1、模拟电子技术第一章晶体二极管模拟电子技术第一章晶体二极管及其基本电路及其基本电路两种信号两种信号v模拟信号模拟信号 （Analog signal）:指幅度的取值指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。声音、温度、是连续的（幅值可由无限个数值表示）。声音、温度、压力转化的电信号。时间上离散的模拟信号是一种抽压力转化的电信号。时间上离散的模拟信号是一种抽样信号。样信号。v数字信号数字信号 （Digital signal）：）：指幅度的取值指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。如计是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。如计算机处理的二进制信号等。算机处理的二进制信号等。2
2、“模电模电”与与“数电数电”v现代电子信息系统现代电子信息系统一般是一般是模模/数混合系统数混合系统v两头是两头是“模拟模拟”，中间是，中间是“数字数字”输入部分是输入部分是“模拟模拟”：检测、微弱信号放大：检测、微弱信号放大中间部分是中间部分是“数字数字”：信号传输和处理：信号传输和处理输出部分是输出部分是“模拟模拟”：功率驱动、发射：功率驱动、发射v可见可见“重数字轻模拟重数字轻模拟”是不全面、不明智的。是不全面、不明智的。模电和数电就像人的两条腿，缺一不可。模电和数电就像人的两条腿，缺一不可。3这门课的特点这门课的特点v 涉及的涉及的基础知识广博基础知识广博：高等数学、电路分析、信号与系
3、统等，素有高等数学、电路分析、信号与系统等，素有“魔鬼电路、模糊电路魔鬼电路、模糊电路”之称。之称。v 注重注重动手动手能力：能力：培养硬件工程师，是一门培养硬件工程师，是一门经验性较强经验性较强的学科，的学科，精通模电的人才奇缺。精通模电的人才奇缺。v一门一门“工程应用性工程应用性”课程：课程：有人说：有人说：“近似估算近似估算是电子电路的灵魂是电子电路的灵魂”、“不不会近似寸步难行会近似寸步难行”足以说明这个问题。足以说明这个问题。4学习学习“过三关过三关”v第一关：第一关：“器件关器件关”（入门基础）（入门基础）v第二关：第二关：“近似关近似关”（工程估算的分析方法）（工程估算的分析方法
4、）v第三关：第三关：“动手关动手关”（实践应用）（实践应用）v外加第四关：外加第四关：“EDA关关”（设计开发）（设计开发）5送给大家三句话送给大家三句话“十年磨一剑，硬件打天下！十年磨一剑，硬件打天下！”“IT“IT风云变换，风云变换，ICIC独领风骚独领风骚”“让让EDAEDA的翅膀飞起来！让的翅膀飞起来！让EDAEDA的轮子转起来！的轮子转起来！”6 1、孙肖子，张企民编著、孙肖子，张企民编著.模拟电子技术基础模拟电子技术基础M.西安：西安电子科技大学出版社西安：西安电子科技大学出版社,2003 2、电子电路教研室、电子电路教研室.模拟电子电路模拟电子电路B补充讲义补充讲义(修修订版订版
5、)南京邮电大学校内印刷南京邮电大学校内印刷,2006教材教材7参考书参考书1 康华光康华光.电子技术基础电子技术基础M（模拟部分）（模拟部分）(第五第五版版).北京：高等教育出版社北京：高等教育出版社,20062 华成英华成英 童诗白童诗白.模拟电子技术基础模拟电子技术基础M（第四（第四版）版）.北京：高等教育出版社北京：高等教育出版社,20063 谢嘉奎谢嘉奎.电子线路电子线路M（线性部分）（线性部分）(第四版）第四版）.北京：高等教育出版社北京：高等教育出版社,1999（2004年印刷）年印刷）.4 谢嘉奎谢嘉奎.电子线路电子线路M（非线性部分）（非线性部分）(第四第四版）版）.北京：高等
6、教育出版社北京：高等教育出版社,1999（2004年印年印刷）刷）.8第一章第一章 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路1-1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体物质物质半导体的特性：半导体的特性：1导电能力介于导体和绝缘体之间；导电能力介于导体和绝缘体之间；2导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。发生显著变化。9硅原子（硅原子（Silicon）锗原子（锗原子（Germanium）硅（硅（Si）、锗（）、锗（Ge）和砷化镓（）和砷化镓（GaAs）-本征半导体本征半导体sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子G
