1、模拟电子技术模拟电子技术(本科本科)全册配套全册配套精品完整课件精品完整课件(一一)2模拟电子技术模拟电子技术3电子技术的应用领域：电子技术的应用领域：4个个CC：CommunicationC：ControlC：ComputerC：Culture Life通信通信控制控制电子计算机电子计算机文化生活文化生活4两种信号两种信号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
2、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。5“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“
3、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。6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、信号与系统等，有人戏高等数学、电路分析、信号与系统等，有人戏称称“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
4、的灵魂”、“不会近似寸步难行不会近似寸步难行”足以说明这个问题。足以说明这个问题。 7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）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）8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风云变换，风云变换，IC独领风骚独领风骚”“让让EDA的翅膀飞起来！让的翅膀飞起来！让EDA的轮子转起来！的轮子转起来！”9考试成绩评定考试成绩
5、评定v平时平时 10%v期中期中 20%v期末期末 70%10 1、黄丽亚、黄丽亚 杨恒新编著杨恒新编著. 模拟电子技术基础模拟电子技术基础M. 北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社,2009 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) 南京邮电大学校内印刷南京邮电大学校内印刷, 2009教材教材11参考书参考书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）
6、.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：高等教育出版社北京：高等教育出版社,1999（2004年印年印刷）刷）.12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
7、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。13硅原子（硅原子（Silicon）锗原子（锗原子（Germanium）- 本征半导体本征半导体sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge+4惯性核惯性核电子电子图图1.1.1 常见半导体材料的原子结构和简化模型常见半导体材料的原子结构和简化模型2 8 42 8 18 4+14+32一一 本征半导体硅和锗的共价键结构本征半导体硅和锗的共价键结构14共共 价价 键键价价 电电 子子+4+4+4+4图图1.1.2 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
8、，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。15v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。二、半导体中的载流子二、半导体中的载流子16 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
9、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。+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1.1.3 本征激发产生电子和空穴本征激发产生电子和空穴17 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。
10、的多少有关，与多少个价电子运动无关。18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-宏观上看，晶体仍然是电中性的宏观上看，晶体仍然是电中性的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。19+4+4+4+4图图1.1.3 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
11、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。20本征激发本征激发:一分为二，载流子浓度增加。一分为二，载流子浓度增加。复合复合: 合二为一，载流子浓度减少。合二为一，载流子浓度减少。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。21本征载流子浓度：本征载流子
12、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1.761016-3 ）。）。23K23K22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
13、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。导电能力受激发产生电子、空穴对。导电能力很弱很弱。 231-1-2 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
14、（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。24一、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杂质半导体中形成大量的自由电子。由于自由电子的杂质半导体中形成大量的自由电子。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，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。因此空穴浓度相应减少。施主原子
15、施主原子25一、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施主原子施主原子在在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。26一、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施主原子施主原子问题问题： 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？27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
16、子的存在，使正、负电荷数相等，即使正、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？28+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）在在P型半导体中：型半导体中：空穴空穴多数载流子，简称多数载流子，简称多子多子；自由电子自由电子少数载流子，简称少数载流子，简称少子少子。29+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）
17、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30三、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。31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
