第一章模拟电子技术基础

课堂要求：必须到课。以随机抽点方式考勤，3次以上不到者取消期末考试资格；作业必须按时、认真、独立完成。（必须抄题，用尺画图，否则返回重写），缺作业3次以上者取消期末考试资格；课堂听讲；实验为6次，任缺1次者取消考试资格；期末总成绩=期末卷面成绩×80%+平时成绩(10%)+实验成绩(10%)；其中平时成绩包括考勤、作业、课堂表现，实验成绩包括实验报告及实验操作等。双周三的上午交作业，作业交到逸夫馆104。Ch1半导体二极管及其基本电路Ch2双极性三极管及其放大电路Ch4功率放大电路Ch5集成运算放大器Ch6反馈放大电路Ch7集成运算放大器的线性应用和非线性应用Ch8信号产生电路Ch9小功率直流稳压电源模拟电子技术数字电子技术Ch10数字逻辑基础Ch11逻辑门电路基础Ch12组合逻辑电路Ch13触发器基础Ch14时序逻辑电路Ch15脉冲波形的产生与整形1.1半导体的基本知识1.2PN结1.3半导体二极管1.4半导体二极管的模型及应用1.5特殊二极管第一章半导体二极管及其基本电路1.1半导体基本知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。1.1.1本征半导体导电性能介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。什么是半导体？什么是本征半导体？典型的半导体有硅Si和锗Ge（元素半导体）以及砷化镓GaAs（化合物半导体）等。

导体——铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。

绝缘体——惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。

半导体——硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质稳定的结构本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1.1.1本征半导体什么是半导体？什么是本征半导体？1.本征半导体的共价键结构2.电子空穴对3.空穴的移动本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。1.1.1本征半导体4.半导体的特性1.本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。

图1.1硅原子空间排列及共价键结构平面示意图

(a)硅晶体空间排列(b)共价键结构平面示意图(c)它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。1.1.1本征半导体2.电子空穴对

当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。这一现象称为本征激发，也称热激发。

当半导体处于热力学温度0K时，半导体中没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体。1.1.1本征半导体游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。图1.2本征激发和复合的过程可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。1.1.1本征半导体3.载流子的移动只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。图1.3空穴在晶格中的移动自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。1.1.1本征半导体4.半导体的特性热敏特性——当环境温度升高时，载流子数目增加，导电能力增强；金属没有热敏特性。1.1.1本征半导体光敏特性——当光照射半导体时，载流子数目增加，导电能力增强；金属没有光敏特性。热敏特性和光敏特性使半导体可以用来制作热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。1.1.2杂质半导体1.N型半导体掺入的杂质主要是三价或五价元素。2.P型半导体3.杂质对半导体导电性能的影响4.杂质半导体的示意表示法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。1.N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体，也称电子型半导体。1.1.2杂质半导体自由电子多数载流子（多子），主要由杂质原子提供。空穴少数载流子（少子）,正离子施主杂质N型半导体主要靠自由电子导电，掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强。P多子由热激发形成。2.P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。1.1.2杂质半导体由热激发形成。空穴多数载流子（多子），主要由杂质原子提供。少数载流子（少子）,电子In多子负离子受主杂质P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。3.杂质对半导体导电性能的影响一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

ni=pi

=1.4×1010/cm32本征硅的原子浓度:

4.96×1022/cm3

1以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。4掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

ni=5×1016+1.4×1010≈5×1016/cm3比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。掺入百万分之一的杂质（1/106），即杂质浓度为1022×（1/106）=1016数量级：5×1016/cm331.1.2杂质半导体结论:

不论P型或N型半导体，掺杂浓度越大，多子数目就越多，多子浓度就越大，少子数目越少，其浓度也小。

在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂浓度，其值与温度几乎无关，而少子浓度也将随温度升高而显著增大，直到少子浓度增大与多子浓度相当（不绝对相等），杂质半导体又回复到类似的本征半导体。

掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且即使是少量掺杂，载流子都会有几个数量级的增加，表明其导电能力显著增大。1.2PN结1.PN结的形成2.PN结的单向导电性3.PN结的电流方程4.PN结的特性—伏安特性5.PN结的特性—温度特性6.PN结的特性—电容特性

物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。1.2PN结1.PN结的形成

因内电场作用所产生的运动称为漂移运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结（耗尽层），电位差为Uho，扩散电流和漂移电流大小相等，方向相反，所以对外电流为零。漂移运动

由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。1.2PN结1.PN结的形成由杂质离子形成空间电荷区

空间电荷区形成内电场促使少子漂移阻止多子扩散浓度差多子的扩散运动1.2PN结1.PN结的形成PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。1.2PN结2.PN结的单向导电性单向导电性PN结两端的外电压u与流过它的电流i之间的关系3.PN结的电流方程IS—反向饱和电流UT=kT/q—温度电压当量，k为玻耳曼常数T为热力学温度q为电子电荷量T=300K时，UT≈26mv1.2PN结A此时PN结导通，

u=0.7V,为导通电压U。4.PN结的特性—伏安特性1.2PN结BC（1）u>>UT，即PN结正向偏置，i随u的增加而呈指数上升。当u>0.7V后，i的曲线很陡直，基本不随u变化而变化。（2）当

u<0，即PN结反向偏置时,且当|u|>>UT时4.PN结的特性—伏安特性1.2PN结B（3）当u<0，且u

超过某一定值，如u<UBR时，i则反向剧增，这种现象就叫击穿。4.PN结的特性—伏安特性1.2PN结C雪崩击穿与齐纳击穿（1）U(on)随T↑而略↓，当温度进一步增大到极端，本征激发占主要地位，杂质半导体变得与本征半导体类似，PN结就不存在了。5.PN结的特性—温度特性1.2PN结因此，PN结正常工作的最高温度：