7、e+4惯性核惯性核电子电子图图1-1 硅和锗原子硅和锗原子结构简化模型结构简化模型2 8 42 8 18 4+14+3210共共 价价 键键价价 电电 子子+4+4+4+4图图1-2 单晶硅和锗共价键结构示意图单晶硅和锗共价键结构示意图共价键共价键中的电子，受所属原子核的束缚，不能参与中的电子，受所属原子核的束缚，不能参与导电。导电。本征半导体：本征半导体：纯净的（未掺杂）单晶半导体称为纯净的（未掺杂）单晶半导体称为本征半导体。本征半导体。11v载流子载流子(Carrier)指半导体结构中获得运指半导体结构中获得运动能量的带电粒子。动能量的带电粒子。v绝对零度（绝对零度（-273OC）时晶体中
8、无自由电）时晶体中无自由电子子相当于相当于绝缘体绝缘体。v有温度环境就有载流子有温度环境就有载流子本征激发。本征激发。一、半导体中的载流子一、半导体中的载流子12+4+4+4+4自自 由由 电电 子子空空 穴穴束束 缚缚 电电 子子图图1-3 本征激发产生电子和空穴本征激发产生电子和空穴 在一定的温度下，或者受到光照时，使价电子获得在一定的温度下，或者受到光照时，使价电子获得一定的额外能量，一部分价电子就能够冲破共价键的一定的额外能量，一部分价电子就能够冲破共价键的束缚变成自由电子束缚变成自由电子本征激发。本征激发。13 1、空穴的运动可以看成一个带正电荷的粒子的运动。、空穴的运动可以看成一个
9、带正电荷的粒子的运动。2、一个空穴的运动实际上是许多价电子作相反运动的结、一个空穴的运动实际上是许多价电子作相反运动的结果。但是一个空穴运动所引起的电流的大小只与空穴的果。但是一个空穴运动所引起的电流的大小只与空穴的多少有关，与多少个价电子运动无关。多少有关，与多少个价电子运动无关。14结论结论v本征激发本征激发 和温度有关和温度有关v会成对产生会成对产生电子电子-空穴对空穴对-自由电子自由电子(Free Electron)带负电荷带负电荷-空空 穴穴(Hole)带正电荷带正电荷v两种载流子两种载流子（带电粒子）是半导体的重（带电粒子）是半导体的重要概念。要概念。15+4+4+4+4图图1-3
10、 本征激发产生电子和空穴本征激发产生电子和空穴复合：复合：由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴成为价由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，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。这一过程称为复合。二、本征激发与复合二、本征激发与复合16本征激发本征激发:一分为二。一分为二。复合复合:合二为一。合二为一。载流子浓度：载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越载流子浓度越大，复合的机会就越多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电多。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达到一种热平
11、衡状子、空穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。态，使本征半导体中载流子的浓度一定。17本征载流子浓度：本征载流子浓度：kTEiiGeTApn2/2/300式中：式中：ni、pi 分别表示电子和空穴的浓度（分别表示电子和空穴的浓度（-3）；）；T为热力学温度（为热力学温度（K）；）；EG0为为T=0K（-273oC）时的禁带宽度（硅为）时的禁带宽度（硅为1.21eV，锗为，锗为0.78eV）；）；k为玻尔兹曼常数（为玻尔兹曼常数（8.6310-6V/K）；）；A0为与半导体材料有关的常数（硅为为与半导体材料有关的常数（硅为3.871016-3 ，锗为锗为1.7
12、61016-3 ）。）。23K23K18本征载流子浓度：本征载流子浓度：kTEiiGeTApn2/2/300 1、对温度非常敏感：对温度非常敏感：随着随着T的增加，载流子浓度按的增加，载流子浓度按指数规律增加。指数规律增加。2、导电能力如何？导电能力如何？在在T=300K的室温下，本征硅（锗）的载流子的室温下，本征硅（锗）的载流子浓度浓度=1.431010-3（2.381013-3），），本征硅（锗）的原子密度本征硅（锗）的原子密度=51022-3（4.41022-3）。）。室温下只有极少数原子的价电子室温下只有极少数原子的价电子(三万亿分之三万亿分之一一)受激发产生电子、空穴对。导电能力受激