18、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DinininnNnnnpnpn22232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 AipipippNnpnnnnp22233 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: 4.96102
19、2/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34小结小结1.本征半导体通过掺杂，可以大大改变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
20、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。35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？3
21、61-2 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37+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UB38PN 结的形成步骤结的形成步骤
22、 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。39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40半导体中的电流
23、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
24、浓度小（轻掺杂），这样杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），这样形成的形成的PN结称为不对称结结称为不对称结NP耗尽区(a)PN耗尽区(b)此耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，此耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，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耗尽区耗尽区内
25、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
26、置的反向偏置的PN结结ERPN耗尽区耗尽区内电场内电场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
27、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，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(/TU
28、useIi图图1-11 PN结的伏安特性结的伏安特性iu0-U(BR)IS为反向饱和电流为反向饱和电流(10-15A) 。UT=k T/q ,温度电压当量，温度电压当量，式中：式中：k为玻尔兹曼常数（为玻尔兹曼常数（8.6310-6V/K）；）；T为热力学温度为热力学温度(K);q为单位电子电荷量为单位电子电荷量(库伦库伦)UT的物理意义的物理意义:穿越穿越PN结的电荷与电压之间的结的电荷与电压之间的关系。当关系。当T=300K (室温室温)时时,UT=26mV49iu0-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
29、 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。四、四、PN结伏安特性结伏安特性50PN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.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
30、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)TPN结温度特性的定量关系结温度特性的定量关系521-2-3 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。理可以制成稳压管。vU( 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：齐纳击齐纳击穿穿和和雪崩击穿。雪崩击穿。iu0
31、T-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
32、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
33、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 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 。2.7E2V
34、VRuiuoUD(on)恒压降等效电路恒压降等效电路81三、二极管开关电路三、二极管开关电路 可以用来构成数字电路门电路。可以用来构成数字电路门电路。输入数字量时为与逻辑。输入数字量时为与逻辑。V1u1uo(a)V2ERu2ttt(b)uo/V03.7u1/V30u2/V300.75V输入只有输入只有0V或或5V。821. 稳压二极管的正向特性、反向特性与普通二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，特性极管基本相同，区别仅在于反向击穿时，特性曲线更加陡峭曲线更加陡峭一、稳压二极管的特性一、稳压二极管的特性1.4 特殊二极管特殊二极管1.4.1 稳压二极管稳压
35、二极管i/mAu/V IZmax0UZ IZmin(b) 伏安特性曲线伏安特性曲线(a) 符号符号83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 IZmax0UZ IZmin(b) 伏安特性曲线伏安特性曲线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，为电压几乎不变，为UZ。maxminZZZIII即当即当84i/mAu/V IZmax0UZ 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
36、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 IzIZminIZIZmax,4、动态电阻动态电阻 rz：工作点处的交流电阻，一般工作点处的交流电阻，一般为几欧姆到几十欧姆（越小越好）为几欧姆到几十欧姆（越小越好）5、温度系数温度系数 85所谓稳压指当所谓稳压指当Ui、RL变化时，变化时，UO保持恒定。保持恒定。图图1-22 稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路R ILIZVZ RLUiUo三、稳压二极管稳压电路三、稳压二极管稳压电路稳压原理：稳压原理：UO基本不变；基本不变；若若Ui不变，不变，RL I
37、z ILUO基本不变。基本不变。若若RL不变，不变，UiIz IL不变不变86限流电阻限流电阻R的选择：的选择： 选择选择R的限制条件：当的限制条件：当Ui、RL变化时，变化时，Iz应满应满足足IzminIzIzmax 设外界条件为设外界条件为:UiminUiUimax；RLminRLRLmax 图图1-22 稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路R ILIZVZ RLUiUo87图图1-22 稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路R ILIZVZ RLUiUo分析过程：分析过程：根据电路：根据电路：LzzizRURUuIIz何时取最大值？何时取最大值？ui=Uimax，RL=RLmax88图图1
