医学电子学：绪论

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1、Luzhou medical collegeLuzhou medical college 近代电子技术的迅速发展，已广泛渗透到医近代电子技术的迅速发展，已广泛渗透到医学的各个领域，从基础医学的研究到临床诊断、学的各个领域，从基础医学的研究到临床诊断、治疗和病房监护都离不开电子技术的应用。电子治疗和病房监护都离不开电子技术的应用。电子技术在医学领域的应用正在日益扩大。在这个应技术在医学领域的应用正在日益扩大。在这个应用的过程中，电子技术也不断吸取了生物医学领用的过程中，电子技术也不断吸取了生物医学领域和其它学科的知识，如生物物理学、生物工程域和其它学科的知识，如生物物理学、生物工程学、化学、材料

2、学、系统工程学和电生理学等方学、化学、材料学、系统工程学和电生理学等方面的知识，从而逐步形成一门独立的新学科面的知识，从而逐步形成一门独立的新学科(Medical ElectronsME) 。绪论绪论HomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical college医学电子学的迅速发展，极大地促进了医学医学电子学的迅速发展，极大地促进了医学领域中领域中基础医学基础医学的研究和诊断、的研究和诊断、治治疗以及监护水疗以及监护水平的提高。目前，医学电子学的发展程度已成为平的提高。目前，医学电子学的发展程度已成为衡量一个衡量一个国国家或一个地区当代医学发展

3、家或一个地区当代医学发展水水平重要平重要尺度之一。尺度之一。18421842年物年物理理学家学家NobeliNobeli首次用静电方法记录出首次用静电方法记录出蛙肌电图蛙肌电图。绪绪 论论HomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical college绪绪 论论HomeNextBack19031903年年，荷兰生理荷兰生理学家学家.Einthoven.Einthoven釆用弦线釆用弦线型电流计，利用光学放大原理在感光板上记录了型电流计，利用光学放大原理在感光板上记录了第一个实用的心电图，这是现代心电图的雏形。第一个实用的心电图，这是现代心电图的雏

4、形。v v19291929年年，德国医生德国医生Hans BergerHans Berger用检流计在开颅用检流计在开颅的情况下的情况下记记录了人的脑电图，从此揭开了人类认录了人的脑电图，从此揭开了人类认识大脑的新纪元。识大脑的新纪元。 简单的生物电的发现和测量历史简单的生物电的发现和测量历史表表明，电子明，电子学与生命科学的结合已有学与生命科学的结合已有170年的历史。年的历史。Luzhou medical collegeLuzhou medical college 现代科学研究表明：生命的最小现代科学研究表明：生命的最小单单位是细位是细胞胞，而存在电活动是细胞表现生命而存在电活动是细胞表现

5、生命活活性的基本特征。性的基本特征。换言换言之之，生命的本质在于，生命的本质在于“电电” 。因此通过检测。因此通过检测细胞或生物组织的电细胞或生物组织的电活活动，可以了解细胞或生物动，可以了解细胞或生物组织的生理状态或病理状态。组织的生理状态或病理状态。绪绪 论论HomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical college正如测量仪器是人们感官功能与能力的延伸一正如测量仪器是人们感官功能与能力的延伸一样，通过各种各样的传感器样，通过各种各样的传感器也也可以可以将将检测生物检测生物“电电”延伸延伸到到测量温度、压力、流量、成份、成像测量温度、压

6、力、流量、成份、成像、，通过这些测量，通过这些测量，人们可以研究各种人们可以研究各种生理生理现象，诊断各种疾病。现象，诊断各种疾病。HomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical college神经肌肉电刺激是指利用低频脉神经肌肉电刺激是指利用低频脉冲冲电流，刺激神电流，刺激神经经或或肌肉，肌肉，引起引起肌肉收缩，提高肌肉功能，肌肉收缩，提高肌肉功能，治治疗神疗神经肌肉疾经肌肉疾患患的一种方法。国的一种方法。国外外将电刺激用于瘫痪治将电刺激用于瘫痪治疗已有疗已有6060多年的历史。多年的历史。用于治疗心脏骤停的必须装置用于治疗心脏骤停的必须装置

