模拟电子技术课件第一章

1、第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH12021-9-201概述 半导体器件是组成各种电子电路半导体器件是组成各种电子电路包括模包括模拟电路和数字电路，分立元件电路和集成电路拟电路和数字电路，分立元件电路和集成电路的基础。的基础。 本章主要讨论半导体的特性，本章主要讨论半导体的特性，PN结的单向结的单向导电性，二极管的结构和工作原理，特性曲线导电性，二极管的结构和工作原理，特性曲线和主要参数，二极管的基本应用。和主要参数，二极管的基本应用。 第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH22021-9-202 物质可分为导体、物质可分为导体、 绝

2、缘体、绝缘体、 半导体。半导体。 导体：导体： =10-4.cm 如：铜，银，铝如：铜，银，铝 绝缘体：绝缘体： =109.cm 如：橡胶，塑料如：橡胶，塑料 半导体其导电能力介于导体和绝缘体之间，一般半导体其导电能力介于导体和绝缘体之间，一般为四价元素的物质，即原子最外层的轨道上均有四为四价元素的物质，即原子最外层的轨道上均有四个价电子个价电子,所以称它们为所以称它们为4 价元素。价元素。 半导体有：元素半导体：硅（半导体有：元素半导体：硅（Si）、锗（）、锗（Ge）等；）等； 化合物半导体：砷化镓（化合物半导体：砷化镓（GaAs）等）等1.1 半导体的特性半导体的特性第1章 半导体二极管及

3、基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH32021-9-203+4硅或锗的简化原子结构模型+4+4+4+4+4+4+4+4+4硅或锗晶体的共价健结构示意图 原子结构的简化模型原子结构的简化模型第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH42021-9-204本征半导体本征半导体 通常把非常纯净的、几乎不含杂质的且结构通常把非常纯净的、几乎不含杂质的且结构完整的半导体晶体称为本征半导体。完整的半导体晶体称为本征半导体。 在在T=0K（相当于（相当于273oC）时半导体不导电，）时半导体不导电，如同绝缘体一样。如同绝缘体一样。 如温度升高，如在室温条件下，将有少数价如温度

4、升高，如在室温条件下，将有少数价电子获得足够的能量，以克服共价键的束缚而成电子获得足够的能量，以克服共价键的束缚而成为自由电子，其载流子的数量很少（自由电子的为自由电子，其载流子的数量很少（自由电子的数量）导电能力很弱。数量）导电能力很弱。1.1.1 本征半导体本征半导体第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH52021-9-205束缚电子束缚电子本征激发本征激发空穴、电子对空穴、电子对两种载流子：两种载流子：电子与空穴载流子电子与空穴载流子产生与复合产生与复合动态平衡动态平衡载流子浓度与载流子浓度与T有关有关DCB自由电子A空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4图

5、1.1.3 本征激发现象本征激发现象第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH62021-9-206 在本征半导体中掺入少量的杂质，就会使半在本征半导体中掺入少量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的改变。导体的导电性能发生显著的改变。 根据掺入杂质的化合价的不同，杂质半导根据掺入杂质的化合价的不同，杂质半导体分为体分为: N型半导体和型半导体和P型半导体两大类型半导体两大类。 1N型半导体：型半导体： 在在4价硅或锗的晶体中掺入少量的价硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质价杂质元素，如磷，锑，砷等。元素，如磷，锑，砷等。1.1.2 杂质半导体杂质半导体第1章 半导体二极

6、管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH72021-9-207多数载流子（多子）是电子、少数载流子（少子）多数载流子（多子）是电子、少数载流子（少子） 是空穴又是空穴又称为电子型半导体。称为电子型半导体。正离子自由电子+4+4+4+5+4+4+4+4+4正离子 （a） （b）N型半导体（a）结构示意图 （b）离子和载流子（不计本征激发）1.N型半导体第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH82021-9-208多子是空穴多子是空穴、少子是电子少子是电子，也称空穴型半导体空穴型半导体受主负离子空穴+4+4+4+3+4+4+4+4+4负离子 （a） （b）P型半导

