大学电路讲义 第六章

1、电路与电子学基础电路与电子学基础第二部分第二部分模拟电子技术模拟电子技术模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号: 时间和数值上都是连续变化的物理量时间和数值上都是连续变化的物理量 vto正弦波信号vto三角波信号数字信号数字信号 数字信号数字信号: 时间和数值上都是离散的信号时间和数值上都是离散的信号 时间上离散时间上离散 - 信号只在时间信号只在时间 坐标的离散点上发生变化坐标的离散点上发生变化 数值上离散数值上离散 - 各离散点上的信号数值是量化的各离散点上的信号数值是量化的 （某个最小单位的整倍数）（某个最小单位的整倍数） 主要内容主要内容器件：器件：二极管、三极管、场效应管二极管、三极管、场

2、效应管器件的基本应用：器件的基本应用：基本放大电路、集成基本放大电路、集成运算放大器运算放大器稳压电源稳压电源第六章第六章 半导体器件基础半导体器件基础n半导体半导体的基本知识的基本知识n半导体二极管半导体二极管n双极型晶体管双极型晶体管n晶体管的主要参数晶体管的主要参数n场效应晶体管场效应晶体管6.1 半导体基础知识半导体基础知识一、一、 概念概念 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分导体、的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。绝缘体和半导体。1.1.电阻率电阻率：指长：指长1cm1cm，截面积，截面积1cm1cm2 2的物质的电阻值，单的物质的电阻值，单位是

3、位是 cm。2. 导体：导体：容易导电的物体（容易导电的物体（电阻率为10-6103 cm ）。如：铁、铜等）。如：铁、铜等3. 绝缘体绝缘体：几乎不导电的物体（：几乎不导电的物体（电阻率为1081020 cm ）。）。 如：橡胶等如：橡胶等4. 半导体半导体 半导体：半导体：是是导电性能介于导体和绝缘体之间的导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。物体。在一定条件下可导电。 半导体的电阻率为半导体的电阻率为1010-3-310109 9 cm。典型的半。典型的半导体有导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。半导体半导体特点：特点： 1) 在外界能源的作用

4、下，导电性能显著变在外界能源的作用下，导电性能显著变 化化。光敏元件、热敏元件属于此类。光敏元件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显掺入杂质，导电性能显 著增加著增加。二极管、三极管属于此类。二极管、三极管属于此类。二、本征半导体本征半导体1. 1. 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制造半制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为常称为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。电电子技术中用的最多的是子技术中用的最多的是硅硅和和锗锗。硅

5、硅和和锗锗都是都是4价元素，它们的外层电子都是价元素，它们的外层电子都是4个。其个。其简化原子结构模型如下图：简化原子结构模型如下图：锗硅电子外层电子受原子核的束缚外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定质的性质是由价电子决定的的 。三、三、杂质杂质半导体半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。(1) (

6、1) N型半导体型半导体(2) (2) P型半导体型半导体1. 1. N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成形成 N型半导体型半导体, ,也称也称电子型半导体电子型半导体。因五价杂质原因五价杂质原子中只有子中只有四个价电子四个价电子能与周围四个半导体原子中的价能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的电子形成共价键，而多余的一个价电子一个价电子因无共价键束因无共价键束缚而很容易形成自由电子。缚而很容易形成自由电子。自由电子 在在N型半导体中型半导体中自自由由电子是多数载流子电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子

7、提杂质原子提供供；另外，硅晶体另外，硅晶体由由于热激发于热激发会产生少量会产生少量的电子空穴对，所以的电子空穴对，所以空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。N型半导体结构型半导体结构 提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带单位正电荷而成为单位正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。N型半导体的结构示意图如下图所示。型半导体的结构示意图如下图所示。磷原子核自由电子所以，所以，N型半导体中的导电粒子有两种：型半导体中的导电粒子有两种： 自由电子自由电子多数载流子（由两部分组成）多数载流子（由两部分组成