7、心脏起搏器。心脏起搏器。目前治疗帕金森病最有效的脑部刺激器目前治疗帕金森病最有效的脑部刺激器脑起脑起搏器搏器。HomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical college以上例子说明，电子学的作用以上例子说明，电子学的作用是是直接控制并直接控制并输出到生物组织以达到治疗或康复的效果。输出到生物组织以达到治疗或康复的效果。 其它物理量用于治疗：如微波、其它物理量用于治疗：如微波、激激光、光、 射线射线（ 刀刀）、）、磁场等，这些运用各种物理量的现代治磁场等，这些运用各种物理量的现代治疗仪器和康复仪器中必须釆用电子学的方法来进疗仪器和康复仪器中必

8、须釆用电子学的方法来进行控制。行控制。HomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical college人人们将电子学应用到们将电子学应用到生生命科学与医学中的同命科学与医学中的同时，也从时，也从生生命科学与医学的研究中获取许多有益命科学与医学的研究中获取许多有益的启发。的启发。人工神经网络人工神经网络HomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical college实践证明，医学电子学对促进

9、医学基础研究，实践证明，医学电子学对促进医学基础研究，提高临床诊断、治疗、护理和保健等工作的质量提高临床诊断、治疗、护理和保健等工作的质量都有重大意义。目前医学电子学的应用净额发展都有重大意义。目前医学电子学的应用净额发展水平已成为衡量医学发展水平重要标志之一。水平已成为衡量医学发展水平重要标志之一。HomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack 在医用电子技术装置的设计方面在医用电子技术装置的设计方面 改革改革X线诊断机线诊断机 X线电视线电视( (XTV)获得广泛应用获得广泛应用 Luzhou med

10、ical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack 随着电子技术的进步，同位素诊断装置在准确随着电子技术的进步，同位素诊断装置在准确度、灵敏度和确诊速度等方面有很大提高。度、灵敏度和确诊速度等方面有很大提高。 医学电子学在治疗装置方面医学电子学在治疗装置方面 由于加速器的发展，目前对高能粒子治疗癌由于加速器的发展，目前对高能粒子治疗癌症日益重视症日益重视 生物磁学（生物磁学（Biomagnetics）在防止恶性肿瘤生）在防止恶性肿瘤生长方面取

11、得了良好的效果。长方面取得了良好的效果。 Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack 电子学直接用于医学方面取得了很大发展电子学直接用于医学方面取得了很大发展 显示技术显示技术 遥测技术遥测技术 Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack 电子学直接用于医学方面取得了很大发展电子学直接用于医学方面取得了很大发展 自控技术自控技术 记录技术记录技术 Luzhou medical collegeLuzhou medical college 介绍医学电子学发展的

12、动态趋势；介绍医学电子学发展的动态趋势；研究医学电子学的基本理论；研究医学电子学的基本理论； 讨论医学电子学与医学科学应用的方法；讨论医学电子学与医学科学应用的方法； 应用医学电子学的基本枝能和知识正确地评应用医学电子学的基本枝能和知识正确地评 价和使用医学电子学仪器，更好地为医学科价和使用医学电子学仪器，更好地为医学科 学服务。学服务。HomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical college HomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack Luzh

13、ou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack提取生物电信号提取生物电信号提取非电生物信号提取非电生物信号Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNe

14、xtBack这个问题很大，解决这个问题是一个系统工程，首先需这个问题很大，解决这个问题是一个系统工程，首先需要时间，还要多看书和多实践。要时间，还要多看书和多实践。 电子技术、无线电维修技术绝不是一门容易学好、短时电子技术、无线电维修技术绝不是一门容易学好、短时间内能够掌握的科学。由于这门科学所涉及的方方面面很多，间内能够掌握的科学。由于这门科学所涉及的方方面面很多，各方面又相互联系，只有在整体上了解、初步掌握它。通过各方面又相互联系，只有在整体上了解、初步掌握它。通过三到五个月的学习就能掌握这门技术，那是非常天真的想法。三到五个月的学习就能掌握这门技术，那是非常天真的想法。 这门科学至少包括

15、这门科学至少包括：，这是，这是其一；其一；，这是其二；，这是其二；，这是其三。这三方面技能缺一不可，并且相互影响。这是其三。这三方面技能缺一不可，并且相互影响。 1Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack者来讲这是不可能的，也不科学。通过几遍的通读，对电路者来讲这是不可能的，也不科学。通过几遍的通读，对电路工作原理有一定的整体了解之后，再去精读全书。学习中，工作原理有一定的整体了解之后，再去精读全书。学习中，要以一本书为主教材，辅以多本的同类型书作为参考书，在要以一本书为主教材，辅以多本的同类型书作为参考书，在主教材中有看