7、体（a）结构示意图 （b）离子和载流子（不计本征激发） 在在4 价硅或锗的晶体中掺入少量价硅或锗的晶体中掺入少量 的的3 价杂质元素，价杂质元素，如硼，锡，铟等。如硼，锡，铟等。2P型半导体型半导体第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH92021-9-209 N半导体、半导体、P半导体电中性半导体电中性半导体的特性：半导体的特性： 1、热敏性热敏性 2、掺杂性掺杂性 3、光敏性光敏性第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH102021-9-2010 单纯的单纯的P型或型或N型半导体，虽然导电能力比型半导体，虽然导电能力比本征半导体增强了，但

8、它本身还不是电子线路中本征半导体增强了，但它本身还不是电子线路中所需要的半导体器件。所需要的半导体器件。 若在一块本征半导体上，两边掺入不同的杂若在一块本征半导体上，两边掺入不同的杂质，使一边成为质，使一边成为P型半导体，另一边型半导体，另一边成为成为N型半导型半导体，则在两种半导体的交界面附近形成一层很薄的特殊体，则在两种半导体的交界面附近形成一层很薄的特殊导电层导电层PN结。结。PN结是构成各种半导体器件的基础。结是构成各种半导体器件的基础。 1.1.3 PN结结第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH112021-9-2011 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的

9、杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。 内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散 因浓度差多子的扩散运动由由杂质离子杂质离子形成空间电荷区+ 五价的元素+ 三价的元素产生多余电子产生多余电子产生多余空穴产生多余空穴+ 三价的元素产生多余空穴产生多余空穴+ 五价的元素产生多余电子产生多余电子 空间电荷区形成内电场 PN结的形成过程结的形成过程第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH122021-9-2012扩散运动与漂移运动达到扩散运动与漂移运动达到动态平衡就形成PN结。空间电荷区（耗尽层）N 区P 区内电场空间电荷区（耗尽层）N区P区内电场 （a） （b）图1.2.1 P

10、N结的形成（a）载流子的扩散运动 （b）平衡状态下的PN结第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH132021-9-2013VIRR内电场耗尽层N区P区外电场+ U -IVR内电场耗尽层N区P区外电场+ U - （a） （b）外加电压时的PN结（a）正偏 （b）反偏正向偏置：电源的正极接P型区，电源的负极接N型区， 简称正偏。2.PN结具有单向导电性结具有单向导电性第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH142021-9-2014 PN PN结正偏时产生较大的正向电流结正偏时产生较大的正向电流PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。 PNPN

11、结反偏时产生较小的反向电流，结反偏时产生较小的反向电流，PNPN结处于截止状态。结处于截止状态。 故故PNPN结具有单向导电性结具有单向导电性。 第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH152021-9-20151.2 半导体二极管半导体二极管阳极阴极akPN阴极引线阳极引线a或akk阳极阴极（a）结构示意图）结构示意图 （b）符号）符号 二极管的结构和符号二极管的结构和符号二极管的结构与符号二极管的结构与符号 在在一个PN结的外面装上管壳，再引出两个电极，就作成半导体二极管，如下图所示。第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH162021-

12、9-2016第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH172021-9-2017半导体二极管的伏安特性曲线 式中IS 为反向饱和电流，VD 为二极管两端的电压降，VT 称为温度的电压当量，常温下VT=26 mV。) 1(eTSVVDII 第一象限的是正向伏安特性曲线，第三象限的是反向伏安特性曲线。1.2.1 二极管伏安特性二极管伏安特性第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH182021-9-2018 二极管的伏安特性曲线 1.正向特性正向特性“死区死区”、导通电压或开启电压；、导通电压或开启电压；室温下，硅管的室温下，硅管的Uon0.5V，锗

13、管的锗管的Uon0.1V。管压降：硅管管压降：硅管UD=0.60.8V，锗管锗管UD=0.10.3V 第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH192021-9-20192反向击穿特性反向击穿特性反向特性、反向饱和电流、反向击穿电压。反向特性、反向饱和电流、反向击穿电压。电击穿：电击穿：雪崩击穿、齐纳击穿。热击穿热击穿 需要特别指出的是，普通二极管的反向击穿电压较高，一般在几十伏到几百伏以上（高反压管可达几千伏）。普通二极管在实际应用中不允许工作在反向击穿区。第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH202021-9-2020二极管的伏安特性方程

