模拟电子电路PPT

1、 第第1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 1.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 1.3 二极管二极管 1.4 特殊二极管特殊二极管 概念：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。概念：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。大多数半导体器件所用的主要材料是硅大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗和锗(Ge)。1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体半导体1428 4Si3228 18 4Ge+4+4简化模型简化模型+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1.1 本征半导体及其导电特性本征半导体及其导电特性概念：纯净的、具

2、有晶体结构的半导体。概念：纯净的、具有晶体结构的半导体。价价电电子子共共价价键键当温度当温度 T = 0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4若若 T ， 将有少数价电子克将有少数价电子克服共价键的束缚成为服共价键的束缚成为自由电子自由电子， 在原来的共价键中在原来的共价键中留下一个空位，成为留下一个空位，成为空穴空穴。空穴可看成带正电的空穴可看成带正电的载流子。载流子。自由电子自由电子空穴空穴载流子：运载电荷的粒子。载流子：运载电荷的粒子。自由电子（带负电）自由电子（带负电）空穴（带正电）空穴（带正电）复合复合（1）本征半导体中

3、，自由电子和空穴总是成对出现，）本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为称为 电子电子 - 空穴对。空穴对。（2）由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产）由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。达到平衡，载流子的浓度就一定了。（3）载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的）载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。升高，基本按指数规律增加。 常温下，本征半导体常温下，本征半导体导电能力差导电能力差。本征半导体相关结论：本征半导体相关结论：自

4、由电子自由电子和和空穴空穴的浓度相等的浓度相等 。杂质半导体杂质半导体N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体1.1.2 N N型半导体型半导体 (电子型半导体电子型半导体)在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 + 5 价价杂质元素，杂质元素，如如磷、锑、砷磷、锑、砷等。等。 杂质原子最外层杂质原子最外层5个价电子。个价电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子N 型半导体型半导体 多余一个电子只多余一个电子只受自身原子核吸引，受自身原子核吸引，在室温下即可成为在室温下即可成为自自由电子由电子。 自由电子浓度远自由电子浓度远大于空穴的浓度，即

5、大于空穴的浓度，即 n p 。自由电子称为多数载自由电子称为多数载流子流子(简称简称多子多子)，空，空穴称为少数载流子穴称为少数载流子(简称简称少子少子)。半导体主要靠半导体主要靠自由电子自由电子导电。导电。+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体在硅或锗的晶体中掺入少量的中掺入少量的 3 价价杂质元素，如杂质元素，如硼、镓、硼、镓、铟铟等。等。+3 空穴浓度大于空穴浓度大于自由电子浓度，即自由电子浓度，即 p n。空穴为多子，空穴为多子，自由电子为少子。自由电子为少子。P 型半导体型半导体1.1.3 P P 型半导体型半导体 (空穴型半导体空穴型半导体)半导体主要靠半导体主要靠空穴

6、空穴导电。导电。空穴空穴受主原子受主原子1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。 3. 杂质半导体的表示方法：杂质半导体的表示方法：2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体练习：练习： 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体型半导体，另一侧掺杂成为另一侧掺杂成为 N 型半导体型半导体，两个区域的交界处就形

7、，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为成了一个特殊的薄层，称为 PN 结结。PNPN结结1.2 PN结的形成及特性结的形成及特性1.2.1 PN PN 结的形成结的形成耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN多子扩散运动多子扩散运动PN复合消失复合消失空间电荷区（耗尽层）空间电荷区（耗尽层）内电场内电场内电场内电场阻止多子扩散阻止多子扩散有利少子漂移有利少子漂移动态平衡，形成动态平衡，形成PN结结1.2.2 PN PN 结的单向导电性结的单向导电性外电场外电场内电场内电场空间电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流

8、。较大的正向电流。PN1 、加正向电压、加正向电压2、加反向电压、加反向电压空间电荷区空间电荷区少子形成反向电流。当其不再随外电压增大时，称为少子形成反向电流。当其不再随外电压增大时，称为反反向饱和电流（向饱和电流（IS）。IS很小，随温度升高，很小，随温度升高， IS 将增大将增大。PN外电场外电场内电场内电场VRIS由上可见：由上可见：当当PNPN结结正向正向偏置时，呈现偏置时，呈现低低电阻，回路中将产电阻，回路中将产生较大的生较大的正向扩散正向扩散电流，电流， PN PN 结处于结处于 导通状态导通状态； 当当PNPN结结反向反向偏置时，呈现偏置时，呈现高高电阻，回路中的电阻，回路中的反