16、不懂部分时，参考其他书的相关部分。应该分主教材中有看不懂部分时，参考其他书的相关部分。应该分五步来走：五步来走： ，如可，如可以把一些电池、导线、小灯泡连来连去，为搞清楚收音机里以把一些电池、导线、小灯泡连来连去，为搞清楚收音机里为何能发出人说话唱歌的声音，可以拆装一些半导体，使得为何能发出人说话唱歌的声音，可以拆装一些半导体，使得对其痴迷不已，逐步走上技术道路。现实生活中许多人对收对其痴迷不已，逐步走上技术道路。现实生活中许多人对收音机、录音机、电话机、充电器、报警器、音乐门铃、无线音机、录音机、电话机、充电器、报警器、音乐门铃、无线遥控以及彩电、遥控以及彩电、VCD、MP3、数码相机等电子

17、电器怀有强烈、数码相机等电子电器怀有强烈好奇心，想弄清其工作原理，这就是良好开端，有了良好开好奇心，想弄清其工作原理，这就是良好开端，有了良好开端也就成功了一半。端也就成功了一半。2Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack产生了兴趣，并不一定就能坚持下产生了兴趣，并不一定就能坚持下去。比如修理某一电子产品，打开后盖，看到密密麻麻的电去。比如修理某一电子产品，打开后盖，看到密密麻麻的电阻、电容、晶体管、集成块，可能会感到无从下手，看看电阻、电容、晶体管、集成块，可能会感到无从下手，看看电路图东扯西连如同天书，自然打消了一半积

18、极性，若再不知路图东扯西连如同天书，自然打消了一半积极性，若再不知所措地捣鼓半天，一无所获，甚至造成故障扩大化，或者不所措地捣鼓半天，一无所获，甚至造成故障扩大化，或者不幸遭到电击，都会让你的兴趣丧失殆尽，产生畏惧心理，从幸遭到电击，都会让你的兴趣丧失殆尽，产生畏惧心理，从而失去学好电子技术的自信心。这时最好的办法是不要急于而失去学好电子技术的自信心。这时最好的办法是不要急于修理，而是去请教，按行家指点操作，即便不明白其中道理，修理，而是去请教，按行家指点操作，即便不明白其中道理，只要成功了也会兴奋不已。只要成功了也会兴奋不已。3Luzhou medical collegeLuzhou med

19、ical collegeHomeNextBack但也不但也不能因此而放弃，由于各种电路之间并不是孤立的，总有着千能因此而放弃，由于各种电路之间并不是孤立的，总有着千丝万缕的联系，要想快速掌握这门技术，就得多思考、勤动丝万缕的联系，要想快速掌握这门技术，就得多思考、勤动手，在制作成功简易电路的基础上，积极创造条件，借助电手，在制作成功简易电路的基础上，积极创造条件，借助电烙铁、万用表等维修测量工具，多修一些日常家电，多制作烙铁、万用表等维修测量工具，多修一些日常家电，多制作一些功能复杂电路，尽可能扩大接触面，维修时多思考，多一些功能复杂电路，尽可能扩大接触面，维修时多思考，多向行家里手请教，不断

20、积累经验，做到触类旁通、举一反三，向行家里手请教，不断积累经验，做到触类旁通、举一反三，只有这样才能练就扎实的基本功。只有这样才能练就扎实的基本功。4Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack现在不少维修工作者拿来故障电器现在不少维修工作者拿来故障电器知道怎么修，知道该动哪儿，但不知道为什么要这么做，只知道怎么修，知道该动哪儿，但不知道为什么要这么做，只知其然，不知其所以然。这完全是由于只有经验而不懂理论知其然，不知其所以然。这完全是由于只有经验而不懂理论造成的。这种人小打小闹可以，若真要遇上复杂些的故障，造成的。这种人小打

21、小闹可以，若真要遇上复杂些的故障，也就束手无策无能为力了。只有掌握理论明白其中的道理，也就束手无策无能为力了。只有掌握理论明白其中的道理，才会应对自如临阵不慌。才会应对自如临阵不慌。同时还可以订一些技术报同时还可以订一些技术报刊，从专门文章及维修实例中汲取丰富的知识营养。刊，从专门文章及维修实例中汲取丰富的知识营养。5Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack能走到这一步者，说明已经具备了能走到这一步者，说明已经具备了一定的理论和操作水平，多数电器的常见故障已不在话下，一定的理论和操作水平，多数电器的常见故障已不在话下，较复

