半导体电路基础

1、1第第 4 4 章章半导体电路基础 电工电子学电工电子学()2本章教学基本要求理解理解PNPN结的单向导电性。了解二极管、稳压管、三极结的单向导电性。了解二极管、稳压管、三极管和管和MOSMOS场效应管的基本构造、工作原理和主要特性曲场效应管的基本构造、工作原理和主要特性曲线，理解主要参数的意义。线，理解主要参数的意义。会分析含有二极管的电路。会分析含有二极管的电路。理解基本放大电路的构成与工作原理理解基本放大电路的构成与工作原理, ,并能堆砌进行静并能堆砌进行静态分析与动态分析态分析与动态分析; ;掌握微变等效电路的绘制和分析方掌握微变等效电路的绘制和分析方法法理解功率放大的概念理解功率放大

2、的概念, ,了解常见功率放大电路的形式与了解常见功率放大电路的形式与分析方法分析方法. .理解负反馈的概念理解负反馈的概念, ,理解负反馈对放大电路性能的影响理解负反馈对放大电路性能的影响, ,了解反馈类别的判别了解反馈类别的判别. .本章讲授学时本章讲授学时: 12: 12学时学时 自学学时自学学时:36:36学时学时电工电子学电工电子学()3主要内容n 二极管及应用电路二极管及应用电路n 三极管及放大电路三极管及放大电路n 场效应管放大电路场效应管放大电路n 多级放大电路多级放大电路n 负反馈放大电路负反馈放大电路n 差分放大器差分放大器n 本章小结本章小结电工电子学电工电子学()4二极管

3、及应用电路n 半导体基本知识半导体基本知识n 半导体二极管半导体二极管n 二极管的应用二极管的应用电工电子学电工电子学()5半导体基本知识n 本征半导体本征半导体n 杂质半导体杂质半导体n PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性电工电子学电工电子学()6本征半导体(1)n半导体的概念半导体的概念n导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为半半导体导体。最常用的半导体为硅。最常用的半导体为硅(Si)(Si)和锗和锗(Ge)(Ge)。它们。它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为为 4 4。+SiGe电工电子学电

4、工电子学()7本征半导体(2)n半导体材料的特性半导体材料的特性纯净半导体的导电能力很差；纯净半导体的导电能力很差；电工电子学电工电子学()8本征半导体(3)n本征半导体的概念本征半导体的概念 经过高度提纯的单一晶格结构的硅或经过高度提纯的单一晶格结构的硅或锗原子构成的晶体，或者说，完全纯净、锗原子构成的晶体，或者说，完全纯净、具有晶体结构的半导体称为具有晶体结构的半导体称为本征半导体本征半导体。 本征半导体的特点是：本征半导体的特点是：原子核最外层的价电子是原子核最外层的价电子是四个，是四价元素，它们四个，是四价元素，它们排列成非常整齐的晶格结排列成非常整齐的晶格结构。所以半导体又称为晶构。

5、所以半导体又称为晶体。体。n本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。物化学成分纯净的半导体。物理结构上呈单晶体形态。理结构上呈单晶体形态。电工电子学电工电子学()9本征半导体(4)n本征半导体的特性本征半导体的特性n电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而产生的自由电子和空穴对。产生的自由电子和空穴对。晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式自由电子自由电子空穴空穴价电子价电子 自由电子和空穴成对产生自由电子和空穴成对产生的同时，又不断复合。在一定的同时，又不断复合。在一定温度下，电子空穴对的产生与温度下，电子空穴对的产生与复合达到动态平衡，半导体中复合达到动态平衡，半导体中电子空穴对浓度一

6、定。电子空穴对浓度一定。电工电子学电工电子学()10本征半导体(5)n价电子与共价键价电子与共价键n在本征半导体的晶体结构在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每一原子四个原子结合。每一原子的的个个价电子价电子与另一原子与另一原子的一个的一个价电子组成一个电组成一个电子对。这对价电子是每两子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们个相邻原子共有的，它们把相邻的原子结合在一起，把相邻的原子结合在一起，构成所谓构成所谓共价键共价键的结构。的结构。共价键共价键电工电子学电工电子学()11本征半导体(6)n本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理外加电压时，

7、半导体中将出现两部分电流外加电压时，半导体中将出现两部分电流自由电子作定向运动形成自由电子作定向运动形成电子电流电子电流；类似金属导；类似金属导体导电体导电相邻价电子递补空穴形成相邻价电子递补空穴形成空穴电流空穴电流。 能够承载电流的粒子称为能够承载电流的粒子称为载流子载流子，半导体含有，半导体含有两种载流子：两种载流子：自由电子自由电子和和空穴空穴。本征半导体中载流子浓度极小，导电性能很差；本征半导体中载流子浓度极小，导电性能很差；温度越高，本征半导体中载流子浓度越高，导电温度越高，本征半导体中载流子浓度越高，导电能力越强。半导体导电能力受温度影响很大。能力越强。半导体导电能力受温度影响很大

8、。 300300K K时，本征硅的载流子浓度为时，本征硅的载流子浓度为1.41.410101010/cm/cm3 3，而本征硅的原子浓度而本征硅的原子浓度: 4.96: 4.9610102222/cm/cm3 3 电工电子学电工电子学()12本征半导体(7)n本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理硅原子硅原子共价键共价键价电子价电子价电子受到价电子受到激发激发，形成，形成自由电子并留下空穴。自由电子并留下空穴。半导体中的自由电子和空半导体中的自由电子和空穴都能参与导电穴都能参与导电半导半导体具有两种载流子。体具有两种载流子。自由电子和空穴自由电子和空穴同时产生同时产生空穴空穴电工电子学电工电