13、发产生电子、空穴对。导电能力很弱很弱。191-1-2 杂质半导体（掺杂半导体）杂质半导体（掺杂半导体）在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂质），会使其导电性能发生显著变化。质），会使其导电性能发生显著变化。杂质半导体杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。20一、一、N型半导体型半导体+4+5+4+4束缚电子束缚电子键外电子键外电子五价杂质原子五价杂质原子 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共
14、价键，而多余的一个价电子因无共价原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。从而在半导体中形成大量的键束缚而很容易形成自由电子。从而在半导体中形成大量的自由电子。自由电子。施主原子施主原子21说明说明v在本征硅（锗）中掺入少量的五价元素（如：磷、在本征硅（锗）中掺入少量的五价元素（如：磷、砷、锑等）就得到砷、锑等）就得到N型半导体。型半导体。v杂质原子顶替硅原子，多一个电子位于共价键之外，杂质原子顶替硅原子，多一个电子位于共价键之外，受原子的束缚力很弱，很容易激发成为自由电子。受原子的束缚力很弱，很容易激发成为自由电子。v几乎一个杂质原子能提供一个自由电子，
15、从而自由几乎一个杂质原子能提供一个自由电子，从而自由电子数大大增加。电子数大大增加。施主杂质。施主杂质。v由于自由电子的浓度增加，与空穴（本征激发产生由于自由电子的浓度增加，与空穴（本征激发产生的）复合的机会也增加，因此空穴浓度相应减少。的）复合的机会也增加，因此空穴浓度相应减少。22在在N型半导体中：型半导体中：自由电子自由电子多数载流子，简称多数载流子，简称多子多子；空穴空穴少数载流子，简称少数载流子，简称少子少子。答：答：N型半导体是电中性的。虽然自由电子数型半导体是电中性的。虽然自由电子数远大于空穴数，但由于施主正离子的存在，远大于空穴数，但由于施主正离子的存在，使正、负电荷数相等，即
16、使正、负电荷数相等，即自由电子数自由电子数=空穴数空穴数+施主正离子施主正离子问题问题：N型半导体是带正电还是带型半导体是带正电还是带负电？负电？23+4+3+4+4束缚电子束缚电子空空 位位 三价原子三价原子受主原子受主原子二、二、P型半导体（型半导体（Positive type）因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个一个价电子而在共价键中留下一个空位空位。当其它共价。当其它共价键上的电子在本征激发下来填补这个空位时，从而在键上的电子在本征激发下来填补这个空位时，从而在原来的硅原子共价键上形成空穴。原来的硅原子共价键
17、上形成空穴。24 在本征硅（或锗）中，掺入少量的三价元在本征硅（或锗）中，掺入少量的三价元素（硼、铝等），就得到素（硼、铝等），就得到P型半导体型半导体。室温时，几乎全部杂质原子都能提供一个空室温时，几乎全部杂质原子都能提供一个空穴。穴。多子多子（多数载流子）：（多数载流子）：空穴；空穴；少子少子（少数载流子）：（少数载流子）：自由电子；自由电子；P型半导体是型半导体是电中性的。电中性的。空空 穴穴 数数=自由电子数自由电子数+受主负离子受主负离子25三、杂质半导体的载流子浓度三、杂质半导体的载流子浓度v多子的浓度多子的浓度在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数在杂质半导体中，杂质原子所提供的
18、多子数远大于本征激发的载流子数。远大于本征激发的载流子数。结论：结论：多子的浓度主要由掺杂浓度决定。多子的浓度主要由掺杂浓度决定。v少子的浓度少子的浓度少子主要由本征激发产生，因掺杂不同，会少子主要由本征激发产生，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。随多子浓度的变化而变化。26结论结论：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。的平方。对对N型半导体，多子型半导体，多子nn与少子与少子pn有有DinininnNnnnpnpn22227对对P型半导体，多子型半导体，多子pp与少子与少子np有有 Ai
19、pipippNnpnnnnp22228 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:1、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/cm33、本征硅的原子浓度、本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 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杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响29小结小结1.本征半导体通过掺杂，可以大大改变