22、杂的故障也能顺利应对排除，并能熟练运用所掌握的电较复杂的故障也能顺利应对排除，并能熟练运用所掌握的电子技术知识设计稍复杂的功能电路，研制一些实用电子产品。子技术知识设计稍复杂的功能电路，研制一些实用电子产品。但学习不能戛然而止就此满足，但学习不能戛然而止就此满足，对此我们只对此我们只有积极寻找各种途径，特别是利用因特网，有积极寻找各种途径，特别是利用因特网，6Home 半导体器件是现代电子电路的重要组半导体器件是现代电子电路的重要组成部分。本章简要地介绍半导体的基础成部分。本章简要地介绍半导体的基础知识，讨论半导体的核心环节知识，讨论半导体的核心环节PN结，结，阐述了半导体二极管、双极性晶体管

23、阐述了半导体二极管、双极性晶体管（BJT）的工作原理、特性曲线和主要）的工作原理、特性曲线和主要参数。参数。最后对齐纳最后对齐纳( (稳压稳压) )二极管、变容二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给二极管和光电子器件的特性与应用也给予简要的介绍。予简要的介绍。 HomeHome 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，来划分导的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。 ： 109cm ：104cm 109cm，导电性能介，导电性能介于导体和绝缘体之间。于导体和绝缘体之间。 Next 典型的元素半导体有典型的元素半导体有和和 ，此外，还，此外，还有化

24、合物半导体有化合物半导体等。等。1：化学成分纯净、结构完整的半导化学成分纯净、结构完整的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。体。它在物理结构上呈单晶体形态。 半导体的导电性能是由其原子结构决定的，半导体的导电性能是由其原子结构决定的，就就元素半导体硅和锗而言，其元素半导体硅和锗而言，其原子序数分别为原子序数分别为1414和和3232，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的，但它们有一个共同的特点：即原子最外层的电子（价电子）数均为电子（价电子）数均为4 4，其原子结构和，其原子结构和晶体结构晶体结构如如图图图图图图1.1.11.1.11.1.1所示。所示。HomeNextBack2 ：受温度、

25、光照等环境因受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象，能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象，称之为本征激发（热激发）（见图称之为本征激发（热激发）（见图1.1.21.1.2）。）。在绝对零度时，价电子都处于稳定在绝对零度时，价电子都处于稳定状态，在纯净的半导体中基本上没状态，在纯净的半导体中基本上没有自由电子，是一个绝缘体。有自由电子，是一个绝缘体。 ：由本征激发（热激发）而产生：由本征激发（热激发）而产生的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子的自由电子和空穴总是成对出现的，称为电

26、子空穴对。所以，在本征半导体中：空穴对。所以，在本征半导体中： ni=pi （ni自自由电子的浓度；由电子的浓度；pi空穴的浓度）。空穴的浓度）。 ：共价键中的空位。：共价键中的空位。HomeNextBack3)1 . 1 . 1()2/(2/31kTEiiGOeTKpn 常数，硅为常数，硅为3.87 10-6K-3/2/cm3，锗为，锗为1.76 10-6 K-3/2/cm3 ； 热力学温度；热力学温度；禁带禁带宽度，宽度，硅为硅为1.21eV，锗为，锗为0.785eV ； 波耳兹曼波耳兹曼常数，常数，8.63 10-5 eV/K。（。（e单位电荷，单位电荷，eVJ）HomeNextBack

27、 ：能够参与导电的带电粒子。：能够参与导电的带电粒子。 ：如图：如图1.1.3所示。从图中所示。从图中可以看出，空穴可以看成是一个带正电的粒子，和可以看出，空穴可以看成是一个带正电的粒子，和自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电自由电子一样，可以在晶体中自由移动，在外加电场下，形成定向运动，从而产生电流。所以，场下，形成定向运动，从而产生电流。所以，4 （1）两种载流子的产生与复合，在一定温度下）两种载流子的产生与复合，在一定温度下达到动态平衡，则达到动态平衡，则ni=pi的值一定；的值一定； （2）ni与与pi 的值与温度有关，对于硅材料，大的值与温度有关，对于硅材料，大约温度每升高约

28、温度每升高8oC，ni 或或pi 增加一倍；对于锗材料，增加一倍；对于锗材料，大约温度每升高大约温度每升高12 oC，ni 或或pi 增加一倍。增加一倍。：在本征半导体中参入微量的杂质在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导体分为体分为P P型（空穴型）半导体和型（空穴型）半导体和N N型（电子型）半型（电子型）半导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。发生显著的改变。HomeNextBack ：在本征半导体中参入微量三价元在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成