9、子学()13本征半导体(8)n本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理n在价电子成为自由电子的在价电子成为自由电子的同时，在它原来的位置上同时，在它原来的位置上就出现一个空位，称为就出现一个空位，称为空空穴穴。空穴表示该位置缺少。空穴表示该位置缺少一个电子，丢失电子的原一个电子，丢失电子的原子显正电，称为正离子。子显正电，称为正离子。n自由电子又可以回到空穴自由电子又可以回到空穴的位置上，使离子恢复中的位置上，使离子恢复中性，这个过程叫复合。性，这个过程叫复合。硅原子共价键价电子产生与复合产生与复合电工电子学电工电子学()14本征半导体(9)n本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理电子电流与

10、空穴电流电子电流与空穴电流n在外电场的作用下，有空穴的在外电场的作用下，有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电原子可以吸引相邻原子中的价电子，填补这个空穴。同时，在失子，填补这个空穴。同时，在失去了一个价电子的相邻原子的共去了一个价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴，它也可价键中出现另一个空穴，它也可以由相邻原子中的价电子来递补，以由相邻原子中的价电子来递补，而在该原于中又出现一个空穴。而在该原于中又出现一个空穴。如此继续下去就好象空穴在运动。如此继续下去就好象空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，因此空穴运动相当的方向相反，因此空穴运动相当于正电荷

11、的运动，称为空穴电流。于正电荷的运动，称为空穴电流。空穴价电子电工电子学电工电子学()15杂质半导体n本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数目极少导电能力仍然很低。流子，但由于数目极少导电能力仍然很低。如果在其中掺入微量的杂质如果在其中掺入微量的杂质( (某种元素某种元素) )，这将使掺杂后的半导体这将使掺杂后的半导体( (杂质半导体杂质半导体) )的导的导电性能大大增强电性能大大增强 N N型半导体型半导体 P P型半导体型半导体电工电子学电工电子学()16N型半导体(1)n在硅或锗晶体中掺入磷在硅或锗晶体中掺入磷( (或其它五价元素或其它五价

12、元素) )。每。每个磷原子有个磷原子有5 5个价电子故在构成共价键结构时个价电子故在构成共价键结构时将因增加一个电子而形成一个自由电子，这样，将因增加一个电子而形成一个自由电子，这样，在半导体中就形成了大量自由电子。这种以自在半导体中就形成了大量自由电子。这种以自由电子导电作为主要导电方式的半导体称为电由电子导电作为主要导电方式的半导体称为电子型半导体或子型半导体或N N型半导体型半导体。SiGe+P= =N型型电工电子学电工电子学()17P+多余多余电子电子SiSiSiSiSiSiP 掺入掺入磷磷杂质的硅半导体晶体中，杂质的硅半导体晶体中，自由电子自由电子的数目大的数目大量增加。自由电子是这

13、种半导体的导电方式，称之为电量增加。自由电子是这种半导体的导电方式，称之为电子半导体或子半导体或N型半导体型半导体。特点特点 在在N型半导体型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。流子。 室温情况下，本征硅中室温情况下，本征硅中n0=p01.5 1010/cm3，当磷掺，当磷掺杂量在杂量在106量级时，电子载流子数目将增加几十万倍量级时，电子载流子数目将增加几十万倍电工电子学电工电子学()18P型半导体(1)n在硅或锗晶体中渗入硼在硅或锗晶体中渗入硼( (或其它三价或其它三价元素元素) )。每个硼原子只有三个价电子。每个硼原子只有三个价电子故在构成共价键结

14、构时将因缺少一个故在构成共价键结构时将因缺少一个电子而形成一个空穴，这样，在半导电子而形成一个空穴，这样，在半导体中就形成了大量空穴。这种以空穴体中就形成了大量空穴。这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为导电作为主要导电方式的半导体称为空穴半导体或空穴半导体或P P型半导体型半导体。SiGe+B= =P型型电工电子学电工电子学()19SiSiSiSiSiSiB+B空穴空穴 掺硼的半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数目。空掺硼的半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数目。空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子，这种半导体称为空穴型半导体或

15、穴型半导体或P P型半导体型半导体 一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可达到少数载流子的载流子的10101010倍或更多，电子载流子数目将增加几十万倍。倍或更多，电子载流子数目将增加几十万倍。电工电子学电工电子学()20 不论是不论是N N型半导体还是型半导体还是P P型半导体，都型半导体，都只有一种多数载流子。然而整个半导体晶只有一种多数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。体仍是电中性的。n思考题思考题1 1：n电子导电与空穴导电有什么区别？空穴电流电子导电与空穴导电有什么区别？空穴电流是不是自由电子递补空穴所形成的？是不是自由电子

16、递补空穴所形成的？n杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎么产生的？为什么杂质半导体中的少数载怎么产生的？为什么杂质半导体中的少数载流子比本征半导体中的浓度还小。流子比本征半导体中的浓度还小。nN N型半导体中的自由电子多于空穴，型半导体中的自由电子多于空穴，P P型半导型半导体中的空穴多于自由电子，是否体中的空穴多于自由电子，是否N N型半导体带型半导体带负电，负电，P P型半导体带正电？型半导体带正电？电工电子学电工电子学()21思考题2n填空填空电工电子学电工电子学()22PN结及其单向导电性(1)n载流子的运动载流子在电场作用下的漂移运动载流子在