9、向反向漂移漂移电流非常小，几乎为零，电流非常小，几乎为零， PN PN 结处于结处于截止状态截止状态。可见，可见， PN PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。1.2.3 PN PN 结的电容效应结的电容效应1、势垒电容、势垒电容 CB 势垒电容是由空间电荷区的势垒电容是由空间电荷区的离子薄层离子薄层形成的。形成的。 当外加电压使当外加电压使PNPN结上压降发生变化时，离子薄层的结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当厚度也相应地随之改变，这相当PNPN结中存储的电荷量也结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。随之变化，犹如电容的充放电。 2、扩散电容、扩散电容 CD

10、 扩散电容是由扩散电容是由多子多子扩散后，在扩散后，在PNPN结的另一侧面积累结的另一侧面积累而形成的。而形成的。当外加正向电压不同时，扩散电流也就不同，当外加正向电压不同时，扩散电流也就不同，PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，相当于结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，相当于电容的充放电过程。电容的充放电过程。 结容值很小，对低频信号有很大的容抗，可忽结容值很小，对低频信号有很大的容抗，可忽略，只有在信号频率较高时，才会有明显影响。略，只有在信号频率较高时，才会有明显影响。由于由于 CB 与与 CD 并联并联结电容结电容 C = CB + CD1.3 二二 极极 管管1.3.1 二极

11、管的基本结构二极管的基本结构将将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。区分别焊出两根引线作正、负极。符号：符号：PND二极管二极管半导体二极管的类型：半导体二极管的类型：按按 PN 结结构结结构分：分： 点接触型二极管：点接触型二极管：不允许通过较大的电流，因结电容小，不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。可在高频下工作。 面接触型二极管：面接触型二极管：PN 结的面积大，允许流过的电流大，结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。但只能在较低频率下工作。 平面型二极管：平面型二

12、极管：往往用于集成电路制造工艺中，往往用于集成电路制造工艺中，PNPN结面结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。积可大可小，用于高频整流和开关电路中。 按用途划分：按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。开关二极管、发光二极管、变容二极管等。按半导体材料分：按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。有硅二极管、锗二极管等。1.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性T ，正向特性曲线左移，室温，每升，正向特性曲线左移，室温，每升1oC，正向压降减小，正向压降减小22.5mV；反向特性曲线下移，每升高；反向特

13、性曲线下移，每升高10oC，反向电流增反向电流增1倍。倍。0iu正向特性正向特性U(BR)反向特反向特性性IS80oC 20oC1 1、正向特性、正向特性当正向电压比较小当正向电压比较小时，正向电流几乎时，正向电流几乎为零。为零。当正向电压超过开当正向电压超过开启电压时，正向电启电压时，正向电流才按指数规律明流才按指数规律明显增大。显增大。2 2、反向特性、反向特性反向电流反向电流IR值很小，值很小，反向电压足够大时，反向电压足够大时，反向电流为反向电流为IS。3 3、反向击穿特性、反向击穿特性反向电压超过反向电压超过U(BR)后，电流急剧增大。后，电流急剧增大。击穿后，二极管不击穿后，二极管

14、不再具有单向导电性。再具有单向导电性。死区电压死区电压: :硅管硅管0.5V0.5V锗管锗管0 0.1V.1V结论：结论：二极管具有二极管具有单向导电性单向导电性。加正向电压时导通，呈。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。极管属于非线性器件。二极管反向

15、击穿后，不再具有单向导电性。二极管反向击穿后，不再具有单向导电性。1.3.3 二极管的参数、型号及选择二极管的参数、型号及选择（1 1）最大整流电流）最大整流电流 I IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。电流。（2 2）反向击穿电压）反向击穿电压UBR ：管子反向击穿时的电压值。：管子反向击穿时的电压值。 UR UBR 21最高反向工作电压最高反向工作电压 UR ：工作时，允许外加的最：工作时，允许外加的最大反向电压。大反向电压。1、二极管的主要参数、二极管的主要参数（3 3）反向电流）反向电流 IR未击穿时的反向电流。未击穿时的反向电流

16、。IR 值愈小，二极管单向导电性愈好。值愈小，二极管单向导电性愈好。对温度敏感。对温度敏感。（4 4）最高工作频率）最高工作频率 fM上限频率。上限频率。fM 值主要决定于值主要决定于 PN 结结电容的大小。结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。2 A P 7用数字表示用数字表示序号序号用字母用字母表示器件的类型：表示器件的类型： P 代表普通管代表普通管用字母表示器件的材料如：用字母表示器件的材料如：A为为PNP型型Ge，B为为NPN型型Ge；C为为PNP型型Si，D为为NPN型型Si2为二极管，为二极管，3为三极管为三极管2、半