29、的半导体，其共价键结构如图素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.41.1.4所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。所示。常用的三价元素的杂质有硼、铟等。5HomeNextBack：因为三价元素的杂质在半导体中能因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电子，故称之为受主杂质或够接受电子，故称之为受主杂质或P P型杂质。型杂质。：P P型半导体在产生空穴的同时，型半导体在产生空穴的同时，并不产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，并不产生新的自由电子，所以控制参杂的浓度，便可控制空穴的数量。在便可控制空穴的数量。在P P型半导体中，空穴的浓型半导体中，空穴的浓度远大于自由电子的浓度，称之为度远大

30、于自由电子的浓度，称之为，简称简称；而自由电子为；而自由电子为，简称，简称。 6HomeNextBack7 在在P P型半导体中型半导体中，它主要由掺它主要由掺杂形成；杂形成；，由热激发形成。由热激发形成。 ：在本征半导体中参入微量五价元在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图素的杂质形成的半导体，其共价键结构如图1.1.5所示。常用的五价元素的杂质有磷、砷和锑等。所示。常用的五价元素的杂质有磷、砷和锑等。HomeNextBack ：因为五价元素的杂质在半导体中能因为五价元素的杂质在半导体中能够产生多余的电子，故称之为施主杂质或够产生多余的电子，故称之为施主杂质或N

31、N型杂质。型杂质。 在在N N型半导体中，型半导体中，。8HomeNextBack 9 在在N型半导体中型半导体中，它主要它主要由掺杂形成；由掺杂形成；，由热激发形成。由热激发形成。 。 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 。HomeNextBack10不论是不论是半导体还是半导体还是半导体其本身半导体其本身 是是的。的。Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack11：当外加电压使：当外加电压使PN结中结中P区的电位区的电位高于高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称正偏；

32、反，简称正偏；反之之称为加反向电压，称为加反向电压，简称反偏。简称反偏。 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, ,分别形成分别形成P型半导体和型半导体和N型半导体。此时将在型半导体。此时将在P型型半导体和半导体和N型半导体的结合面上形成的物理过程示型半导体的结合面上形成的物理过程示意图如意图如图图图图图图1.1.61.1.61.1.61.1.61.1.61.1.6所示。所示。 HomeNextBack12 在在P型半导体和型半导体和N型半导体结合面处，离子型半导体结合面处，离子薄层形成的薄层形成的称为称为。 在空间电荷区内，由于缺少多子和有阻挡在空

33、间电荷区内，由于缺少多子和有阻挡扩散运动的作用，所以也称扩散运动的作用，所以也称。 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，向扩散电流， PN结导通。其示意图如结导通。其示意图如 图图图图图图1.1.71.1.71.1.7所示。所示。HomeNextBack13 PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，向漂移电流，PN结截止。其示意图如结截止。其示意图如 图图图图图图1.1.81.1.81.1.8所示。所示。 PN结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压结加正向电压（正偏）时导通；加反

34、向电压（反偏）时截止的特性，称为（反偏）时截止的特性，称为。HomeNextBack)2 .1 .1()1(/SDD TnUUeIi式中，式中，IS 反向饱和电流；反向饱和电流； n 发射系数，与发射系数，与PN结的的尺寸、材料等有关，其值为结的的尺寸、材料等有关，其值为12；UT 温温度的电压当量，且在常温下（度的电压当量，且在常温下（T=300K）:UT = kT/q = 0.026V =26mV14HomeNextBack 硅材料为硅材料为0.5V左右；锗材料左右；锗材料为为0.1V左右。左右。 硅材料为硅材料为0.60.7V左右；左右；锗材料为锗材料为0.20.3V左右。左右。15Is

35、=10-8AUT=26mVn =2死区电压死区电压导通电压导通电压iD/mAUD/VHomeNextBack 在一定温度在一定温度下，少子的浓度下，少子的浓度一定，当反向电一定，当反向电压达到一定值后，压达到一定值后，反向电流反向电流IR 即为即为反反，基本保持不变。基本保持不变。 16-IS锗管锗管硅管硅管iD/mAUD/VHomeNextBack 当当反向电压达到一定反向电压达到一定数值时，反向电流数值时，反向电流急剧增加的现象称急剧增加的现象称为反向击穿（为反向击穿（）。若不加限流）。若不加限流措施，措施，PN结将过结将过热而损坏，此称为热而损坏，此称为。电击穿是。电击穿是可逆的，而热击