17、电场作用下的漂移运动 没有电场作用时，半导体内部的自由电子和空穴没有电场作用时，半导体内部的自由电子和空穴的运动是杂乱无章的热运动，其运动方向不断改变，因的运动是杂乱无章的热运动，其运动方向不断改变，因此从平均的意义上来说不会产生电流。此从平均的意义上来说不会产生电流。 当有外电场作用时，自由电子在热运动的同时还当有外电场作用时，自由电子在热运动的同时还要叠加上逆电场方向的运动，空穴则叠加上顺电场方向要叠加上逆电场方向的运动，空穴则叠加上顺电场方向的运动。的运动。在电场作用下载流子的运动在电场作用下载流子的运动称为称为漂移运动漂移运动。由漂移运动由漂移运动产生的电流为产生的电流为漂移电流漂移电

18、流。电场电场 E +- -eq电工电子学电工电子学()23PN结及其单向导电性(2)n载流子的扩散运动载流子的扩散运动 如果在半导体中两个区域自由电子和空穴如果在半导体中两个区域自由电子和空穴的浓度存在差异，那么载流子将从浓度大的一边的浓度存在差异，那么载流子将从浓度大的一边向浓度小的一边扩散。向浓度小的一边扩散。PN自由电自由电子子空穴空穴扩散扩散扩散扩散由于浓度差引起的载流子由于浓度差引起的载流子运动为运动为扩散运动扩散运动。相应产。相应产生的电流为生的电流为扩散电流扩散电流。电工电子学电工电子学()24PN结及其单向导电性(3)nPNPN结的形成结的形成P P区区N N区区内电场内电场1

19、.1.多数载流子的扩散运动将形成耗尽层；多数载流子的扩散运动将形成耗尽层； 2. 2.耗尽了载流子的交界处留下耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区；不可移动的离子形成空间电荷区；（内电场）（内电场） 3. 3.内电场阻碍了内电场阻碍了多子的继续扩散。多子的继续扩散。 在同一片半导体基在同一片半导体基片上，分别制造片上，分别制造P型半导型半导体和体和N型半导体。将型半导体。将P型型半导体和半导体和N型半导体结合型半导体结合在一起。因此，界面处在一起。因此，界面处存在载流子浓度梯度，存在载流子浓度梯度，产生多数载流子向对面产生多数载流子向对面的扩散运动。的扩散运动。电工电子学电工电

20、子学()25PN结及其单向导电性(4)nPNPN结的形成结的形成P区区N区区 另一方面，对进入空间电荷区的少子，内建电场又另一方面，对进入空间电荷区的少子，内建电场又将其驱动到对面（漂移运动），在一定温度下，如果无将其驱动到对面（漂移运动），在一定温度下，如果无外界电场的作用，达到动态平衡，形成所谓外界电场的作用，达到动态平衡，形成所谓PN结。这时结。这时的扩散电流等于漂移电流。的扩散电流等于漂移电流。PN结中没有净电流流动。结中没有净电流流动。漂移漂移漂移漂移 空间电荷区的空间电荷区的叫法很多，有叫耗叫法很多，有叫耗尽区的，也有叫阻尽区的，也有叫阻挡层的。挡层的。 扩散与漂扩散与漂移移P型型

21、N型型+- - -EPN结结电工电子学电工电子学()26PNPN结及其单向导电性(5)nPNPN结的结的单向导电性单向导电性 当外加电场加入后，如果外电场方向与内电场方当外加电场加入后，如果外电场方向与内电场方向一致向一致 ( 即，外加电压正端接即，外加电压正端接 N 区区, 负端接负端接 P 区区)，EUPN结加反向偏压，不导电（截止）结加反向偏压，不导电（截止） 内建电场得到加强，空间电荷区加宽，载流子更难通过，内建电场得到加强，空间电荷区加宽，载流子更难通过，因而不能导电（截止）。因而不能导电（截止）。电工电子学电工电子学()27PN结及其单向导电性(6)nPNPN结的结的单向导电性单向

22、导电性 当外电场方向与内电场方向相反当外电场方向与内电场方向相反 ( 即，外加电压即，外加电压正端接正端接P区区, 负端接负端接N区区)，PNEUPN结加正向偏压，导电（导通）结加正向偏压，导电（导通） 内建电场受到削弱，空间电荷区变窄，载流子易于通过，内建电场受到削弱，空间电荷区变窄，载流子易于通过，因而产生导电现象（导通）。因而产生导电现象（导通）。这种只有一种方向导电的现象称为这种只有一种方向导电的现象称为PN结的单向导电性。结的单向导电性。电工电子学电工电子学()28半导体二极管n二极管的电路符号与基本结构二极管的电路符号与基本结构n二极管的伏安特性二极管的伏安特性n二极管的电路模型二

23、极管的电路模型n二极管的主要参数二极管的主要参数电工电子学电工电子学()29二极管电路符号与基本结构(1)n二极管的电路符号与特点二极管的电路符号与特点 半导体二极管内部就是一个半导体二极管内部就是一个PN结，将其封结，将其封装并接出两个引出端，从装并接出两个引出端，从 P 区引出的端称为阳区引出的端称为阳极（正极），从极（正极），从 N 区引出的端称为阴极（负区引出的端称为阴极（负极）。电路符号如图：极）。电路符号如图：阳极阳极阴极阴极D二极管电路符号二极管电路符号 根据根据PNPN结的单向导电性，结的单向导电性，二极管只有当阳极电位高于阴二极管只有当阳极电位高于阴极电位时，才能按箭头方向导

