.5 1.0 vD/V 正向偏正向偏 置特性置特性 iD = -IS 反向偏反向偏 置特性置特性 74 华中科技大学 张林 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 PNPN结的结的I I- -V V 特性特性 iD/mA 1.0 0.5 -0.5 -1.0 0.5 1.0 vD/V 正向偏正向偏 置特性置特性 iD = -IS 反向偏反向偏 置特性置特性 在一定的温度条件下，由本征在一定的温度条件下，由本征 激发决定的少子浓度是一定的，故激发决定的少子浓度是一定的，故 少子形成的漂移电流是恒定的，基少子形成的漂移电流是恒定的，基 本上与所加反向电压的大小无关，本上与所加反向电压的大小无关， 这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 高电阻高电阻 很小的反向漂移