20、半导体本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一种载流子少。种载流子少。2.多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。301-1-3 半导体中的电流半导体中的电流在导体中，载流子只有一种：自由电子。在导体中，载流子只有一种：自由电子。在电场作用下，产生定向的漂移运动形成漂移电在电场作用下，产生定向的漂移运动形成漂移电流。流。在半导体中有
21、两种载流子：自由电子和空穴。在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。电场作用下的电场作用下的漂移电流漂移电流两种类型的电流两种类型的电流 浓度差导致的浓度差导致的扩散电流扩散电流31I Ip pI In n一、漂移电流一、漂移电流pnIII总电流：总电流：1 1、定义：、定义：在电场作用下，半导体中的载流子作在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流。定向飘移运动而形成的电流。32载流子浓度载流子浓度2.漂移电流漂移电流大小大小取决于取决于外加电场强度外加电场强度迁移速度迁移速度二、扩散电流二、扩散电流在半导体工作中，扩散运动是比漂移运动在半导体工作中，扩散运动是比漂移运动更为重
22、要的导电机理。金属导体是不具有这种更为重要的导电机理。金属导体是不具有这种电流的，正是由于扩散电流特性，才能够将它电流的，正是由于扩散电流特性，才能够将它做成电子器件。做成电子器件。33平衡载流子浓度：平衡载流子浓度：一般的本征半导体在温度不一般的本征半导体在温度不变、无光照或其他激发下，载流子浓度分布均变、无光照或其他激发下，载流子浓度分布均匀。匀。非平衡载流子浓度：非平衡载流子浓度：若一端注入载流子或用光若一端注入载流子或用光线照射该端。则该端的载流子浓度增加。线照射该端。则该端的载流子浓度增加。34x0 x0n(0)n(x)p(x)n0图图16半导体中载流子的浓度分布半导体中载流子的浓度
23、分布 35扩散电流扩散电流大小大小主要取决于该处载流子浓度主要取决于该处载流子浓度差（即浓度梯度）。差（即浓度梯度）。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关浓度值无关。36思考题与习题思考题与习题v导体、半导体和绝缘体的区别和在电子线路以导体、半导体和绝缘体的区别和在电子线路以及集成电路制造中的作用？及集成电路制造中的作用？v说明半导体材料的特性及其应用说明半导体材料的特性及其应用v解释本征半导体、杂质半导体的区别？解释本征半导体、杂质半导体的区别？v解释解释N型半导体与型半导体与P型半导体的区别？型半导体的区别？v为什么说这两种半导体仍然对外呈电中
24、性？为什么说这两种半导体仍然对外呈电中性？v解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何种因素决定的？种因素决定的？v解释漂移电流和扩散电流的构成？解释漂移电流和扩散电流的构成？371-2 PN结结PN结是半导体器件的核心，可以构成一结是半导体器件的核心，可以构成一个二极管。个二极管。PN本征硅的一边做成本征硅的一边做成P型半导体，一边做成型半导体，一边做成N型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物理层。理层。PN结结38+PN1-2-1 PN结的形成结的形成由于扩散运动，使接触面附近的空穴和电子由于扩散运动，使接触面附近的空
25、穴和电子形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域称为空间电荷区（耗尽层）。称为空间电荷区（耗尽层）。空间电荷区空间电荷区内电场内电场UB39PN 结的形成步骤结的形成步骤 PN结很窄（几个到几十个结很窄（几个到几十个 m)。PN结又称为结又称为势垒区、阻挡层势垒区、阻挡层。40问题问题：达到动态平衡时，在：达到动态平衡时，在 PN结流过的总电流为结流过的总电流为多少，方向是什么？多少，方向是什么？多子的扩散电流方向多子的扩散电流方向为从左到右，少子的漂移电为从左到右，少子的漂移电流方向从右到左。两者在动流方向从右到左。两者在动态平衡时，大小相等，而方