8、） 空穴空穴少数载流子少数载流子2. P型半导型半导体体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了铟等形成了P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一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个价电子而在共价键中留下一个空穴留下一个空穴。当相邻共价键上。当相邻共价键上的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而产生新的空穴。产生新的空穴。空穴是其主要载流子空穴是其主要载流子。 P型半导体结构型半导体结构 在

9、在P型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子而成为一个带单位负电荷的而成为一个带单位负电荷的负离子，负离子，三价杂质三价杂质 因而也称因而也称为为受主杂质受主杂质。 而硅原子的共价键由于失去一个电子而形而硅原子的共价键由于失去一个电子而形成空穴。所以成空穴。所以P型半导体的结构示意图如图所示。型半导体的结构示意图如图所示。硼原子核空穴P型半导体中：型半导体中：空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。本节中的有关概念本节中的有关概念 本征半导体、杂质半导体本征半导体

10、、杂质半导体 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质四、四、PN结及其特性结及其特性 PN结的形成 PN结的单向导电性PN结的电容效应1. PN结的形成结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, ,分分别形成别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半导体型半导体和和P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: :因浓度差因浓度差多子扩散多子扩散形成空间电荷区形成空间电荷区促

11、使少子漂移促使少子漂移阻止多子扩散阻止多子扩散扩散到对方的载流子在P区和N区的交界处附近被相互中和掉，使P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的空间电荷空间电荷区（耗尽层）区（耗尽层）。由于P区一侧带负电，N区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向P区的内电场内电场PN结的形成结的形成 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形型半导体结合面，离子薄层形成的成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称多子，所以也称耗尽层耗尽层。由于

12、耗尽层的存在，。由于耗尽层的存在，PN结的结的电阻很大。电阻很大。 PN结的形成过程PN结的形成过程中结的形成过程中的两种运动：的两种运动： 多数载流子扩散多数载流子扩散 少数载流子飘移少数载流子飘移2. PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结具有单向导电性结具有单向导电性，若外加电压使电，若外加电压使电流从流从P区流到区流到N区，区， PN结呈低阻性，所以电结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使如果外加电压使PN结中：结中： P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向正向电压电压，简称，简称正偏正偏； P区的电位低于区

13、的电位低于N区的电位，称为加区的电位，称为加反向反向电压电压，简称简称反偏反偏。 3. PN结的伏安特性结的伏安特性 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：结论：PN结具有结具有单向导电性。单向导电性。VIFFOABC4. PN结的击穿特性结的击穿特性如图所示，当加在如图所示，当加在PN结上的反向电压增加到一定数结上的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然急剧增大，值时，反向电流突然急剧增

14、大，PN结产生电击穿结产生电击穿这就是这就是PN结的击穿特性。结的击穿特性。发生击穿时的反偏电压称为发生击穿时的反偏电压称为PN结的反向击穿电压结的反向击穿电压VBR。VIFFOVBRPN结被击穿后，结被击穿后，PN结上结上的压降高，电流大，功率大。当的压降高，电流大，功率大。当PN结上的功耗使结上的功耗使PN结发热，并结发热，并超过它的耗散功率时，超过它的耗散功率时，PN结将发结将发生生热击穿热击穿。这时。这时PN结的电流和温结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导度之间出现恶性循环，最终将导致致PN结烧毁。结烧毁。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可

15、逆可逆5 . PN结的电容效应结的电容效应PNPN结除了具有单向导电性外，还有一定的结除了具有单向导电性外，还有一定的电容效应。按产生电容的原因可分为：电容效应。按产生电容的原因可分为： 势垒电容势垒电容CB ， 扩散电容扩散电容CD 。PN结在反偏时主要考虑结在反偏时主要考虑势垒电容。势垒电容。PN结在正偏时主要考虑扩散结在正偏时主要考虑扩散电容。电容。一、半导体二极管的结构类型一、半导体二极管的结构类型 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面点接触型、面接触型和平面型型三大类。它们的结构示