Si：150~200℃Ge：75~100℃正向区：温度升高，曲线左移（2）当温度T↑时，PN结两边的热平衡少子浓度相应增加，从而导致PN结的反向饱和电流IS增大。5.PN结的特性—温度特性1.2PN结正向区：温度升高，曲线左移反向区：温度升高，曲线下移实验结果表明：温度再升高10℃，IS约增加一倍。（1）势垒电容

PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。6.PN结的特性—电容特性1.2PN结可制成变容二极管（2）扩散电容

PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。6.PN结的特性—电容特性1.2PN结结电容

Cj=Cb+Cd正偏时以Cd为主,其值为几十～几百pF;反偏时以Cb为主,其值为几～几十pF.结电容对低频信号呈现很大的容抗，其作用可以忽略不计，只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用。

结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！1.3半导体二极管1.3.1二极管的结构1.3.2二极管的伏安特性1.3.3二极管的主要参数将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。点接触型：结面积小，结电容小故不能通过较大电流最高工作频率较高适用于高频电路和小功率整流面接触型：结面积大，结电容大故允许通过较大电流最高工作频率较低仅作为整流管平面型：结面积可小、可大小的工作频率高大的允许通过较大电流，用作大功率整流1.3.1二极管的结构半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片iDuD1.3.2二极管的伏安特性开启电压反向饱和电流击穿电压二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。iD/mAuD/ViD/mAuD/V

当0＜u＜Uon时，正向电流为零，Uon称为死区电压或开启电压。

当u＞Uon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。硅二极管的死区电压Uon=0.5V左右，

锗二极管的死区电压Uon=0.1V左右。

硅二极管的正向导通电压U=0.6~0.8V左右，

锗二极管的正向导通电压U=0.1~0.3V左右。

1.3.2二极管的伏安特性1.单向导电性（1）正向特性iD/mAuD/V

当u≥UBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。1.2.2二极管的伏安特性1.单向导电性（2）反向特性

当UBR＜u＜0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反向饱和电流IS。材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V0.1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µAiD/mAuD/V在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。

硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小，小于0.1μA；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大，约几十μA

。从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|≥7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|≤4V时,则主要是齐纳击穿。当在4V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。温度每升高1℃，正向电压减少2～2.5mV；1.3.2二极管的伏安特性2.温度对二极管伏安特性的影响正向区：温度升高，曲线左移反向区：温度升高，曲线下移温度每升高10℃，反向电流约增大一倍。+--+uIuRR-+IUD能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路。1.由伏安特性折线化得到的等效电路UIUR1.4半导体二极管的模型及应用理想模型恒压降模型理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0折线模型+--+uIuRR-+IUDUIUR1.4半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路D215VAOD1解：多个二极管，电压大的优先导通。D1导通，短路D2截止，断路UAO=0V试判断二极管是导通还是截止，设二极管是理想的。[例1]电路如图所示，并求出AO两端电压UAO,-15V0V××0V-12V×1.4半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路理想二极管＋－[例3]电路如图所示，设ui=6sinωtV，试绘出输出电压uo的波形，设D为理想二极管。+ui-3VRD1+uo-2VD2解：ui/V

ωto6ui

3VD1导通D2截止uo=3Vui-2VD1截止D2导通uo=-2Vui3V-2VD1截止D2截止uo=ui

uo/V

ωto33-2-2双向限幅1.4半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路(2)恒压降模型等效电路：[例3]二极管开关电路如图所示，VI1和VI2分别为0V和5V，求输出电压VO的值。设D为硅二极管，导通压降为0.7V。D16VD2VI1VI2VCCVO解：D1导通，D2截止，VO=0.7+VI1

=0.7V＋－0V5V×1.4半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路其电流i与u成线性关系，(3)折线模型设二极管正向电压u大于Uon后，等效电路：直线斜率为1/rD；反向截止时反向电流为零。1.4半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路uio＋－uiUonrDUon[例4]二极管开关电路如图所示，VI1和VI2分别为0V和5V，求输出电压VO的值。设D为硅二极管，开启电压Von=0.5V，电阻rD=300Ω。D16VD2VI1VI2VCCVO解：D1导通，D2截止，0.5V300Ω0VVOVO=6-0.54700+300300=0.83V+0.56V1.4半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路2.微变等效电路分析方法ui为正弦周期信号(小信号)，二极管的工作情况?RuRuDuiRuRuDuiVRuRuDV直流通路交流通路+--+uIuRR-+IUD1.4半导体二极管的模型及应用2.微变等效电路分析方法Q越高，rd越小。

当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流工程上要求|ΔU∣<5.2mV1.4半导体二极管的模型及应用1.V＝2V、5V、10V时二极管中的直流电流各为多少？2.若输入电压的有效值为5mV，则上述各种情况下二极管中的交流电流各为多少？QIDV＝5V时，V=10V时，uD=V-iR2.微变等效电路分析方法1.4半导体二极管的模型及应用V＝2V时，V＝2V，ID=6.5mAV＝5V，ID=21.5mAV＝10V，ID≈50mA在伏安特性上，Q点越高，二极管的动态电阻越小！2.微变等效电路分析方法1.4半导体二极管的模型及应用1.5特殊二极管1.5.1稳压二极管1.5.2光电二极管1.5.3发光二极管＋－ui

稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。1.5.1稳压二极管1.稳压管的伏安特性D1表示稳压管加正向电压及虽加反向电压，但未击穿的情况。D2、UZ、rd串联支路表示击穿后的等效电路。进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流2.稳压二极管的主要参数

(1)稳定电压UZ——

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向击穿电压。1.5.1稳压二极管

(2)稳定工作电流IZ(IZmin)——稳压管工作在稳压状态时的参考电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。超过Iz