24、极电位时，才能按箭头方向导通电流。通电流。符号箭头指示方向为正，色点则表示该端为正极。符号箭头指示方向为正，色点则表示该端为正极。为了防止使用时极性接错，管壳上标有为了防止使用时极性接错，管壳上标有 “ “” ” 符号或色点，符号或色点，如果二极管极性接错，不仅造成电路无法正常工作，如果二极管极性接错，不仅造成电路无法正常工作，还会烧坏二极管及电路中其他元件。还会烧坏二极管及电路中其他元件。电工电子学电工电子学()30二极管电路符号与基本结构(2)n二极管的二极管的基本结构基本结构引线引线外壳外壳触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触型面接触型电工电子学电工电子学()31二极管电路

25、符号与基本结构(3)n半导体二极管照片半导体二极管照片电工电子学电工电子学()32二极管电路符号与基本结构(4)n半导体二极管照片半导体二极管照片电工电子学电工电子学()33二极管电路符号与基本结构(5)n半导体二极管照片半导体二极管照片电工电子学电工电子学()34二极管的伏安特性(1)U(V)0.400.8-50-25I (mA)204060 ( A)4020n正向特性：正向特性：DiDuDuDiD0正向导通正向导通0.5锗锗 硅硅0.2外加正向电压时，正向特性的起始部分，正向外加正向电压时，正向特性的起始部分，正向电流几乎为零。这一段称为电流几乎为零。这一段称为 “死区死区”。对应于二。对

26、应于二极管开始导通时的外加电压称为极管开始导通时的外加电压称为 “死区电压死区电压”。锗管约为锗管约为0.2V, 硅管约硅管约0.5V。电工电子学电工电子学()35二极管的伏安特性(2)n反向特性：反向特性：DiDuDuDiD0正向导通正向导通反向截止反向截止击穿击穿0.5锗锗 硅硅0.2反向饱和电流反向饱和电流外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的很小的反向电流，称为流子漂移运动所形成的很小的反向电流，称为反向饱和电流反向饱和电流或或漏漏电流电流。该电流受温度影响很大。该电流受温度影响很大。击穿特性击穿特性

27、 外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为击穿（击穿时，二极管失去单向导电性）。种现象称为击穿（击穿时，二极管失去单向导电性）。 对应的对应的电压称为电压称为击穿电压击穿电压。电工电子学电工电子学()36二极管的伏安特性(3)n利用利用MultiSimMultiSim测试二极管伏安特性测试二极管伏安特性电工电子学电工电子学()37二极管的电路模型(1)n在实际电路分析、设计中常使用逐段线性的在实际电路分析、设计中常使用逐段线性的二极管特性二极管特性1.1.理想二极管的电路模型：理想二极管的电路模型：iDuD0000DDDDD

28、iuuUi当当导通电压导通电压U UD D与二极管材料有关：与二极管材料有关：硅管为硅管为0.60.60.7V0.7V，锗管为，锗管为0.20.20.3V0.3V2.2.考虑导通电压的二极管模型：考虑导通电压的二极管模型：000DDDDDiuUui当当iDuD0_+uDiDuDUDuDUD+uDiD_电工电子学电工电子学()38二极管的电路模型(2)n3.3.考虑正向伏安特性曲线斜率的二极管电路考虑正向伏安特性曲线斜率的二极管电路模型模型 以动态电阻以动态电阻rD D表示曲线的斜率，表示曲线的斜率，( ( rD D的值随的值随二极管工作点二极管工作点Q变化而变化）变化而变化）iDuD0UDuD

29、UD+uDiD_DDDurirD电工电子学电工电子学()39二极管的电路模型(3)n理想二极管应用电路实例理想二极管应用电路实例1.1.限幅电路限幅电路uiuoRE输入电压为一正弦波。输入电压为一正弦波。电池电压：电池电压：E=4V8sinViut08t4ou0t截截止止截截止止导导通通导导通通 如果考虑二极管导通电压，则如果考虑二极管导通电压，则此时输出电压应为此时输出电压应为4.7V。当输入电压小于电池电压时，二极当输入电压小于电池电压时，二极管两端电压处于反向偏置，截止，管两端电压处于反向偏置，截止，没有电流流过，所以输出电压跟随没有电流流过，所以输出电压跟随输入电压变化。输入电压变化。

30、当输入电压大于电池电压时，二当输入电压大于电池电压时，二极管两端电压处于正向偏置，导极管两端电压处于正向偏置，导通，二极管两端电压为通，二极管两端电压为0，所以输，所以输出电压与电池电压相同，为出电压与电池电压相同，为4V。电工电子学电工电子学()40二极管的电路模型(4)n利用利用MultiSimMultiSim观察二极管限幅电路工作情况观察二极管限幅电路工作情况电工电子学电工电子学()41二极管的电路模型(5)n理想二极管应用电路实例1.1.或门电路或门电路假定二极管导通电压忽略不计，我们用列表的方法来分析假定二极管导通电压忽略不计，我们用列表的方法来分析输入信号输入信号VA，VB和输出信

