模拟电路基础：第1章 半导体基础和二极管

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1、模拟电子技术基础B北京理工大学自动化学院2012.9.24模拟电子技术基础B授课教师：江泽民授课单位：北京理工大学自动化学院 电子学教研室联系电话：68912462（教研室）Email：课程成绩的评定分为两大部分：1、平时成绩 30分；（1）课堂测试及点名：20分 按时上课；提前请假；相互尊重 （2）作业：10分 自己做2、期末考试成绩 70（半开卷考试）模拟电子技术基础B概述 全书共分为十一章。第一章：全书的基础知识概述，也是难点；第二、三、四、五、六章 各种不同的有源器件构成的放大电路及特性；第七、八、九、十章 放大电路的应用。模拟电子技术基础B概述 第十一章讲述EDA技术。本书重点：第二

2、、三、七、八、九章。通过以往的讲述看，模拟电子技术基础比数字电子技术基础的难度大，主要是新概念多，应用电路复杂多样，但各种电路实际上是有规律可循。模拟电子技术基础B概述模拟电子技术基础的整本书贯穿的是“放大”。放大电路的基本器件：晶体管和场效应管；放大电路的组成；放大电路的特性；放大电路的应用。模拟电子技术基础B概述 什么是放大？如何正确理解电子电路的放大？从电子学的概念看：放大的本质是能量的控制和转换。放大的基本特征是功率放大。能够控制能量的元件叫做有源器件。放大电路的基本要求是不失真。其他概念 建立工程化的概念；作为专业基础课程，应和实际相联系。如电阻的阻值，其实是在其标称值某个范围内变化

3、的，并不等同于标称值。书中多次出现等效，近似等字眼，说明其和实际情况并不完全等同。关于EDA技术和可编程模拟器件 EDA技术是目前研究的热点。电子产品从电路设计、性能分析导最终的完成实现都可以通过计算机软件实现。可编程模拟器件是一类新型集成电路，可以通过改变器件的配置得到需要的电路功能。方便快捷完成模拟电路的设计、验证和修改，缩短产品的研制周期，降低产品开发成本。掌握一个基本的EDA软件：Mulitsim。模拟电子技术基础B概述课时分配：第一章：3学时 第二章：9学时 第三章：6学时 第四章：3学时 第五章:3学时 第六章：2学时 第七章：7学时 第八章：6学时 第九章：6学时 第十章：3学时

4、。共计：48学时1.1 半导体的基础知识1.2 半导体二极管第1章 半导体基础和二极管思考：1-3习题：1-8 1-9 1-10难点:半导体中载流子的运动以及用载流子运动来说明半导体二极管工作原理。（是难点但不是重点。）本章的重点和难点重点：从使用的角度出发理解普通二极管、稳压二极管工作原理，掌握其外部特性及主要参数。1.1 半导体的基本知识1.1.1 本征半导体 半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。半导体有一些特殊的性质：光敏特性、热敏特性和掺杂特性等等。常用的半导体材料为硅（Si）和锗（Ge），它们均为四价元素。在热力学温度零度和没有外界激发

5、时,本征半导体不导电。图1.2 硅晶体中的共价键结构硅原子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、本征半导体的结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴产生产生图图1-3 本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子成对出现成对出现成对消失成对消失三、本征半导体中的两种载流子自由电子和空穴 温度一定时空穴浓度和自由电子浓度一定且相等。浓度随温度升高迅速增大，具有热敏性。复合复合+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。价电子填补空穴价电子填补空穴+4+4+4+4+4+4+4+4

6、1.1.2 杂质半导体一一.N 型半导体型半导体 在四价硅或锗的晶体中掺入少量的五价元 素,如磷,则形成N型半导体。磷原子磷原子+4+5多余价电子多余价电子自由电子自由电子正离子正离子图图1-4 N型半导体型半导体 N型半导体结构示意图少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离子正离子 在在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，半导体但仍是电中性。载流子，半导体但仍是电中性。+4+4+4+4+4+4+4二.P型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P 型半导体。+4+4硼原子硼原子填补空位填补空位+3负离子负离子空位空位空

7、穴空穴空穴空穴电子电子电子是少数载流子电子是少数载流子负离子负离子空穴是多数载流子空穴是多数载流子在P型半导中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。P型半导体结构示意图型半导体结构示意图一、PN 结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。1.1.3 PN 结一、PN 结的形成1.1.3 PN 结 由于载流子的浓度差，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。这种由于浓度差引起的运动称为扩散运动。随着扩散运动的进行，N区出现正离子区，P区出现负离子区，这个不能移动的电荷区叫空间电荷区。因没有载流子，也叫耗尽层、

8、势垒区、阻挡层。P 区区N 区区N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合P区的空穴向区的空穴向N区扩散并与电子复合区扩散并与电子复合空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向1.1.3 PN结一、PN结的形成 由空间电荷区产生的、方向为N区指向P区的内建电场阻碍了扩散运动，同时使少子产生漂移运动，即N区的空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。当漂移运动和扩散运动达到动态平衡时，扩散电流等于漂移电流且方向相反，PN结中电流为零，PN结宽度及电位差Uho为恒定值。一、PN 结的形成1.1.3 PN 结P 区区N 区区空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向1.1.3 PN结一、P

