广东海洋大学 电路与电子学 上课课件 第4章1

模拟电子技术基础东北大学信息科学与工程学院NortheasternUniversity1.本课程的性质2.特点3.研究内容4.教学目标5.学习方法

前言6.成绩评定

实验：20%平时：10%考试：70%7.教材

前言电路与电子学(第二版)刘淑英、蔡胜乐、王文辉主编电子工业出版社20028.参考书

童诗白主编，《模拟电子技术基础》第三版，高教出版社

前言一些基本概念在电子技术中，被传递、加工和处理的信号可以分为两大类：模拟信号和数字信号模拟信号：在时间上和幅度上都是连续变化的信号，称为模拟信号，例如正弦波信号、心电信号等。数字信号：在时间和幅度上均不连续的信号。一些基本概念模拟电路：工作信号为模拟信号的电子电路。数字电路：工作信号为数字信号的电子电路。主要内容半导体二极管和三极管放大电路基础

功率放大电路集成运算放大器负反馈放大电路信号的运算、处理及波形发生电路直流电源第4章半导体二极管和三极管

内容主要有：半导体的导电性能PN结的形成及单向导电性半导体器件的结构、工作原理、工作特性、参数半导体器件主要包括：半导体二极管（包括稳压管）三极管和场效应管4.1PN结

1.半导体⑴半导体的物理特性物质根据其导电性能分为

导体：导电能力良好的物质。绝缘体：导电能力很差的物质。半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。⑴半导体的物理特性半导体的导电能力具有独特的性质。①温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加；②在纯净半导体材料中加入微量的“杂质”元素，它的电导率就会成千上万倍地增长；③纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。半导体为什么具有以上的导电性质？⑵半导体的晶体结构

原子的组成：带正电的原子核若干个围绕原子核运动的带负电的电子且整个原子呈电中性。半导体器件的材料：硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外层有4个电子。锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序数是32，外层也是4个电子。

简化原子结构模型如图4-1(a)的简化形式。+4惯性核价电子图4-1(a)硅和锗的简化原子模型⑵半导体的晶体结构单晶半导体结构特点共价键:由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系。图4-1(b)是晶体共价键结构的平面示意图。⑵半导体的晶体结构

图4-1(b)晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键⑵半导体的晶体结构

2.半导体的导电原理

⑴本征半导体（IntrinsicSemiconductor）

纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半导体。物质导电能力的大小取决于其中能参与导电的粒子—载流子的多少。⑴本征半导体本征半导体在绝对零度（T=0K相当于T=－273℃）时，相当于绝缘体。在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力。

半导体中的载流子自由电子空穴（Hole）

空穴和自由电子同时参加导电，是半导体的重要特点价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时，在原来的共价键位置上留下了一个空位，这个空位叫做空穴。空穴带正电荷。⑴本征半导体在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对。半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫做本征激发（IntrinsicExcitation）。产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。空穴是载流子吗？⑴本征半导体动画空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。图4-1(b)晶体共价键结构平面示意图BA空穴自由电子图4-1(b)晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共价键⑴本征半导体由于空穴带正电荷，且可以在原子间移动，因此，空穴是一种载流子。半导体中有两种载流子：自由电子载流子（简称电子）和空穴载流子（简称空穴），它们均可在电场作用下形成电流。⑴本征半导体半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？实验表明，在一定的温度下，电子浓度和空穴浓度都保持一个定值。半导体中存在载流子的产生过程载流子的复合过程⑴本征半导体综上所述：(1)半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，电子带负电，空穴带正电。(2)本征半导体中，电子和空穴总是成对地产生，ni

=pi。(3)半导体中，同时存在载流子的产生和复合过程。⑵杂质半导体本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。掺入的微量元素——“杂质”。掺入了“杂质”的半导体称为“杂质”半导体。常用的杂质元素三价的硼、铝、铟、镓五价的砷、磷、锑通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成各种各样的半导体器件。

杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。⑵杂质半导体①N型半导体在本征半导体中加入微量的五价元素，可使半导体中自由电子浓度大为增加，形成N型半导体。掺入的五价杂质原子占据晶格中某些硅（或锗）原子的位置。如图4-2所示。图4-2N型半导体晶体结构示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键掺入五价原子①N型半导体掺入五价原子占据Si原子位置在室温下就可以激发成自由电子杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对。自由电子的数目高，故导电能力显著提高。把这种半导体称为N型半导体，其中的电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。在N型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴数之和，自由电子带负电，空穴和正离子带正电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。