31、号和输出信号VF的关系：的关系：VAVBVFD2D13V3V3V3V0V0V0V0V导通导通导通导通导通导通导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止3V0V3V3V如果定义如果定义 3V电平为逻辑电平为逻辑 1，0V电平为逻辑电平为逻辑 0，则，该电，则，该电路实现逻辑路实现逻辑“或或”的功能：的功能： F=A+BD1D2R- -12VVAVBVF电工电子学电工电子学()42二极管的主要参数(1)n二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，二极管的特性除用伏安特性曲线表示外，还可用一些数据来说明，这些数据就是还可用一些数据来说明，这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有下二极管的参数。二极管的主

32、要参数有下面几个面几个n最大整流电流最大整流电流ICMn最高反向电压最高反向电压URM n最大反向电流最大反向电流IRMn最高工作频率最高工作频率 fMuDiD0URMIRMICMUBR电工电子学电工电子学()43二极管的主要参数(2)1.1.最大整流电流最大整流电流ICMuDiD0URMIRMICMUBR 二极管长时间安二极管长时间安全工作所允许流过的最大全工作所允许流过的最大正向平均电流。由正向平均电流。由PN结结结面积和散热条件决定，结面积和散热条件决定，超过此值工作可能导致过超过此值工作可能导致过热而损坏。热而损坏。2.2.最高反向工作电压最高反向工作电压URM 为保证二极管不被反向击

33、穿而规定的最大反为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压，一般为反向击穿电压的一半。向工作电压，一般为反向击穿电压的一半。电工电子学电工电子学()44二极管的主要参数(3)3 3、最大反向电流、最大反向电流 IRuDiD0URMIRMICMUBR 二极管未被击穿二极管未被击穿时，流过二极管的反向电时，流过二极管的反向电流。此值越小，单向导电流。此值越小，单向导电性越好。硅管优于锗管。性越好。硅管优于锗管。4.4.最高工作频率最高工作频率 fM 二极管维持单向导电性的最高工作频率。由二极管维持单向导电性的最高工作频率。由于二极管中存在结电容，当频率很高时，电流可直于二极管中存在结电容，当

34、频率很高时，电流可直接通过结电容，破坏二极管的单向导电性接通过结电容，破坏二极管的单向导电性。电工电子学电工电子学()45二极管的主要参数(4)n除此之外，二极管的参除此之外，二极管的参数还有工作温度，结电数还有工作温度，结电容值和微变电阻等。容值和微变电阻等。电工电子学电工电子学()46二极管的应用n 二极管的应用二极管的应用n 钳位钳位n 削波削波n 隔离隔离n 整流整流n 限幅限幅n 特殊二极管特殊二极管电工电子学电工电子学()47二极管的应用(1)n例例1 1：电路如图，求：电路如图，求：UABD6V12V3k BAUAB+ + 解：取解：取 B B 点作参考点，点作参考点，断开二极管

35、，分析二极管阳极断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。和阴极的电位。 在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。 电工电子学电工电子学()48二极管的应用(2) 例例2：如图由如图由RCRC构成微构成微分电路，当输入电压分电路，当输入电压u ui i为矩为矩形波时，试画出输出电压形波时，试画出输出电压u uo o的波形。的波形。( (设设u uc0 c0 =U=U0 0) )CRDRLuiuRuouitouotoUuRto 在这里，二极管起削波作在这里，二极管起削波作用，削去正尖脉冲。用，削去正尖脉冲。电工电子学电工电子学()49二极管的应用(3) 例例3 3：在图示或门电：在图示

36、或门电路中，输入端路中，输入端A A的电位的电位U UA A=+3V, B=+3V, B的电位的电位U UB B=0V,=0V,求求输出端输出端F F的电位的电位U UF F=?=?。电。电阻阻R R接负电源接负电源12V。 解：因为解：因为A A端电位比端电位比B B端电位高，所以，端电位高，所以，D D1 1优先导通。设二极管的正向压降是优先导通。设二极管的正向压降是0.3V0.3V，则，则，U UF F=2.7V=2.7V。当。当D D1 1导通后，导通后，D D2 2上加的是反向电压，上加的是反向电压，所以，所以，D D2 2截止。截止。D D1 1起钳位作用。将起钳位作用。将U UF

37、 F钳制在钳制在2.7V2.7V。D D2 2起隔离作用起隔离作用D1D2R- -12VVAVBVF50二极管的应用(4) 例例4 4 在如图所示的在如图所示的两个电路中，已知两个电路中，已知ui=30sintV，二极管的，二极管的正向压降可忽略不计，正向压降可忽略不计，试分别画出输出电压试分别画出输出电压u u0 0的波形。的波形。RDR+- -uiu0u0D+- -ui+- -+- -40tiu20u0t20t0u2 时时截止截止时时导通导通0,0,0iiiuDuDuu 0 时导通时截止0 , 00 , 0iiiuDuDuu电工电子学电工电子学()51二极管的应用(5)n例例5：二极管电路

38、如图：二极管电路如图，D1、D2为理想二极为理想二极管，试画出管，试画出 10V ui 10V范围内的电压传输范围内的电压传输特性曲线特性曲线uo=f(ui)。10V5Viu 1）当）当D1管截止，管截止，D2管导通。管导通。u 0 = 5V-50+5+10-10ui(V)+5-5uo5V5Viu 2）当）当D1管截止，管截止，D2管截止。管截止。u 0 = ui5V10Viu 3）当）当D1管导通，管导通，D2管截止。管截止。u0 = +5VuiuoRD15VD25V电路把超过电路把超过5V5V的输的输入信号部分限制掉。入信号部分限制掉。电工电子学电工电子学()52二极管的应用(6)利用利用