16、意图如下图所示。三大类。它们的结构示意图如下图所示。(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等用于检波和变频等高频电路高频电路。点接触型二极管的结构示意图二极管的结构二极管的结构平面型(3) 平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造工往往用于集成电路制造工艺中。艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于于高频整流和开关电路高频整流和开关电路中。中。(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于于工频大电流整流电路工频大电流整流电路。面接触型二、半导体二极管的伏安特性曲线二、半导体二极管的伏安特性曲线 半

17、导体二半导体二极管的伏安极管的伏安特性曲线如特性曲线如图所示。处图所示。处于第一象限于第一象限的是正向伏的是正向伏安特性曲线安特性曲线，处于第三，处于第三象限的是反象限的是反向伏安特性向伏安特性曲线。曲线。 硅硅二极管的死区电压二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，左右， 锗锗二极管的死区电压二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。左右。 当当0VVth时，正向电流为零，时，正向电流为零，Vth称为死区电压称为死区电压或或开启电压开启电压。当当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当当VVth时，开始出现正向时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。电

18、流，并按指数规律增长。(1) 正向特性正向特性 当当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：两个区域： 当当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流反向饱和电流I IS S 。 当当VVBR时，反向时，反向电流急剧增加，电流急剧增加，VBR称为称为反向击穿电压反向击穿电压 。(2) 反向特性反向特性三、三、 半导体二极管的参数半导体二极管的参数 半导体二极管的参数包括最大整流电流半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向、反向击穿电压

19、击穿电压VBR、最大反向工作电压最大反向工作电压VRM、反向电流反向电流IR、最高工作频率最高工作频率fmax和结电容和结电容Cj等。几个主要的参数介等。几个主要的参数介绍如下：绍如下： (1) 最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。(2) 反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压VBR。 为安全计，在实际为安全计，在实际工作时，最大反向工作

20、电压工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。的一半计算。半导体二极管的参数半导体二极管的参数 (3) 反向电流反向电流I IR R : 在室温下，在规定的反向电压下，在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在级；锗二极管在微安微安( A)级。级。 (4) 正向压降正向压降VF：在规定的正向电流下，二极管在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在

21、中等电流水平下，约中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约；锗二极管约0.20.3V。(5) 最高工作频率最高工作频率fM：主要由主要由PN结的电容大小决结的电容大小决定。当工作频率超过定。当工作频率超过fM时，二极管的反向导电时，二极管的反向导电性将被破坏。性将被破坏。四、半导体二极管的温度特性四、半导体二极管的温度特性 温度对二极管的性能有较大的影响，温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加如硅二极管温度每增加88，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加1

22、212，反向电流大约增加一倍。，反向电流大约增加一倍。 另外，另外，温度升高时，温度升高时，二极管的正向压降将二极管的正向压降将减小减小，每增加，每增加11，正，正向压降向压降VF(VD)大约减小大约减小2 2mV，即具有负的温，即具有负的温度系数。这些可以从度系数。这些可以从所示二极管的伏安特所示二极管的伏安特性曲线上看出。性曲线上看出。五、半导体二极管的型号五、半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：二极管符号：+-D代表P型Si半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片六、六、 二极管电路及其分析方法二极管电路及其分

23、析方法 简单的二极管电路如图所示，由二极管、电阻和简单的二极管电路如图所示，由二极管、电阻和电压源组成，其分析方法一般有两种：电压源组成，其分析方法一般有两种： 图解法、模型法（等效电路法）。图解法、模型法（等效电路法）。DRVIAB+_VDIOVBRIS1. 1. 图解法图解法图示电路可分为图示电路可分为A、B两部分。两部分。DRVIAB+_VDA部分的电压与电流关系：部分的电压与电流关系：VD=V - IR B部分的电压与电流关系就是二极管的伏安特性。部分的电压与电流关系就是二极管的伏安特性。在二极管的伏安特性上画出在二极管的伏安特性上画出VD=V - IR ，如图所示：，如图所示：(V,