14、：二极管的伏安特性方程：可近似用可近似用PN结的伏安特性方程来表示。理论研究表明，结的伏安特性方程来表示。理论研究表明，PN结两端电压结两端电压U与流过与流过PN结的电流结的电流I之间的关系为之间的关系为 Isat-反向饱和电流反向饱和电流UT =kT/q-温度电压当量，其中温度电压当量，其中k为玻耳兹曼常数，为玻耳兹曼常数，T为为绝对温度，绝对温度，q为电子电量。在室温（为电子电量。在室温（27或或300K）时）时UT26mV。) 1(T/satUUeII第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH212021-9-2021 1.1.最大整流电流最大整流电流I IF F

15、：指二极管长期工作时，允许通：指二极管长期工作时，允许通过管子的最大正向平均电流。过管子的最大正向平均电流。 2.2.最高反向工作电压最高反向工作电压U UR R。 3.3. 反向电流反向电流I IR R：指在室温下，在二极管两端加上：指在室温下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。规定的反向电压时，流过管子的反向电流。 I IR R愈小单向导电性愈好。愈小单向导电性愈好。I IR R与温度有关（少子运动）与温度有关（少子运动） 4.4. 最高工作频率最高工作频率f fM M ：f fM M值主要决定于值主要决定于PNPN结结电容结结电容的大小。结电容愈大，则的大小。结电容愈

16、大，则f fM M愈低。愈低。 1.2.2二极管的主要参数二极管的主要参数第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH222021-9-20221.3 半导体二极管的基本应用半导体二极管的基本应用 1.3.1 整流电路整流电路 利用二极管的单向导电特性，可以将交流电变换为单向脉动直流电，完成整流作用。完成整流功能的电路称为整流电路。 演示实验。第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH232021-9-2023单相桥式整流电路 第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH242021-9-20241工作原理分析工作原理分析第1

17、章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH252021-9-20252参数计算参数计算(1)(1)单相桥式整流电路的整流电压的平均值，即单相桥式整流电路的整流电压的平均值，即输出电压输出电压u uo o的直流分量的直流分量U UO(AV)O(AV)为为 O(AV)222 012 22sind0.9UUttUU O(AV)2O(AV)LL0.9UUIRR(2)负载电阻负载电阻RL中的直流电流中的直流电流IO(AV)（即负载电（即负载电流平均值）为流平均值）为第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH262021-9-2026(3) 流过二极管的平均电流

18、为流过二极管的平均电流为(4) 二极管所承受的最大反向电压二极管所承受的最大反向电压第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH272021-9-20271.3.2检波电路检波电路第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH282021-9-20281.3.31.3.3限幅电路限幅电路第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH292021-9-20291.4特殊二极管特殊二极管 利用二极管的反向击穿特性，可将二极管做成一种特殊二极管特殊二极管稳压二极管稳压二极管。稳压二极管简称稳压管。 a或akk阳极阴极1.4.1稳压二极稳压

19、二极管管稳压二极管的电路符号如下图所示稳压二极管的电路符号如下图所示第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH302021-9-2030 1.稳压二极管参数：稳定电压、稳定电流、稳压二极管参数：稳定电压、稳定电流、动态电阻、额定功耗、稳定电压的温度系数。动态电阻、额定功耗、稳定电压的温度系数。稳压二极管稳压时的使用注意事项：稳压二极管稳压时的使用注意事项：（1）给稳压管加反向偏置电压；）给稳压管加反向偏置电压；（2）工作电流应在稳定电流和最大工作电流之间。）工作电流应在稳定电流和最大工作电流之间。（3）稳压管可以串联使用，串联后的稳压值等于）稳压管可以串联使用，串联后的