36、穿可逆的，而热击穿是不可逆的，应该是不可逆的，应该避免。避免。17UBRiD/mAUD/VHomeNextBack 反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。当反向电压增加时，空间电荷区的电场随之当反向电压增加时，空间电荷区的电场随之增强，使通过空间电荷区的电子和空穴获得的能量增大，增强，使通过空间电荷区的电子和空穴获得的能量增大，当它们与晶体中的原子发生碰撞时，足够大的能量将导致当它们与晶体中的原子发生碰撞时，足够大的能量将导致碰撞电离。而新产生的电子碰撞电离。而新产生的电子-空穴对在电场的作用下，同样空穴对在电场的作用下，同样会与晶体中的原子发生碰撞电

37、离，再产生新的电子会与晶体中的原子发生碰撞电离，再产生新的电子-空穴对，空穴对，形成载流子的形成载流子的。当反向电压增加到一定数值时，。当反向电压增加到一定数值时，这种情况就象发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反这种情况就象发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增加，于是导致了向电流急剧增加，于是导致了PN结的雪崩击穿。结的雪崩击穿。 齐纳击穿的机理与雪崩击穿不同。在较高的齐纳击穿的机理与雪崩击穿不同。在较高的反向电压作用下，空间电荷区的电场变成强电场，有足够反向电压作用下，空间电荷区的电场变成强电场，有足够的能力破坏共价键，使束缚在共价键中的电子挣脱束缚而的能力破坏共价键，使束缚

38、在共价键中的电子挣脱束缚而形成电子形成电子-空穴对，造成载流子数目的急剧增加，从而导致空穴对，造成载流子数目的急剧增加，从而导致了了PN结的齐纳击穿。结的齐纳击穿。18HomeNextBack 19 PN结外加电压变化，结外加电压变化，空间电荷区的宽度将随空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压增加或荷量随外加电压增加或减少，呈现出电容充放减少，呈现出电容充放电的性质，其等效的电电的性质，其等效的电容称之为势垒电容容称之为势垒电容Cb。当当PN结加反向电压时，结加反向电压时， Cb明显随外加电压变化，明显随外加电压变化，利用该特性可以制成各利用该特性可以制成各

39、种变容二极管。种变容二极管。HomeNextBack20 PN结外加正向电压结外加正向电压变化，扩散区的非平衡少变化，扩散区的非平衡少子的数量将随之变化，扩子的数量将随之变化，扩散区内电荷的积累与释放散区内电荷的积累与释放过程，呈现出电容充放电过程，呈现出电容充放电的性质，其等效的电容称的性质，其等效的电容称之为扩散电容之为扩散电容Cd。 结电容结电容Cj= Cb+ Cd 反偏时，势垒电容反偏时，势垒电容Cb为主；正偏时，扩散电容为主；正偏时，扩散电容Cd为主。低频时忽略，只为主。低频时忽略，只有频率较高时才考虑结电有频率较高时才考虑结电容的作用。容的作用。HomeBack21Luzhou m

40、edical collegeLuzhou medical college HomeNextBackHomeNext1在在PN结上加上引线和封装，就成为一结上加上引线和封装，就成为一个二极管。个二极管。由由P区引出的电极为阳极（或正极），区引出的电极为阳极（或正极），N区引出的电极为阴极（或负极）。区引出的电极为阴极（或负极）。二极管二极管按按分有分有之分；之分；按按分分三大类；按三大类；按不同，可分为不同，可分为、等。等。 HomeNext2 PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波电容小，用于检波和变频等高频电路。和变频等高频电路。如如2Ap1点接触型锗管，点接触型锗管，最大整流电流为最

41、大整流电流为16mA，最高工作频率为最高工作频率为150MHz。HomeNext PN结面积大，结结面积大，结电容大，用于工频电容大，用于工频大电流整流电路。大电流整流电路。Back3如如2Cp1面接触型硅管，最大面接触型硅管，最大整流电流为整流电流为400mA，最高工，最高工作频率为作频率为3kHz。HomeNext阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底Back4硅工艺平面型二极硅工艺平面型二极管是一种特制的硅管是一种特制的硅二极管，它不仅能二极管，它不仅能通过较大的电流，通过较大的电流，而且性能稳定可靠而且性能稳定可靠 ，往往用于集成电路往往用于集成电路制造工艺中。制