①N型半导体②P型半导体在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半导体中的空穴浓度大为增加，形成P型半导体。空位A图4-3P型半导体晶体结构示意图+4+4+4+4+4+3+4+4+4共价键空位吸引邻近原子的价电子填充，从而留下一个空穴。在P型半导体中，空穴数等于负离子数与自由电子数之和，空穴带正电，负离子和自由电子带负电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。综上所述：(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。(3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。⑶载流子的漂移运动和扩散运动①漂移运动（DriftMovement）

有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运动，称为漂移运动。漂移运动产生的电流称为漂移电流。②扩散运动由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动（DiffusionMovement），载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。扩散是由浓度差引起的，所以扩散电流的大小与载流子的浓度梯度成正比。3.PN结的形成

PN结：是指在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区。PN结是构成多种半导体器件的基础。

二极管的核心是一个PN结；三极管中包含了两个PN结。浓度差引起载流子的扩散。3.PN结的形成扩散的结果形成自建电场。空间电荷区也称作“耗尽区”

“势垒区”

自建电场阻止扩散，加强漂移。动态平衡。扩散=漂移3.PN结的形成

动画4.PN结的特性

⑴PN结的单向导电性

①PN结外加正向电压如图所示，电源的正极接P区，负极接N区，这种接法叫做PN结加正向电压或正向偏置。动画①PN结外加正向电压PN结外加正向电压时（P正、N负），空间电荷区变窄。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。

②PN结外加反向电压如图所示，电源的正极接N区，负极接P区，这种接法叫做PN结加反向电压或反向偏置。②

PN结外加反向电压

流过PN结的电流主要是少子的漂移决定的，称为PN结的反向电流。PN结的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关。PN结表现为很大的电阻，称之截止。PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，自建电场增强，多子的扩散电流近似为零。反向电流很小，它由少数载流子形成，与少子浓度成正比。少子的值与外加电压无关，因此反向电流的大小与反向电压大小基本无关，故称为反向饱和电流。温度升高时，少子值迅速增大，所以PN结的反向电流受温度影响很大。②PN结外加反向电压

结论：PN结的单向导电性：PN结加正向电压产生大的正向电流，PN结导电。PN结加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零，PN结不导电。⑵PN结的伏安特性定量描绘PN结两端电压和流过结的电流的关系的曲线——PN结的伏安特性。根据理论分析，PN结的伏安特性方程为外加电压流过PN结的电流电子电荷量q=1.6×10-19C反向饱和电流绝对温度(K)玻耳兹曼常数k=1.38×10-23J/K自然对数的底⑵

PN结的伏安特性

令

在常温下，T=300K，

则当U大于UT数倍即正向电流随正向电压的增加以指数规律迅速增大。⑵

PN结的伏安特性

外加反向电压时，U为负值，当|U|比UT大几倍时，

I≈IS即加反向电压时，PN结只流过很小的反向饱和电流。⑵

PN结的伏安特性

曲线OD段表示PN结正向偏置时的伏安特性，称为正向特性；曲线OB段表示PN结反向偏置时的伏安特性，称为反向特性。U（mV）I（mA）0图4-5PN结的理论伏安特性DT=25℃B-IS（V）0.255075100(uA)0.511.52画出PN结的理论伏安特性曲线。⑶PN结的反向击穿加大PN结的反向电压到某一值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结击穿，发生击穿所需的电压称为击穿电压，如图所示。

反向击穿的特点：反向电压增加很小，反向电流却急剧增加。UBRU（V）I（mA）0图4-6PN结反向击穿①雪崩击穿由倍增效应引起的击穿。当PN结外加的反向电压增加到一定数值时，空间电荷数目较多，自建电场很强，使流过PN结的少子漂移速度加快，可获得足够大的动能，它们与PN结中的中性原子碰撞时，能把价电子从共价建中碰撞出来，产生新的电子空穴对。雪崩击穿通常发生在掺杂浓度较低的PN结中。②齐纳击穿强电场破坏共价健引起的。齐纳击穿通常发生在掺杂浓度较高的PN结中。雪崩击穿和齐纳击穿均为电击穿。⑷PN结的电容效应除了单向导电性之外，PN结还存在电容效应。①势垒电容CB多子的充放电引起的。是指外加电压的变化导致空间电荷区存储电荷的变化，从而显示出电容效应。几皮法~几百皮法。②扩散电容CD多子的积累引起的。是指PN结两侧积累的非平衡载流子数量随外加电压改变所产生的电容效应。⑷