9、N结的形成内电场作用下，少子漂移内电场作用下，少子漂移一、PN 结的形成多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区P 区区N 区区P 区区N 区区内电场方向室温下，内电场建立的电位差：室温下，内电场建立的电位差：硅：（硅：（0.60.8）V 锗：（锗：（0.1 0.3）VP N结结二、PN 结的特性1.PN 结的单向导电性 所谓“单向导电性”是指PN结在不同极性外加电压作用下，其导电能力有极大差异的特性。PN结最显著的特性为单向导电性。正向接法（正偏）：P区接电源正极，N区接电源负极；反向接法（反偏）：N区接电源正极，P区接电源负极。内电场方向内电场方向E外电场方

10、向外电场方向RIP 区区N 区区外电场驱使外电场驱使P区的空穴进入空间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷空间电荷区空间电荷区变窄变窄 外电场和内电场方向相反，外电场和内电场方向相反，空间电空间电荷区变窄，荷区变窄，形成较大的正向电流形成较大的正向电流（1）外加正向电压（正偏）P 区区N 区区内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR（2）外加反向电压(反偏)少数载流子越过少数载流子越过PN结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 空间电荷区空间

11、电荷区PN结的单向导电性 PN结正偏时的正向电流（是扩散电流）数值较大，此时容易导电；PN结反偏时的反向电流（是漂移电流）数值很小，几乎不导电。2.PN结的伏安特性及其表达式)1(/TUUseIIIs为反向饱和电流，常温时：UT 26mV温度对反向电流的影响大：PN加正向电压，且UUT时，TUUseII/PN加反向电压，且 U UT时，sIIT 少子少子 IS I/mAU/VsI3.PN结的击穿特性 当PN结反向电压超过一定数值UBR后，反向电流急剧增加，该现象称为反向击穿，UBR称为反向击穿电压。齐纳击穿雪崩击穿 齐纳击穿：在掺杂浓度高的情况下，不大的反向电压可以在耗尽层产生很强的电场，直接

12、破坏共价键，形成电子空穴对，导致电流急剧增加。硅材料一般在4V以下。3.PN结的击穿特性 雪崩击穿：掺杂浓度低，当反向电压比较大时，耗尽层中的少子加快漂移速度，撞击共价键，形成电子空穴对，新的电子和空穴在电场的作用下加速运动，撞出新的价电子。载流子雪崩式倍增，导致电流急剧增加。一般在7V以上。在4 7V之间，两者都有，其温度特性较好。3.PN结的击穿特性1.2 半导体二极管1.2.1 二极管的结构和符号 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，N区引出的电极为阴极。点接触型二极管点接触型二极管 阳极引线金属丝N型锗外壳阴极引线PN结二极管的符号二极管

13、的符号阳极阴极 阳极引线SiO2保护层P型硅型硅阴极引线 面接触型二极管面接触型二极管N型硅型硅不同类型的二极管 1.2.2 二极管的伏安特性0I/mAU/V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性反向特性反向特性Uth 二极管和PN结一样具有单向导电性。UBR二极管和PN结的比较：和PN结相比，二极管具有半导体体电阻和引线电阻，外加电压相同时，二极管的电流比PN结的电流小。因存在表面漏电流，二极管的反向电流比PN结大。其中：Is为反向饱和电流；UT为温度电压当量。常温下UT=26mV。)1(TUUseIi（端电压与电流关系）（端电压与电流关系）在近似分析时，通常用PN结的电流方程描述二极管的

14、伏安特性。1.2.2 二极管的伏安特性一、正向特性 阈值电压Uth：使二极管开始导通的临界电压。常温时：硅管Uth0.5V 锗管Uth0.2V 正向导通，电流不大时导通电压：硅(0.60.8)V(一般取0.7V）锗(0.1 0.3)V(一般取0.3V）0I/mAU/V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性反向特性反向特性Uth1.2.2 二极管的伏安特性三、击穿特性 当二极管承受的反向电压超过击穿电压UBR后，反向电流急剧增加。0I/mAU/V正向特性反向击穿特性反向特性Uth二、反向特性 加反向电压时，反向电流很小。（与电压基本无关）1.2.2 二极管的伏安特性材料阈值电压Uth（V）导通

15、电压（V）反向饱和电流（A）硅0.50.6 0.80.1锗0.10.10.3几十两种不同材料构成的二极管的比较:1.2.2 二极管的伏安特性 环境温度升高，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。0I/mAU/VUONUBR 8020温度对二极管伏安特性的影响 在室温附近，温度每升高1，正向压降减小22.5mV；温度每升高10，反向电流增加约1倍。1.2.3 二极管的主要参数1.最大整流电流IF：二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。2.最高反向工作峰值电压UR：二极管工作时允许外加的最大反向电压。通常为击穿电压U(BR)的一半。3.反向电流IR：二极管未击穿时的反向电流，值越小，二