24、0)RV(0, )QIDVD最后得出二极管两端的电压最后得出二极管两端的电压VD和流过二极管的和流过二极管的电流电流I，如图所示。，如图所示。2. 2. 模型分析法模型分析法(1) 二极管的大信号模型：二极管的大信号模型：根据二极管伏安特性，可把它分成导通和截根据二极管伏安特性，可把它分成导通和截止两种状态。止两种状态。IDO0.7V如图所示，如图所示，VD0.7V 导通导通VD0.2V 导通导通这就是二极管的大这就是二极管的大信号模型。信号模型。硅管硅管锗管锗管大信号模型大信号模型所以二极管导通时，其上的电压和流过它的电流所以二极管导通时，其上的电压和流过它的电流可表示为：可表示为：一般硅二

25、极管正向导通压降为一般硅二极管正向导通压降为0.6V0.8V 锗二极管正向导通压降为锗二极管正向导通压降为0.1V0.3V以以0.7或或0.2计算将引入计算将引入10%的误差。但如果的误差。但如果V足够大，足够大，则则VD实际引入的误差并不大。实际引入的误差并不大。RVIVVD7.07.0硅管硅管RVIVVD2.02.0锗管锗管RVRVVID如果如果V 0.7V(0.3V):理想模型理想模型IDO0.7V理想二极管大信号模型0.7V小信号模型小信号模型(2) 二极管的小信号模型：二极管的小信号模型：从二极管伏安特性上看出，从二极管伏安特性上看出，二极管导通后，其电压变化量与二极管导通后，其电压

26、变化量与电流变化量之比近似于常数电流变化量之比近似于常数：此时的二极管相当于一个动态电此时的二极管相当于一个动态电阻，其阻值是正向特性曲线在工阻，其阻值是正向特性曲线在工作点上的斜率的倒数，如图所示。作点上的斜率的倒数，如图所示。dIdVIVDDDr=IDO0.7VdVdID七、二极管基本应用七、二极管基本应用1.利用伏安特性的非线性构成（限幅电路）利用伏安特性的非线性构成（限幅电路）例1：如图所示：D2D1R+_Vi+_VoD1D2vivo1.4Vvovi二极管基本应用二极管基本应用|vi |0.7V时，时， D1、D2中有一个导通，所以中有一个导通，所以vo =0.7VD1D2R+_+_例

27、例2：如图所示：如图所示：voviD2D10.7V-0.7Vvovi二极管基本应用二极管基本应用2. 利用单向导电性构成整流和开关电路利用单向导电性构成整流和开关电路不管输入信号处于正或负半周，负载上得到不管输入信号处于正或负半周，负载上得到的都是正向电压。的都是正向电压。全波整流电路全波整流电路：RLR1D1D2D3D4+_Vi+_Vovivo D3D4D2D1vivo二极管基本应用二极管基本应用Va、Vb有一个是低电平（有一个是低电平（0V）：）：VO为低电平为低电平Va、Vb均为高电平（均为高电平（5V）：）：VO为高电平为高电平所以所以 F=AB开关电路：开关电路：RD1D2VoVaV

28、bVa (A)Vb (B)VO (F)D1D25V6.3 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极应用在反向击穿区的特殊硅二极管管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图所示。向区、符号和典型应用电路如图所示。符号符号应用电路应用电路伏伏安安特特性性一、一、 稳压二极管参数稳压二极管参数 从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。极管的参数。 (1)

29、 稳定电压稳定电压VZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。 (2) 动态电阻动态电阻rZ 其概念与一般二极管的动态电其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ = VZ / IZ一、一、 稳压二极管参数稳压二极管参数(3)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ。温度的变化将使温度的变化将使VZ改改变，在稳压管中当变，在稳压管中当 VZ 7 V时，时，VZ具有正温度系数，具有正温度系数，反向击穿是反向击穿是雪崩击穿雪崩击穿。当。当 VZ 4 V时，时， VZ具有负温具有负温度系数，反向击穿是度系数，反向击穿是齐纳击齐纳击穿穿。当。当4 V VZ 7 V时，时，稳压管可以获得接近零的温稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。可以