42、造工艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开用于高频整流和开关电路中。关电路中。在半导体单晶片在半导体单晶片(主主要是要是N型型)上，扩散上，扩散P型杂质，利用硅片型杂质，利用硅片表面氧化膜的屏蔽表面氧化膜的屏蔽作用，在作用，在N型硅单晶型硅单晶片上仅选择性地扩片上仅选择性地扩散一部分而形成的散一部分而形成的PN结。由于半导体结。由于半导体表面被制作得平整，表面被制作得平整，故而得名。故而得名。 HomeNextBackk k阴极阴极阳极阳极a a 二极管的特性与二极管的特性与PN结的特性基本相同，也分结的特性基本相同，也分正向特性、反向特性和击穿特性。其差别在于二正向特性

43、、反向特性和击穿特性。其差别在于二极管存在体电阻和引线电阻，在电流相同的情况极管存在体电阻和引线电阻，在电流相同的情况下，其压降大于下，其压降大于PN结的压降。结的压降。5HomeNextBack60 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/mA死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性正向

44、特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性正向压降正向压降 正向压降正向压降) 1(/SDD TUUeIi+iDvD-RAVLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack7 二级管对温度很敏感，随温度升高，其正二级管对温度很敏感，随温度升高，其正向特性向左移，反向特性向下移。其变化规向特性向左移，反向特性向下移。其变化规律是：在室温附近，温度每升高律是：在室温附近，温度每升高1，正向压，正向压降减小降减小2 2.5mV；温度每升高；温度每升高10，反向电，反向电流约增大一倍。流约增大一倍。Luzhou medical

45、collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack8二极管加正向电压二极管加正向电压二极管加反向电压二极管加反向电压对于理想二极管对于理想二极管正极正极负极负极+正极正极负极负极+RD=0RD= HomeNextBack9Luzhou medical collegeLuzhou medical college HomeNextBack10iDv Luzhou medical collegeLuzhou medical college HomeNextBack11 iD O UBR vD ISLuzhou medical collegeLuzhou medical

46、 college HomeNextBack12V 7 . 0on 硅硅UV 2 . 0on 锗锗UiDv iD/mA 1.0 0.5 0.5 1.0 0.5 0 1.0 vD/V Luzhou medical collegeLuzhou medical college HomeNextBack13Luzhou medical collegeLuzhou medical college HomeNextBack14 rCHomeNextBack15正偏时：正偏时：uD=0,RD=0;反偏时：反偏时：iD=0, RD= 。相当于一理相当于一理想电子开关。想电子开关。HomeNextBack16Ho

47、meNextBack 正偏时：正偏时：uD=Uon,RD=0; 反偏时：反偏时：iD=0, RD= ;相当于一理想相当于一理想电子开关和恒电子开关和恒压源的串联。压源的串联。17HomeNext18BackID+UD-R +VDDID+UD-R +VDDID+UD-R +VDD+Uon 求图求图1.2.7（a）所示电路的硅二极管电流）所示电路的硅二极管电流ID和电压和电压UD。解：解：（1）理想模型，）理想模型，UD=0，则则mAKRUVIDDDD210020 （2）恒压降模型）恒压降模型 UD=0.7V，则则mAKRUVIDDDD93. 1107 . 020 Luzhou medical c

48、ollegeLuzhou medical collegeHomeNextBackID+uo-R +uiUREF 如图如图1.2.8 所示电路。忽略二极管正向压降和所示电路。忽略二极管正向压降和反向电流，反向电流，试画出试画出UREF分别为分别为0、10V时时u0的波形。的波形。其中其中ui=20sin tV。19tiuo20t0uo20t0uo20Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack 如图如图1.2.9 所示电路。所示电路。试求试求UI1、UI2为为0和和+5V时时U0的值的值 。R U0Ucc UI1UI2D1D22

49、0 HomeNextBack21 HomeNextBack22与普通二极管相同。与普通二极管相同。所加反向电压小于所加反向电压小于击穿电压击穿电压UZ时，稳压管有较大时，稳压管有较大内阻，其反向饱和电流近似为内阻，其反向饱和电流近似为零。当所加反向电压大于击穿零。当所加反向电压大于击穿电压电压UZ时，电流急剧增大。时，电流急剧增大。UZUU/VHomeNextBack23UULuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack24l Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNex

50、tBack25 UUU/VLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack26UUU/VLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack27 Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack：如图所示：如图所示：Ui=UR+Uo，I=IW+IL电网电压波动时：电网电压波动时： UiUoIW I URUo负载变化时：负载变化时： RZRLLIIUIIR0 0U28 iU0URWDLRWILIILuzhou