26、态平衡时，大小相等，而方向相反，所以流过向相反，所以流过PN结的总结的总电流为零。电流为零。多子扩散电流方向多子扩散电流方向少子漂移电流方向少子漂移电流方向PN多子多子少子少子多子多子少子少子41对称对称PN结：结：如果如果P区和区和N区的掺杂浓度相同，区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结则耗尽区相对界面对称，称为对称结不对称不对称PN结结：如果一边掺杂浓度大（重掺：如果一边掺杂浓度大（重掺杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），此耗杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），此耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，这样的尽区主要伸向轻掺杂区一边，这样的PN结称为不对称结结称为不对称结NP耗尽区(a)PN耗尽
27、区(b)42问题：问题：为什么为什么PN结伸向轻掺杂区？结伸向轻掺杂区？答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子）答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的排列稀疏，重掺杂区的施主正离子（或受主的排列稀疏，重掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的排列紧密。如上图，两边电荷量相负离子）的排列紧密。如上图，两边电荷量相等，所以会伸向轻掺杂区。等，所以会伸向轻掺杂区。NP耗尽区(a)PN耗尽区(b)43PN耗尽耗尽区区内电场内电场UB-U图图1-9 正向偏置的正向偏置的PN结结+-ERU+1-2-2 PN结的单向导电特性结的单向导电特性动画演示动画演示44PN结加正向电压结加正向电压v外加的正向电压大部
28、分降落在外加的正向电压大部分降落在PN结区，方向结区，方向与与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。结内电场方向相反，削弱了内电场。v内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。漂移电流的影响。vPN结呈现低阻性，有较大的正偏电流。结呈现低阻性，有较大的正偏电流。45图图1-10 反向偏置的反向偏置的PN结结ERPN耗尽耗尽区区内电场内电场UB+U-+U+二、二、P结加反向电压结加反向电压动画演示动画演示46PN结加反向电压结加反向电压v外加的反向电压大部分降落在外加的反向
29、电压大部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。结内电场方向相同，加强了内电场。v内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。vPN结呈现结呈现高阻性高阻性。v在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度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，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本是一定的，故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，
30、这个电流也称为上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反反向饱和电流向饱和电流。47 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。高电阻，具有很小的反向漂移电流。结论：结论：PN结具有单向导电性结具有单向导电性。48三、三、PN结电流方程结电流方程)1(/TUuseIi图图1-11 PN结的伏安特性结的伏安特性当当T=300K(室温室温)时时,UT=26mV。iu0-U(BR)IS为反向饱和电流为反向饱和电流(10-15A)。UT=K T/q,温度电压当
31、量，温度电压当量，49iu0-U(BR)1(/TUuseIi当当u为正，且为正，且u UT时时 TU/useIi当当u为负时为负时,且且|u|UT时时 sIiPN结外加正电压时，流过电流为正电压的结外加正电压时，流过电流为正电压的e指数关系。指数关系。PN结外加负电压时流过电流为饱和漏电流。结外加负电压时流过电流为饱和漏电流。PN结伏安特性结伏安特性501-2-5 PN结的温度特性结的温度特性温度特性反映在伏安温度特性反映在伏安特性上为：特性上为：温度升高，正向特性温度升高，正向特性向向左左移，反向特性向移，反向特性向下下移。移。iu0-U(BR)TT)1(/TUuseIi511-2-5 PN