39、MultiSimMultiSim观察二极管双向限幅电路传输特性观察二极管双向限幅电路传输特性电工电子学电工电子学()53二极管的应用(7)二极管电路分析举例小结：二极管电路分析举例小结：定性分析：判断二极管的工作状态定性分析：判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的，电工电子学电工电子学()54特殊二极管n稳压二极管稳压二极管n光敏二极管光敏二极管n发光二极管发光二极管电工电子学电工电子学()55稳压二极管(1)n稳压管是一种特殊的硅二极管。它允许通过较大的反向电流，稳压管是一种特殊的硅二极管。它允许通过较大的反向电流，经过特殊工艺使其反向击穿电压比普通二极管低

40、得多（几到经过特殊工艺使其反向击穿电压比普通二极管低得多（几到几十伏）。利用其反向击穿特性，配以合适的电阻，几十伏）。利用其反向击穿特性，配以合适的电阻， 在电路中可起稳压的作用。在电路中可起稳压的作用。 二极管在加反向偏置电压时，二极管在加反向偏置电压时， 处于截止状态，仅有很小的反向处于截止状态，仅有很小的反向 饱和电流。但是如果反向电压增饱和电流。但是如果反向电压增 大到一定值时，大到一定值时，PN结的电场强度结的电场强度 太大，太大， 将导致二极管的反向击将导致二极管的反向击 穿，这时，二极管反向穿，这时，二极管反向 电流迅电流迅 速增大而电压却基本不变速增大而电压却基本不变 反向击穿

41、。反向击穿。U(V)0.400.8-8-4I (mA)204010-20-1030-12反向反向正向正向电工电子学电工电子学()56稳压二极管(2)n稳压管结构和伏安特性稳压管结构和伏安特性1.1.符号符号 UZIZIZM UZ IZ_+UIO电工电子学电工电子学()57稳压二极管(3)n稳压管结构和伏安特性稳压管结构和伏安特性稳压二极管的特性稳压二极管的特性 当稳压二极管处于正向偏置当稳压二极管处于正向偏置时，其特性和普通二极管相同。时，其特性和普通二极管相同。 当稳压二极管处于反向偏当稳压二极管处于反向偏置时，如果电压较小，则二极置时，如果电压较小，则二极管处于截止状态，电流近似为管处于截

42、止状态，电流近似为 0。 如果电压达到击穿电压如果电压达到击穿电压值时，电流迅速增大，稳压值时，电流迅速增大，稳压二极管处于稳压状态。二极管处于稳压状态。1）PN结易于击穿（击穿电压比普通二极管低很多）。结易于击穿（击穿电压比普通二极管低很多）。2）PN结面积大，散热条件好，使反向击穿是可逆的。结面积大，散热条件好，使反向击穿是可逆的。特点特点UZIZIZM UZ IZUIO电工电子学电工电子学()58稳压二极管(4)n稳压管稳压电路及稳压原理稳压管稳压电路及稳压原理 稳压电路稳定输出直流电压的基本思想是：在输稳压电路稳定输出直流电压的基本思想是：在输出直流电压时，在电路中设置一个吸收波动成分

43、的元出直流电压时，在电路中设置一个吸收波动成分的元件（调整元件），当电源电压或负载波动时，调整元件（调整元件），当电源电压或负载波动时，调整元件将根据输出直流电压的变动情况，确定调整方向和件将根据输出直流电压的变动情况，确定调整方向和大小，以保证输出的直流电压不发生变化。大小，以保证输出的直流电压不发生变化。R R是调整元件是调整元件R RL L是负载电阻是负载电阻RZDLR0UiU1）电源电压波动）电源电压波动000()()iiZiUUUUIRIIIRUUIR 2）负载变化）负载变化00()LZiIUIIRUUIR 电工电子学电工电子学()59稳压二极管(5)n稳压管稳压电路及稳压原理稳压管

44、稳压电路及稳压原理 要使稳压管正常工作，则其电流必须在要使稳压管正常工作，则其电流必须在IZ IZM之间。如果之间。如果负载电流的变化范围为负载电流的变化范围为ILm ILM，电源电压波动使滤波输出电压电源电压波动使滤波输出电压 Ui的变化范围为的变化范围为Ui min Ui max限流电阻的取值范围为限流电阻的取值范围为maxzminziiZMLmZLMUUUURIIIIR 承受的最大可承受的最大可能电压能电压R 承受的最小可承受的最小可能电压能电压R 允许流过的最允许流过的最大电流大电流R 必须流过的最必须流过的最小电流小电流如果无法由此式确定限流电阻，则稳压管稳压电路将无法满如果无法由此

45、式确定限流电阻，则稳压管稳压电路将无法满足工作要求，必须更换稳压管或采用其它形式稳压电路。足工作要求，必须更换稳压管或采用其它形式稳压电路。电工电子学电工电子学()60稳压二极管(6)n主要参数UZIZIZMUZIZ1）稳定电压）稳定电压UZ2）稳定电流）稳定电流 IZ （保证稳压管稳（保证稳压管稳压性能的最小工作电流）。压性能的最小工作电流）。 3）最大稳定电流）最大稳定电流 IZM 4）最大允许耗散功率）最大允许耗散功率PZM5）动态电阻）动态电阻6）电压温度系数）电压温度系数 UZMZzmIUP稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。zzZIUr动态电阻越小稳

