相关模拟电子技术基础 孙肖子张企民

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1、高等学校电子信息类系列教材模拟电子技术基础编著孙肖子张企民西安电子科技大学出版社http://www.xduph.com目录第1章晶体二极管及其基本电路第2章双极型晶体管及其放大电路第3章场效应管及其基本电路第4章集成运算放大器电路第5章频率响应第6章反馈第7章模拟集成电路系统第8章现代模拟集成电路技术返回第9章功率电路及系统第1章晶体二极管及其基本电路第1章晶体二极管及其基本电路1–1半导体物理基础知识1–2PN结及晶体二极管1–3晶体二极管及其基本电路1–4其它二极管简介第1章晶体二极管及其基本电路1–1半导体物理基础知识按导电性

2、能的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。要理解这些特性，就必须从半导体的原子结构谈起。第1章晶体二极管及其基本电路按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。要理解这些特性，就必须从半导体的原子结构谈起。与价电子密切相关，所以为了突出

3、价电子的作用，我们采用图1–1所示的简化原子结构模型。第1章晶体二极管及其基本电路＋4图1–1原子的简化模型第1章晶体二极管及其基本电路纯净的单晶半导体称为本征半导体。在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵(称为晶格)。由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。图1–2是单晶硅或锗的共价键结构平面示意图。共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引，是不能在晶体中

4、自由移动的，所以是束缚电子，不能参与导电。第1章晶体二极管及其基本电路＋4＋4＋4价电共子价＋4＋4＋4键＋4＋4＋4图1–2单晶硅和锗的共价键结构示意图第1章晶体二极管及其基本电路一、半导体中的载流子——自由电子和空穴在绝对零度(-273)时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位，如图1–3所示。第1章晶体二极管及其基本电路＋4＋4＋4自由电子空穴＋4＋4

5、＋4＋4＋4＋4图1–3本征激发产生电子和空穴第1章晶体二极管及其基本电路二、本征载流子浓度在本征半导体中，由于本征激发，不断地产生电子、空穴对，使载流子浓度增加。与此同时，又会有相反的过程发生。由于正负电荷相吸引，因而，会使电子和空穴在运动过程中相遇。这时电子填入空位成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合。显然，载流子浓度越大，复合的机会就越多。这样在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终会达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。理论分析表明，本征载流子的浓度为第1章晶体二极管及其基本

6、电路npAT3/2eEG0/2kT(1–1)ii0式中n,p分别表示电子和空穴的浓度(cm–3)；T为热ii力学温度(K)；E为T=0K时的禁带宽度(硅为1.21eV,锗G0为0.78eV)；k为玻尔兹曼常数(8.63×10–6V/K)；A是与0半导体材料有关的常数(硅为3.87×1016cm-3·K-3/2，锗为1.76×1016cm-3·K-3/2)。第1章晶体二极管及其基本电路1–1–2杂质半导体在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，有N

7、型半导体和P型半导体两种。第1章晶体二极管及其基本电路一、N型半导体在本征硅(或锗)中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等，就得到N型半导体。这时，杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键，而多出一个价电子只能位于共价键之外，如图1–4所示。第1章晶体二极管及其基本电路＋4＋4＋4键外电子＋4＋5＋4施主原子＋4＋4＋4图1–4N型半导体原子结构示意图第1章晶体二极管及其基本电路二、P型半导体在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四

8、个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是