32、结的温度特性结的温度特性1.保持正向电流不变时，温度每升高保持正向电流不变时，温度每升高1，结电，结电 压减小约压减小约22.5mV，即即u/T-(22.5)mV/2.温度每升高温度每升高10，反向饱，反向饱和电流和电流IS增大一倍。增大一倍。10/)(12122TTSSIIiu0T-U(BR)T521-2-3 PN结的击穿特性结的击穿特性 v当对当对PN结结 外加反向电压外加反向电压超过一定的限度，超过一定的限度，PN结结会从反向截止发展到反向会从反向截止发展到反向击穿。击穿。v反向击穿破坏了反向击穿破坏了PN结的结的单向导电特性。利用此原单向导电特性。利用此原理可以制成稳压管。理可以制成稳
33、压管。v U(BR)称为称为PN结的击穿电结的击穿电压。压。v有两种击穿机理：有两种击穿机理：雪崩击雪崩击穿穿和和齐纳击穿。齐纳击穿。iu0T-U(BR)T53+PN空间电荷区空间电荷区击穿击穿种类种类掺杂情掺杂情况况耗尽层耗尽层宽度宽度击穿机理击穿机理齐纳齐纳击穿击穿重掺杂重掺杂窄窄耗尽区有很强的电场，不是很大耗尽区有很强的电场，不是很大的反偏电压就能使耗尽区的价电的反偏电压就能使耗尽区的价电子直接被强电场拉出共价键，产子直接被强电场拉出共价键，产生大量电子、空穴对。生大量电子、空穴对。齐纳击穿齐纳击穿54+PN空间电荷区空间电荷区+击穿种击穿种类类掺杂情掺杂情况况耗尽层耗尽层宽度宽度击穿机
34、理击穿机理雪崩雪崩击穿击穿轻掺轻掺杂杂宽宽电场强度较弱，较小的反偏电压无电场强度较弱，较小的反偏电压无法产生击穿，当加较大的反偏电压法产生击穿，当加较大的反偏电压时，少子在较长的空间电荷区不断时，少子在较长的空间电荷区不断加速，动能增大会撞击耗尽区的中加速，动能增大会撞击耗尽区的中性原子，产生电子、空穴对，反复性原子，产生电子、空穴对，反复作用使载流子数目迅速增加作用使载流子数目迅速增加雪崩击穿雪崩击穿55击穿击穿种类种类掺杂掺杂情况情况耗尽层耗尽层宽度宽度击穿机理击穿机理齐纳齐纳击穿击穿重掺重掺杂杂窄窄耗尽区有很强的电场，不是很大的耗尽区有很强的电场，不是很大的反偏电压就能使耗尽区的价电子直
35、反偏电压就能使耗尽区的价电子直接被强电场拉出共价键，产生大量接被强电场拉出共价键，产生大量电子、空穴对。电子、空穴对。雪崩雪崩击穿击穿轻掺轻掺杂杂宽宽电场强度较弱，较小的反偏电压无电场强度较弱，较小的反偏电压无法产生击穿，当加较大的反偏电压法产生击穿，当加较大的反偏电压时，少子在较长的空间电荷区不断时，少子在较长的空间电荷区不断加速，动能增大会撞击耗尽区的中加速，动能增大会撞击耗尽区的中性原子，产生电子、空穴对，反复性原子，产生电子、空穴对，反复作用使载流子数目迅速增加作用使载流子数目迅速增加一般来说，对硅材料的一般来说，对硅材料的PN结，结，UBR7V时为雪崩击穿；时为雪崩击穿；UBR 5V
36、时为齐纳击穿；时为齐纳击穿；UBR介于介于57V时，两种击穿都有。时，两种击穿都有。56击穿的可逆性击穿的可逆性v电击穿是电击穿是 可逆的可逆的（可恢复，当有限流电阻（可恢复，当有限流电阻时）。时）。v电击穿后如无限流措施，将发生热击穿电击穿后如无限流措施，将发生热击穿现象。现象。v热击穿会破坏热击穿会破坏PNPN结结构（烧坏）结结构（烧坏）v热击穿是热击穿是 不可逆不可逆 的。的。571-2-4 PN结的电容特性结的电容特性PN 结的耗尽区与平板电容器相似，外加电压变结的耗尽区与平板电容器相似，外加电压变化，耗尽区的宽度变化，则耗尽区中的正负离化，耗尽区的宽度变化，则耗尽区中的正负离子数目变
37、化，即存储的电荷量变化。子数目变化，即存储的电荷量变化。一、一、势垒电容势垒电容CT58多子扩散多子扩散在对方区形成非平衡少子的浓度分在对方区形成非平衡少子的浓度分布曲线布曲线偏置电压变化偏置电压变化分布曲线变化分布曲线变化非平非平衡少子变化衡少子变化电荷变化。电荷变化。二、扩散电容二、扩散电容CD59N区耗尽区P 区x0 x0Lnnp0Qnnp(0)np图图112 P区少子浓度分布曲线区少子浓度分布曲线 60结电容结电容Cj=CT+CD结结 论论因为因为CT和和CD并不大，所以在高频工作时，才考并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。虑它们的影响。正偏时以扩散电容正偏时以扩散电容CD为主