46、压管稳压效果越好动态电阻越小稳压管稳压效果越好稳压管受温度变化的影响系数。稳压管受温度变化的影响系数。不同型号的稳不同型号的稳 压管，都规定一压管，都规定一个最大稳定电流，个最大稳定电流， 防止稳压管过流发生热击穿而损。防止稳压管过流发生热击穿而损。izuz0电工电子学电工电子学()61稳压二极管(7)n主要参数主要参数特别说明：稳压管的电压温度特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别系数有正负之别. . 06606UZUZUZVUVUVU 很很小小因此选用因此选用6V6V左右的左右的稳压管，具有较好稳压管，具有较好的温度稳定性。的温度稳定性。电工电子学电工电子学()62光敏二极管n光敏二极管

47、是利用半导体的光敏二极管是利用半导体的光敏特性制成的，当光线辐光敏特性制成的，当光线辐射于射于PNPN结时。它的反向电流结时。它的反向电流随光照强度的增加而增强，随光照强度的增加而增强，所以称为光敏二极管，或光所以称为光敏二极管，或光电二极管。它的符号如图（电二极管。它的符号如图（a a）所示，伏安特性如图（所示，伏安特性如图（b b）所）所示，光敏二极管的反向电流示，光敏二极管的反向电流与光照度成正比。光敏二极与光照度成正比。光敏二极管可以用来做为光控元件。管可以用来做为光控元件。D光敏二极管的符号光敏二极管的符号 )(a电工电子学电工电子学()63发光二极管 发光二极管，顾名发光二极管，顾

48、名思意这种管于通以电思意这种管于通以电流将会发出光来。发光流将会发出光来。发光二极管的符号如图二极管的符号如图 (a)(a)所示，伏安特性如图所示，伏安特性如图 (b)(b)所示。它的死区电所示。它的死区电压比普通二极管高，发压比普通二极管高，发光强度与正向电流的大光强度与正向电流的大小成正比。发光二及管小成正比。发光二及管常用来做显示器件。常用来做显示器件。D发光二极管的符号发光二极管的符号 )(a)(b发光二极管的伏安特性发光二极管的伏安特性 电工电子学电工电子学()64复习思考题n为什么稳压管的动态电阻越小，则为什么稳压管的动态电阻越小，则稳压愈好？稳压愈好？n利用稳压管或普通二极管的正

49、向压利用稳压管或普通二极管的正向压降，是否也可以稳压？降，是否也可以稳压？电工电子学电工电子学()65三极管及放大电路n 半导体三极管n 基本放大电路n 共集电极放大电路 电工电子学电工电子学()66半导体三极管n三极管的结构n工作原理与伏安特性n三极管的主要参数电工电子学电工电子学()67三极管的结构(1)n双极型晶体三极管双极型晶体三极管(BJT) (BJT) 由两个由两个PNPN构成，有两种类构成，有两种类型型:NPN:NPN型和型和PNPPNP型。型。NNPNPN型型EBCNPPPNP型型EBC发射结发射结(Je) 集电结集电结(Jc) 基极，用基极，用B或或b表示（表示（Base）

50、发射极，用发射极，用E或或e表示（表示（Emitter）集电极，用集电极，用C或或c表示（表示（Collector）。）。 发射区发射区集电区集电区基区基区BECBECBJT的电路符号的电路符号常用常用BJT的外形的外形电工电子学电工电子学()68三极管的结构(2)n双极型晶体三极管双极型晶体三极管(BJT) 结构特点：结构特点：发射区的掺杂浓度最高；发射区的掺杂浓度最高；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。浓度最低。BJT管芯结构剖面图管芯结构剖面图电工电子学

51、电工电子学()69三极管的结构(3)n双极型晶体三极管双极型晶体三极管(BJT)(BJT)半导体三极管半导体三极管( (晶晶体管体管) )是最重要的一种半导体器件。是最重要的一种半导体器件。n最常见的结构有平面型和合金型两种。平最常见的结构有平面型和合金型两种。平面型都是硅管、合金型主要是锗管。面型都是硅管、合金型主要是锗管。N型硅型硅P型型N型型二氧化硅保护膜二氧化硅保护膜BE平面型结构平面型结构N型锗型锗铟球铟球铟球铟球P型型P型型CEB合金型结构合金型结构电工电子学电工电子学()70BJT的工作原理伏安特性(1)n三极管的三个电极之间可以组成不同的输入三极管的三个电极之间可以组成不同的输

52、入回路和输出回路回路和输出回路共发射极电路，共集电共发射极电路，共集电极电路和共基极电路极电路和共基极电路. .n共发射极电路共发射极电路基极和发射极组成输入回基极和发射极组成输入回路路,集电极和发射极组成输出回路集电极和发射极组成输出回路(最常用最常用).n共集电极电路共集电极电路基极和集电极组成输入回基极和集电极组成输入回路路.发射极和集电极组成输出回路发射极和集电极组成输出回路(如射极输出如射极输出器器).n共基极电路共基极电路集电极和基极组成输入回路集电极和基极组成输入回路,发射极和基极组成输出回路。发射极和基极组成输出回路。电工电子学电工电子学()71BJT的工作原理伏安特性(2)n

53、电流分配和放大原理电流分配和放大原理三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件EEBRBRC发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏电工电子学电工电子学()72BJT的工作原理伏安特性(3)n电流分配和放大原理电流分配和放大原理BECNNPEBRBUC发射结正偏，发发射结正偏，发射区电子不断向射区电子不断向基区扩散，形成基区扩散，形成发射极电流发射极电流IE。IE基区空穴基区空穴向发射区向发射区的扩散可的扩散可忽略。忽略。IBE进入进入P区的电子少部分区的电子少部分与基区的空穴复合，与基区的空穴复合，形成电流形成电流IBE，多数扩，多数扩散到集电结。散到集电结。集电结反偏，有少子集电结反偏，