51、medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack29 人们最常用的人们最常用的6V左右的稳压管，试用左右的稳压管，试用2只只6V稳压管，稳压管，利用串、并联方式，可以连出多少种输出电压的电路。利用串、并联方式，可以连出多少种输出电压的电路。 iU?0 UR iU?0 UR iU?0 UR iUR?0 U iUR?0 ULuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack30 设计如图设计如图1.2.10所示稳所示稳压管稳压电路，已知压管稳压电路，已知UO=6V， 输输入电压入电压UI

52、波动波动 10%， RL=1k 。 + R - IR + - RL IL UO UI IZ DZ 解：解：（1）选择）选择DZ ：mAARUIIVUULLZOZ)1812(10006)32()32()32(6min0maxmax 查手册，查手册，选择选择DZ 为为2CW13，UZ=(56.5V) ， IZmax=38mA, IZmin=5mALuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack31（2）选择限流电阻）选择限流电阻R：）（标标称称系系列列值值：。可可取取标标称称值值取取91,82,75,68,62,56,51,47,43

53、,39,36,33,30,27,24,22,20,18,16,15,13,12,11,10470)(6821000/61056%)101(15)(2391000/610386%)101(1515,)1812(3minmax3maxmin RIIUURIIUURVUVUUOZOIOZOIIOI Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack32 ， 020 25 15 10 5 20105052Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack33 10 8 6 4 2

54、 0 Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack34 Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack35 Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack36颜色颜色波长波长 （nm）基本材料基本材料正向电压（正向电压（V） 10mA时时光强（光强（mcd） 10mA，张角，张角45光功率光功率 （ W）红外红外990砷化镓砷化镓1.31.5100500红红655磷砷化镓磷砷化镓1.61.80.4

55、112鲜红鲜红635磷砷化镓磷砷化镓2.02.224510黄黄583磷砷化镓磷砷化镓2.02.21338绿绿565砷化镓砷化镓2.22.40.531.58Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack37Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack38 HomeBack39 Luzhou medical collegeLuzhou medical college 发射结发射结(Je) 集电结集电结(Jc) 基极基极， ，用用E或或e表示（表示（Emitter）；

56、）；集电极集电极， HomeNext1Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNext2Back 。u Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNext3Back Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNext4Back 。Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNext5Back Ube Luzhou medical collegeLuzhou medical coll

57、egeHomeNext6Back AmAVVbecBEUCEUCEBECRBRCIBILuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNext7BackAmAVVbecBEUCEUCEBECRBRCIBILuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNext8BackUBEUBEUBELuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNext9Back（图（图（图（图（图（图1.3.71.3.71.3.7）,BCIIIIBC 。的控制作用对表CCB）（

58、）（现出现出IIIIB AmAVVbecBEUCEUCEBECRBRCIBILuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack 10005一般在10UCE/V70 Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack )99. 095. 0(11AcCE0e ICBOIbeLuzhou medical collegeLuzhou medical college HomeNext12Back c CEOIbeACE UCE/VLuzhou medical collegeLuz

59、hou medical collegeHomeNextBack constCE UBCii 131cos ntUECCBII UCE/VLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack14 201率时的频率，称为截止频21下降为降为原高当）（。， ffff 021010fTffLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack15 021010fTff20)/(1 ff 由由可知可知当当 时，时， ff 0 当当 时，时， ff ffff 00/ 或或 ff0 即即 与

60、与当当 时，时，Tff 1 则有则有 ff0T Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack16 bIbeUQ0bI beU bQIbbebeIUr berLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack17cIceUQ0cI bQIceU )()(26)1(300EbemAImVr 常常数数 bcceceIIUrLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack B B18UCE=7VLuzhou m

61、edical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack 19UCEUCEBUCEOLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack20Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack21 c e c e Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack22 Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBa

62、ck23iubcebR0uCRRLRCC1V CC2V TLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack24bceiub2RCCV CRb1R0uTLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack25bceiub2RCCV b1R0uCRTLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBackLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack26L

63、uzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack27 Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack28 ，。为为基基极极，为为发发射射极极，为为集集电电极极锗锗管管，为为按按照照同同样样方方法法，可可判判断断硅硅管管。，故故该该管管为为于于是是且且该该管管为为硅硅管管为为集集电电极极，为为发发射射极极而而又又为为基基极极解解：bzeycxbUUUcyezVVUUVUUbxUUUaebcyxzxzxyPNP)(NPN,7 . 03 . 5,7 . 0)( Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeNextBack29 Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeBack 30Luzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeBack316V12VUABD3K15V12VUABD3KLuzhou medical collegeLuzhou medical collegeHomeBack32Luzhou medical collegeLuzhou medical college