38、，为主，Cj CD，其值通常为几十至几百其值通常为几十至几百pF；反偏时以势垒电容反偏时以势垒电容CT为主，为主，Cj CT,其值通常为几至几十其值通常为几至几十pF。（如：。（如：变容二极变容二极管管）611-3 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路PN结加上电极引线和管壳就形成晶体二极管。结加上电极引线和管壳就形成晶体二极管。图图1-13 晶体二极管结构示意图及电路符号晶体二极管结构示意图及电路符号 P区区N区区正极正极负极负极（a）结构示意图）结构示意图（b）电路符号）电路符号PN正极正极负极负极621-3-1 二极管特性曲线二极管特性曲线二极管特性曲线与二极管特性曲线与PN结基
39、本相同，略结基本相同，略有差异。有差异。图图1-14 二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线 i/mAu/V(A)0102030-5-10-0.50.5硅硅 二二 极极 管管631-3-1 二极管特性曲线二极管特性曲线图图1-14 二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线硅硅:UD(on)=0.7V；1.导通电压或死区电压导通电压或死区电压锗锗:UD(on)=0.3V。2.曲线分段：曲线分段：指数段（小电流时）、指数段（小电流时）、直线段（大电流时）。直线段（大电流时）。一、正向特性一、正向特性 i/mAu/V(A)0102030-5-10-0.50.5硅硅 二二 极极 管管UD(on)64二、反向
40、特性二、反向特性2.小功率二极管的反小功率二极管的反向电流很小。向电流很小。一般硅管一般硅管0.1 A，锗管锗管几十微安。几十微安。1.反向电压加大时，反反向电压加大时，反向电流也略有增大。向电流也略有增大。i/mAu/V(A)0102030-5-10-0.50.5硅硅 二二 极极 管管UD(on)65一、直流电阻一、直流电阻 图图1-15 二极管电阻的几何意义二极管电阻的几何意义IDUDQ1RD=UD/IDRD 的的几何意义几何意义：iu0Q2(a)直流电阻直流电阻RDQ点到原点直线斜率的倒数。点到原点直线斜率的倒数。RD不是恒定不是恒定的，正向的的，正向的RD随工随工作电流增大而减小，反向
41、的作电流增大而减小，反向的RD随反向电压的增大而增大。随反向电压的增大而增大。定义：是二极管所加直流电压定义：是二极管所加直流电压UD与所流过直流与所流过直流电流电流ID之比。之比。1-3-2 二极管的主要参数二极管的主要参数66一、直流电阻一、直流电阻 图图1-15 二极管电阻的几何意义二极管电阻的几何意义IDUDQ1RD=UD/IDiu0Q2(a)直流电阻直流电阻RD定义：是二极管所加直流电压定义：是二极管所加直流电压UD与所流过直流与所流过直流电流电流ID之比。之比。1-3-2 二极管的主要参数二极管的主要参数正向电阻：正向电阻：几百几百欧姆；欧姆；反向电阻：反向电阻：几百千几百千欧姆；
42、欧姆；67二二、交流电阻、交流电阻二极管在其工作状态二极管在其工作状态(I DQ,UDQ)下的电压微变量下的电压微变量与电流微变量之比。与电流微变量之比。DQDQDQDQUIUIDIUdidur,iu0Q i u(b)交流电阻交流电阻rDrD 的的几何意义几何意义:Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。点处切线斜率的倒数。)1()1(/TUuSkTquSeIeIi68)()(26mAImVIUDQDQTQTUuSQUeIdudiT/11)1()1(/TUuSkTquSeIeIiQDdidur 与与IDQ成反比，并与温度有关。成反比，并与温度有关。69例：例：已知已知D为为Si二极管，流过二极
43、管，流过D的直流电流的直流电流ID=10mA，交流电压，交流电压 U=10mV，求室温下流过，求室温下流过D的交流电流的交流电流 I=?10VDR0.93K UID解：交流电阻解：交流电阻6.2)(10)(26mAmVIUrDQTDmAmVrRUID2101.1)(9306.2)(10交流电流为：交流电流为：70三、最大整流电流三、最大整流电流 I F四四最大反向工作电压最大反向工作电压 URM五五反向电流反向电流IR允许通过的最大正向平均电流。允许通过的最大正向平均电流。通常取通常取U(BR)的一半，超过的一半，超过U(BR)容易发生反容易发生反向击穿。向击穿。未击穿时的反向电流。未击穿时的