54、有少子形成的反向电流形成的反向电流ICBO。ICBO从基区扩散来的电子从基区扩散来的电子作为集电结的少子，作为集电结的少子，漂移进入集电结而被漂移进入集电结而被收集，形成收集，形成ICE。IC=ICE+ICBO ICEICEIB=IBE-ICBO IBEIBICE与与IBE之比称为直流电流放大倍数之比称为直流电流放大倍数CECCBOCBEBCBOBIIIIIIII要使三极管能放大电流，必须要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。使发射结正偏，集电结反偏。两者变化之比称为交流电流放大倍数两者变化之比称为交流电流放大倍数CEBEii电工电子学电工电子学()73BJT的工作原理伏安特性(

55、4)nBJTBJT具有放大作用的条件具有放大作用的条件 要使晶体管起放大作用，要使晶体管起放大作用，发射发射结必须正向偏置、集电结必须反向偏结必须正向偏置、集电结必须反向偏置置具有放大作用的外部条件。具有放大作用的外部条件。放大作用的内部条件放大作用的内部条件： 基区很薄且掺杂浓度很低。基区很薄且掺杂浓度很低。电工电子学电工电子学()74BJT的工作原理伏安特性(5)nBJTBJT具有放大作用具有放大作用小结n在晶体管中，不仅在晶体管中，不仅I IC C比比I IB B大很多；当大很多；当I IB B有有微小变化时还会引起微小变化时还会引起I IC C的较大变化。的较大变化。n晶体管放大的外部

56、条件发射结必须正晶体管放大的外部条件发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置向偏置，集电结必须反向偏置n放大作用的内部条件基区很薄且掺杂放大作用的内部条件基区很薄且掺杂浓度很低。浓度很低。电工电子学电工电子学()75BJT的工作原理伏安特性(6)n三极管的伏安特性三极管的伏安特性1、输入特性曲线：、输入特性曲线： 输入特性曲线是指当输入特性曲线是指当集集射极之间的电压射极之间的电压UCE为某一常数时，输入回路为某一常数时，输入回路中的基极电流中的基极电流iB与加在与加在基基射极间的电压射极间的电压uBE之之间的关系曲线。间的关系曲线。当当UCE=0，晶体管相当于两个二极管的正向并联，其特性曲线，

57、晶体管相当于两个二极管的正向并联，其特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似。与二极管的正向伏安特性曲线相似。AVmAVECRBiBUCEuBEICEB电工电子学电工电子学()76BJT的工作原理伏安特性(7)n三极管的伏安特性三极管的伏安特性1、输入特性曲线：、输入特性曲线：0uBEiBUBEUBE 0.7V(硅硅)0.3V(锗锗)0V 1V10VUCE 当当UCE 1时，特性曲线的形状并不改变，曲线仅仅右移一时，特性曲线的形状并不改变，曲线仅仅右移一段距离。只要段距离。只要uBE不变，无论怎样增大不变，无论怎样增大UCE，iB都基本不变，曲都基本不变，曲线基本重合。因此，通常将线基本重合。因

58、此，通常将UCE=1的特性曲线作为晶体管的输的特性曲线作为晶体管的输入特性曲线。入特性曲线。 当当UCE=0，晶体管相当于两，晶体管相当于两个二极管的正向并联，其特性个二极管的正向并联，其特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似。曲线相似。电工电子学电工电子学()77BJT的工作原理伏安特性(8)n利用利用MultiSimMultiSim观察观察BJTBJT输入特性输入特性电工电子学电工电子学()78BJT的工作原理伏安特性(9)n三极管的伏安特性三极管的伏安特性2、输出特性曲线、输出特性曲线0uCEiCNPNIB=0IB3IB2IB1IB3 IB2 IB10从输出特性

59、上，可将三极管分为三个工作区（工作状态）：从输出特性上，可将三极管分为三个工作区（工作状态）：截止截止(Cut off)、饱和、饱和(Saturation)、放大、放大(Active)。截止截止饱和饱和放大放大集电极电流受基极电集电极电流受基极电流控制，所以晶体三流控制，所以晶体三极管又称为电流控制极管又称为电流控制器件。器件。 输出特性曲线是指当基极电流输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路中为常数时，输出电路中集电极电流集电极电流iC与集与集射极间的电压射极间的电压uCE之间的关系曲线。之间的关系曲线。uCE=uBE电工电子学电工电子学()79BJT的工作原理伏安特性(10)n三

60、极管的伏安特性三极管的伏安特性1）截止区）截止区IB = 0 曲线以下的区域。曲线以下的区域。条件：发射结零偏或反偏条件：发射结零偏或反偏0 BEU集电结反偏集电结反偏RCUCCTRBUBBIB=0ICIEIB = 0, IC = IE = ICEO (穿透电流穿透电流) ICEO受温度影响很大受温度影响很大, 温度升高温度升高, ICEO增大。增大。由于由于ICEO很小，此时很小，此时UCE近似等近似等于于UCC，C与与E之间相当于断路。之间相当于断路。0uCEiCIB=0IB3IB2IB1IB3 IB2 IB10截止截止饱和饱和放大放大NPN电工电子学电工电子学()80BJT的工作原理伏安