17、导体二极管的型号、半导体二极管的型号3、选择二极管的一般原则、选择二极管的一般原则（1）正向压降小：）正向压降小：锗管锗管 反向电流小：反向电流小：硅管硅管（2）工作电流大：）工作电流大：面接触型管面接触型管 工作频率高：工作频率高：点接触型管点接触型管（3）反向击穿电压高：）反向击穿电压高：硅管硅管（4）温度特性好或耐高温：）温度特性好或耐高温：硅管硅管4、二极管的检测、二极管的检测（1）判别正负极）判别正负极（2）二极管性能检测）二极管性能检测1、理想模型（理想二极管）、理想模型（理想二极管）正向短路正向短路 ，反向断路。，反向断路。1.3.4 二极管的分析方法二极管的分析方法（2）恒压降

18、模型）恒压降模型 正向导通前断路，导通后有恒定压降，正向导通前断路，导通后有恒定压降，内阻为内阻为0 ，反向断路，反向断路 。硅管：硅管：0.7V锗管：锗管：0.2V例例1.3.1 电路如图电路如图1.3.7(a)所示，二极管采用硅管，电阻所示，二极管采用硅管，电阻R1k，E3V(1)试分别用理想模型和恒压降模型求试分别用理想模型和恒压降模型求UR的值。的值。(2)当二极管当二极管VD反接，电路如图反接，电路如图1.3.7(b)所示，试分别用所示，试分别用两种模型求两种模型求UR的值。的值。1.3.7(a)1.3.7(b)例例1.3.2 电路如图电路如图1.3.9所示，其中所示，其中El7V，

19、E25V，E36V，设二极管的导通电压，设二极管的导通电压0.6V。分别估算开关。分别估算开关S在位在位置置1和位置和位置2的输出电压的输出电压Uo的值。的值。 开关开关S置于位置置于位置1时时 UO=E36V 开关开关S置于位置置于位置2 UO=E2+0.6(5+0.6)V=5.6V - +例例1电路如图所示，二极管的导通电压电路如图所示，二极管的导通电压UD约为约为0.7V。试分别。试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。估算开关断开和闭合时输出电压的数值。解：解：开关断开时：开关断开时：UOV1UD5.3V开关闭合时：开关闭合时：UOV212V例例2：D6V12V3k BAUAB+例例

20、3:BD16V12V3k AD2UAB+V sin18itu t t 求二极管所在电路输出电压或画输出波形：求二极管所在电路输出电压或画输出波形：1.3.5 二极管的应用二极管的应用1、整流电路、整流电路ui=10sint V2、二极管限幅电路、二极管限幅电路ui=10sint V3、在数字电路中的应用、在数字电路中的应用-10VRVD1uA uBVD2uY000111110110ABY0 表示表示0V，1 表示表示3V。1.4.1 稳压二极管稳压二极管稳压管稳压管工作于反向击穿区工作于反向击穿区。 iuO u稳压管符号：稳压管符号：稳压管伏安特性：稳压管伏安特性：+ i阳极阳极阴极阴极DzU

21、zIzIzM1.4 特殊二极管特殊二极管 稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：（1）稳定电压）稳定电压 UZ稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。当当 UZ 7 V 时，具有正温度系数，时，具有正温度系数，当当 UZ 4 V 时，时， 具有负温度系数，具有负温度系数，当当 4 V UZ 7 V 时，稳压管可以获得接近零的温度时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。稳压管电流不变时，环境温度每变化稳压管电流不变时，环境温度每变化 1 引起稳定引起稳定电压变化的百分比。电压变

22、化的百分比。 （2）电压温度系数）电压温度系数 U（5）最大耗散功率）最大耗散功率 PM不致产生热击穿的最大功率消耗。不致产生热击穿的最大功率消耗。 PM = UZ IZM（4）动态电阻）动态电阻 rZ（3）稳定电流）稳定电流 IZZZZIUr 正常工作的参考电流。正常工作的参考电流。rZ 愈小愈好。愈小愈好。对于对于同一个稳压管，工作电同一个稳压管，工作电流愈大，流愈大， rZ 值愈小。值愈小。注意注意:稳压二极管通常工作在稳压二极管通常工作在反向击穿区反向击穿区，使用时应串使用时应串入一个电阻，入一个电阻，电阻起限流作用，以保证稳压管正常工电阻起限流作用，以保证稳压管正常工作，此电阻被称作，此电阻被