16、极管的单向导电性越好。二极管的应用范围很广，它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。1.2.3 二极管的主要参数4.最高工作频率fM：上限工作频率。超过此值（由于结电容的作用）二极管的单向导电性将受到影响。1.2.4 半导体二极管的型号及选择一、国产半导体器件型号命名方法第一部分第一部分 第二部分第二部分 第三部分第三部分 第四部分第四部分 第五部分第五部分 数字表示器件的电极数数字表示器件的电极数拼音字母表示器件的材料和极性拼音字母表示器件的材料和极性拼音字母表示器件的类别拼音字母表示器件的类别数字表示序号数字表示序号拼音表示拼音表示规格号规格号2CP10:N型硅材

17、料型硅材料 小信号小信号 二极管。二极管。二、选用二极管的一般原则 1.要求导通后正向压降小的选锗管；要求反向电流小选硅管。2.工作电流大时选面接触型；工作频率高时选点接触型。3.反向击穿电压高时选硅管。4.要求耐高温时选硅管。1.2.5 二极管的等效电路 一、理想二极管等效模型I/mAU/V模型：正偏时压降为零；反偏时电流为零。二极管具有非线性的伏安特性，为便于分析，在一定条件下，对其进行线性化处理，建立二极管的“线性模型”。根据二极管的不同工作状态及分析精度的要求，可选择不同的模型1.2.5二极管的等效电路二、理想二极管恒压源模型模型：Uon 只有正偏电压超过导通电压，二极管才导通，其两端

18、电压为常数；否则二极管不导通，电流为零。Uon是二极管的导通电压I/mAU/VUon0 在直流信号上，再叠加微小变化的交流信号，可以用伏安特性在Q处的切线近似表示实际的这段曲线。此切线斜率的倒数为二极管在Q处的动态等效电阻。三、微变信号模型（交流模型）DDTdImVIUr/26/IUrd/TDUUsUIdUeIdT/1/dUdIUIrd1UDQIDI/mAU/VUDIDQQU+-IDrd（动态电阻与直流工作 点位置有关）1.2.6半导体二极管应用举例1.串联限幅电路二极管与负载电阻串联。ui正半周且数值大于导通电压，管导通,onioUuuui负半周或数值小于导通电压，管截止,uo 02.并联限

19、幅电路二极管与负载电阻并联ui正半周且数值大于导通电压，二极管导通，uoonui负半周或数值小于导通电压，二极管截止，uo ui1.2.6半导体二极管应用举例3.双向限幅电路二极管反向并联在输出端限制了输出信号的正负幅值uo on1.2.6半导体二极管应用举例 总结：二极管有两种工作状态：导通和截止。如果导通，二极管两极的电压等于开启电压，如果截止，二极管电流为零，电阻无穷大。（正常工作状态下）此结论不适用微变等效模型。1.2.6半导体二极管应用举例 稳压二极管是一种用硅材料制成的面接触型半导体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性。1.2.7

20、 稳压二极管DZ阳极阴极0正向特性反向击穿区IFUFUZIminIZmax一、稳压管的伏安特性 稳压管工作在反向击穿区。由于其曲线很陡，稳压特性好。1.2.7 稳压二极管01.稳定电压UZ电流为规定值时稳压管两端的电压值。2.最小稳定电流 Imin 稳压正常工作时的最小电流3.最大稳定电流 Izmax 稳压正常工作时的最大电流4.最大允许耗散功率PZM PZM=UZ IzmaxiUZIZUZIminIZmax二、稳压管的主要参数u05.动态电阻 rZ（rz越小稳压管的稳压特性越好。）6.温度系数 温度每变化1C，稳定电压UZ的相对变化量。iUZIZUZIminIZmax rZ=IZ UZ二、稳

21、压管的主要参数二、稳压管的主要参数u%100TUzUz三、稳压管正常工作的条件（1）工作在反向击穿状态。（2）稳压管中的工作电 流在最小稳定电流与最大稳定电流之间。0iUZIZUZIminIZmaxu三、稳压管应用电路Uo z 限流电阻R必不可少。1.2.8 其他类型二极管 一、发光二极管 当外加正向电压使其正向电流足够大时，二极管开始发光。发光二极管也具有单向导电性，它的开启电压比普通二极管大。具有不同种类型（可见光、不可见光、激光等）。可见光发光二极管颜色与材料有关，颜色不同，开启电压不同,一般红色的在1.61.8V之间，绿色的为2V左右。二、光电二极管 光电二极管为远红外线接收管。是一种光能与电能进行转换的器件，将接收到的光的变化转换成电流的变化。1.2.8 其他类型二极管 不同类型的二极管 本章小结1.半导体二极管2.稳压管第一章基本要求1.普通二极管、稳压管的外部特性和主要参数。2.普通二极管、稳压管的基本应用。重点掌握：