20、稳压值等于各管稳压值之和。稳压管不能并联使用，以免由各管稳压值之和。稳压管不能并联使用，以免由于稳压管稳压值的差异造成各管电流分配不均而于稳压管稳压值的差异造成各管电流分配不均而引起管子损坏。引起管子损坏。第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH312021-9-2031 2. 稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路（1）稳压原理）稳压原理 它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。较小的电压变化。第1章 半导体二极管及基本应用广东水

21、利电力职业技术学院电力系WXH322021-9-2032 假设RL不变，由于电网电压升高而使输入电压不变，由于电网电压升高而使输入电压UI升高时，输出电压升高时，输出电压UO也将随之升高，但此时稳也将随之升高，但此时稳压管的电流压管的电流IZ将急剧增加，则将急剧增加，则R上的压降增大，以上的压降增大，以此来抵消此来抵消UI的升高，从而使输出电压基本保持不的升高，从而使输出电压基本保持不变。这一稳压过程概括如下：变。这一稳压过程概括如下：第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH332021-9-2033 当输入电压不变，而负载电阻当输入电压不变，而负载电阻RL减小时，由

22、减小时，由图可知负载电流图可知负载电流IO增大，必然引起增大，必然引起IR的增大，则的增大，则UR增大，从而使增大，从而使UZ=UO减小，减小，IZ减小。减小。IZ的减小的减小必然使必然使IR减小，减小，UR减小，从而使输出电压减小，从而使输出电压UO增增加。这一稳压过程表示为：加。这一稳压过程表示为：第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH342021-9-20341电容效应电容效应二极管除了单向导电性外，还具有电容效应（PN结电容效应），即当其两端电压变化时，其存储的电荷也发生变化，因此就出现充、放电现象。按产生的原因不同分为势垒电容和扩散电容两种。（1）势垒电容

23、Cb（2）扩散电容Cd结电容Cj为两者之和，即Cj= Cb + Cd 正偏时，Cb Cd ，Cj主要由势垒电容决定。1.4.2 变变容容二极管二极管第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH352021-9-20352变容二极管变容二极管利用二极管的电容效应，可将二极管做成一种特殊二极管变容二极管，其电路符号如下图所示。主要用作可变电容可变电容（受电压控制）必须工作在反偏状态常用于高频电路中的电调谐电路。第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH362021-9-2036发光二极管的符号如下图所示。发光二极管应工作在正偏状态，且当正向电流达到一定

24、值时才能发出光。1.4.3 发光二极管发光二极管通常用作显示器件，此外，还应用于光纤通信和自动显示器件，此外，还应用于光纤通信和自动控制系统中。控制系统中。工作在正偏状态常用于高频电路中的电调谐电路。第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH372021-9-2037半导体具有光敏特性，光照越强，受激产生的电半导体具有光敏特性，光照越强，受激产生的电子子空穴对的数量越多。空穴对的数量越多。利用二极管的光敏特性，可制成一种特殊二极管利用二极管的光敏特性，可制成一种特殊二极管光敏二极管。光敏二极管又称光电二极管，属于光电光敏二极管。光敏二极管又称光电二极管，属于光电子器件。

25、子器件。1.4.4 光电光电二极管二极管工作在反偏状态一般作为光电检测器件。器件。也可做成光电池。第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH382021-9-20381.4.5 激光二极管 激光二极管的符合与发光二极管一样，结构上与发光二极管很相似，不同之处是激光二极管的PN结间安置了一层具有光活性的半导体，使其形成一光谐振腔，在正向偏置的情况下，从PN结上发射出单波长的光，这样就产生了激光。 激光二极管适宜作为大容量、原距离光纤通信的光源，也可以应用于小功率光电设备中，如计算机上的光盘驱动器、激光打印机中的打印头等。第1章 半导体二极管及基本应用广东水利电力职业技术学院电力系WXH392021-9-20391二极管的分类二极管的分类按材料的可分为锗管和硅管；按功能可分为开关管、整流管、稳压管、变容管、发光管和光电（敏）管等，按工作电流可分为小电流管和大电流管；按耐压高低可分为低压管和高压管；按工作频率高低可分为低频管和高频管等。二极管的分类及其选择二极管的分类及其选择第1章 半