38、-22 稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路R ILIZVZ RLUiUomaxminminmaxmaxmaxmaxmaxmaxmaxRRRRRUIRUURIRURUULZZLZiZLZZi89图图1-22 稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路R ILIZVZ RLUiUoIz何时取最小值？何时取最小值？ui=Uimin，RL=RLminmaxminminminminminminminRRUIRUURIRURUULZZLZiZLZZi90Rmin R 7V时为雪崩击穿；时为雪崩击穿； UBR 5V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。 151击穿
39、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。1521-2-4 PN结的电容特性结的电容特性在外加电压发生变化时，在外加电压发生变化时，PN结耗尽层内的结耗尽层内的空间电荷量和耗尽层外的载流子数量均发空间电荷量和耗尽层外的载流子数量均发生变化，这种电荷量随外加电压变化的电生变化，这种电荷量随外加电压变化的电容效应，称为容效应，称为PN结的结电容。结的
40、结电容。按产生的机理不同，结电容分成势垒电容按产生的机理不同，结电容分成势垒电容和扩散电容种。和扩散电容种。1531-2-4 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CT把耗尽层电荷量随外界电压变化而变化的电容把耗尽层电荷量随外界电压变化而变化的电容效应称为势垒电容效应称为势垒电容CT154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
41、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CD155N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 把这种外加电压改变把这种外加电压改变引起扩散区内存储电引起扩散区内存储电荷量变化的电容效应荷量变化的电容效应称为扩散电容称为扩散电容CD156结电容结电容Cj= CT + CD结结 论论因为因为CT和和CD并不大，所以在低频工作时忽略它并不大，所以在低频工作时忽略它们的影响们的影响.正偏时以扩散电容正偏时以扩散电容CD为主，为主， Cj CD
42、 ，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）1571-3 半导体二极管及其基本电路半导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158二极管的结构及符号二极管的结构及符号（a）点接触型）点接触型(b)面接触型（面接触型（
43、c）平）平面型（面型（d）符号）符号1591-3-1 半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线二极管特性曲二极管特性曲线与线与PN结基本结基本相同，略有差相同，略有差异。异。图图1-14 二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线160一、正向特性一、正向特性硅硅: UD(on) = （0.60.8）V；1.导通电压或死区电压导通电压或死区电压2. 曲线分段：曲线分段：锗锗: UD(on) = （0.1 0.3）V。指数段（小电流时）、直线段（大电流时）。指数段（小电流时）、直线段（大电流时）。161二、反向特性二、反向特性反向电压增大到足够大时，反向电压增大到足够大时，二极管也会被击穿
44、二极管也会被击穿162 直流电阻和交流电阻直流电阻和交流电阻 直流电阻直流电阻 RD 是二极管所加直流电压是二极管所加直流电压UD与所流过直与所流过直流电流流电流ID之比。其几何意义是曲线之比。其几何意义是曲线Q点到点到原点直线斜率的倒数。原点直线斜率的倒数。 交流电阻交流电阻 r D是其工作状态是其工作状态(ID,UD)处电压改变量与处电压改变量与电流改变量之比。几何意义是曲线电流改变量之比。几何意义是曲线Q点点处切线斜率的倒数。处切线斜率的倒数。1631-3-2 二极管的主要参数二极管的主要参数一、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
45、=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不是恒定的，正向的不是恒定的，正向的RD随工随工作电流增大而减小，反向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。1641.正向电阻：几百欧姆；正向电阻：几百欧姆；反向电阻：几百千欧姆；反向电阻：几百千欧姆；2.Q点不同，测出的电阻也不同；点不同，测出的电阻也不同；结结 论论 因此，因此，PN结具有单向导电特性。结具有单向导电特性。165二二 、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
46、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。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。DQDQDQDQUIUIDdiduIUr,166)()(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。167例：例：已知已知D为为Si二极管，流过二极管，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
47、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：168三、最大整流电流三、最大整流电流 I FM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169六六最高工作频率最高工作频率 f M 需要指出，手册中给出的
48、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。 1701.3.3 半导体二极管的电路模型半导体二极管的电路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，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171 对电子线路进行分析
49、对电子线路进行分析(定量分析定量分析)时时,电路电路中的实际器件必须用相应的电路模型来中的实际器件必须用相应的电路模型来等效表示，这称为：等效表示，这称为：“建模建模”。 计算机辅助分析计算要使用管子的模型。计算机辅助分析计算要使用管子的模型。 二极管的大信号等效电路二极管的大信号等效电路172图图1.3.5 理想二极管模型理想二极管模型iA2uB0C0（b） 伏安特性伏安特性（a）符号）符号173图图1.3.6 恒压降模型恒压降模型iAuBUD(on)C0（b）伏安特性）伏安特性（a）等效电路）等效电路硅管：硅管：UD(on). 7 V 锗管：锗管：UD(on). 3 V174图图1.3.7
50、 折线模型折线模型iA1uBUD(on)C0（b）伏安特性）伏安特性（a）等效电路）等效电路rD(on)175二极管大信号模型二极管大信号模型 以上三种电路模型以上三种电路模型(理想、恒压降、折线理想、恒压降、折线)均为二极管线形化模型。均为二极管线形化模型。 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。 176二极管的小信号等效电路二极管的小信号等效电路（a）等效电路）等效电路（b）伏安曲线）伏安曲线图图1.3.8 二极管的交流小信号等效模型二极管的交流小信号等效模型DQTDIUr 177一、二极管整流电路一、二极管整流电路 把交流电转变为直流电称为把交流电转变为直流