44、反向电流。IR越小，单向导电性越小，单向导电性能越好能越好71六六最高工作频率最高工作频率 f M 需要指出，手册中给出的一般为典型值，需需要指出，手册中给出的一般为典型值，需要时应通过实际测量得到准确值。要时应通过实际测量得到准确值。工作频率超过工作频率超过 f M时，二极管的单向导电性能时，二极管的单向导电性能变坏。变坏。721-3-3 晶体二极管模型晶体二极管模型由于二极管的非线性特性，当电路加入二极由于二极管的非线性特性，当电路加入二极管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二极管的应用条件作合理近似，得到相应的等效电极管的应用条件作合理近似，
45、得到相应的等效电路，化为线性电路路，化为线性电路非线性非线性近似近似线性线性73图图1-16 二极管特性的折线近似及电路模型二极管特性的折线近似及电路模型硅管：硅管：UD(on).7 V 锗管：锗管：UD(on).3 ViA1uBUD(on)C0（a)折线近似特性折线近似特性UUD(on)U UD(on)12UD(on)rD(on)（b)近似近似电路模型电路模型二极管的大信号等效电路二极管的大信号等效电路74图图1-16 二极管特性的折线近似及电路模型二极管特性的折线近似及电路模型iAuBUD(on)C0（a)折线近似特性折线近似特性UUD(on)U UD(on)12UD(on)（c)简化简化
46、电路模型电路模型75图图1-16 二极管特性的折线近似及电路模型二极管特性的折线近似及电路模型iA2uB0C0（a)折线近似特性折线近似特性U0U 012（d)理想理想电路模型电路模型76二极管大信号模型二极管大信号模型v以上三种电路模型以上三种电路模型(近似、简化、理想近似、简化、理想)均均为二极管线形化模型。为二极管线形化模型。v对不同电路模型可在不同需求时采用。对不同电路模型可在不同需求时采用。77一、二极管整流电路一、二极管整流电路v 把交流电转变为直流电称为把交流电转变为直流电称为“整流整流”。v 反之称为反之称为“逆变逆变”。整流整流 交流电交流电 直流电直流电 逆变逆变 1-3-
47、4 二极管基本应用电路二极管基本应用电路78图图1-17 二极管半波整流电路及波形二极管半波整流电路及波形tui0 uot0(b)输入、输出波形关系输入、输出波形关系VRLuiuo(a)电路电路 二极管近似为理想模型二极管近似为理想模型 思考：思考：二极管近似为简化模型的电路输出？二极管近似为简化模型的电路输出？79u ui it t0 010V0.7V 思考：思考：二极管近似为简化模型的电路输出？二极管近似为简化模型的电路输出？80二、二极管限幅电路二、二极管限幅电路v又称为：又称为：“削波电路削波电路”。v能够把输入电压变化范围加以限制，常能够把输入电压变化范围加以限制，常用于波形变换和整
48、形。用于波形变换和整形。81图图1-20 二极管上限幅电路及波形二极管上限幅电路及波形(b)输入、输出波形关系输入、输出波形关系t0 uo/V2.7-5t ui/V0-55(a)电路电路E2VVRuiuo 二极管近似为二极管近似为简化简化模型模型u i 2.7V,V导通导通uo=E+0.7=2.7 V 当当u i 2.7V时时,V截止，即开路，截止，即开路，uo=u i。2.782三、二极管电平选择电路三、二极管电平选择电路 能够从多路输入信号中选出最低电平或最高能够从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路称为电平选择电路。电平的电路称为电平选择电路。V1u1uo(a)V2ERu2ttt(
49、b)uo/V03.7u1/V30u2/V300.7V1u1uo(a)V2ERu2ttt(b)uo/V03.7u1/V30u2/V300.7V1u1uo(a)V2ERu2ttt(b)uo/V03.7u1/V30u2/V300.7输入数字量时为与逻辑。输入数字量时为与逻辑。5V831.稳压二极管的正向特性、反向特性与普通二极稳压二极管的正向特性、反向特性与普通二极管基本相同，区别仅在于反向击穿时，特性曲线管基本相同，区别仅在于反向击穿时，特性曲线更加陡峭更加陡峭2.稳压管在反向击穿后，能通过调节自身电流，稳压管在反向击穿后，能通过调节自身电流，实现稳定电压的功能。实现稳定电压的功能。电压几乎不变，
50、为电压几乎不变，为-UZ。maxminZZZIII即当即当一、稳压二极管的特性一、稳压二极管的特性1-3-5 稳压二极管及稳压电路稳压二极管及稳压电路84图图1-21 稳压二极管及其特性曲线稳压二极管及其特性曲线(a)电路符号电路符号i/mAu/V IZmax0-UZ IZmin(b)伏安特性曲线伏安特性曲线85i/mAu/V IZmax0-UZ IZmin(b)伏安特性曲线伏安特性曲线二、稳压二极管主要参数二、稳压二极管主要参数1、稳压电压稳压电压 UZ:指管子长期稳定时的工指管子长期稳定时的工作电压值。作电压值。2、额定功耗额定功耗 PzPZ=UZIZmax3、稳定电流稳定电流 IzIZm