PN结的电容效应PN结的电容很小，是针对高频交流小信号而考虑。PN结反向工作时，势垒电容起主要作用，正向工作时扩散电容起主要作用。PN结的面积增大时，PN结的电容也增大。4.2半导体二极管1.半导体二极管的结构和类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型

二极管的结构示意图1.半导体二极管的结构和类型PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型往往用于集成电路制造中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

(3)平面型二极管

(2)面接触型二极管(4)二极管的代表符号(b)面接触型阳极阴极半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片2.二极管的伏安特性

二极管的伏安特性的测出。VmAVDRRW（a）测正向特性VmAVDRRW（b）测反向特性2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示(a)二极管理论伏安特性CDoBAUBRuDiD（b）2CP10-20的伏安特性曲线iD（mA）uD（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）75℃20℃（c）2AP15的伏安特性曲线iD（mA）uD（V）00.4-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.8①正向特性死区电压：硅管0.5V锗管0.1V线性区：硅管0.6V～1V锗管0.2V～0.5V对温度变化敏感：温度升高→正向特性曲线左移温度每升高1℃→正向压降减小约2mV。2.二极管的伏安特性(a)二极管理论伏安特性正向特性CDoBAUBRuDiD2.二极管的伏安特性②反向特性反向电流：很小。硅管0.1微安锗管几十个微安受温度影响大：温度每升高10℃→反向电流增加约1倍。③反向击穿特性反向击穿UBR:几十伏以上。(a)二极管理论伏安特性反向击穿特性CDoBAUBRuDiD反向特性3.二极管的主要参数最大整流电流IF最大反向工作电压UR

反向电流IR最高工作频率fM4.二极管的等效电路及应用

二极管特性曲线的非线性，给二极管电路的分析带来一定困难。为了简化分析，常常要做一些近似处理，可用某些线性电路元件来等效二极管，画出二极管的等效电路。最常用的近似方法有二种。⑴理想二极管等效电路uDiDoDK理想二极管等效电路如果二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的电压，二极管截止时的反向电流远远小于与之并联的电流，则可以忽略二极管的正向压降和反向电流，把二极管理想化为一个开关，如图所示。⑵考虑正向压降的等效电路在二极管充分导通且工作电流不是很大时，二极管的正向压降UD变化不大（例如硅管约为0.6~0.8V），因此近似认为二极管正向导通时有一个固定的管压降UD（硅管取0.7V，锗管取0.2V），于是可用一固定电压源来等效正向导通的二极管。当外加电压U<UD时，二极管不通，电流为零，相当于开路。图中画出了这种近似等效电路。

uDiDoDUD⑵考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路KUD⑶二极管电路的分析方法二极管电路有两种基本分析方法。图解法，其做法为：利用二极管伏安特性曲线，用做负载线的方法来分析电路。计算分析法，其做法为：根据不同的条件利用二极管的等效电路来近似分析和计算电路。这种方法简便易行，误差较小，是常用的分析方法。下面将结合例子来说明各种分析方法。由于二极管具有单向导电性，因此利用它可以进行交流电到直流电的转换。这样的电路叫整流电路(RectifierCircuits)。图(a)就是一个实用的单相桥式全波整流电路，常应用于直流稳压电源中。四个二极管Dl~D4接成电桥形式。设交流电源u为：

u

π2π3π4πtwouo+_u+_RLD4D2D1D3ioAB（a）⑶二极管电路的分析方法动画在一般整流电路中，交流电压幅值Um都要远远大于二极管的正向压降UD，因此常近似为UD

=0，可以用理想二极管等效电路来分析电路的工作原理。当交流电源u>0时，二极管Dl、D3导通，相当于开关闭合；D2、D4截止，相当于开关断开，如图(b)所示。因此输出电压uO=u。uo+_u+_RLD4D2D1D3ioAB（a）uuo+_RLD4D2D1D3ioAB（b）+-⑶二极管电路的分析方法当u<0时，二极管D2、D4导通，Dl、D3截止，如图(c)所示。因此uO=-u。uo+_u+_RLD4D2D1D3ioAB（a）uou+_RLD4D2D1D3ioAB（c）+-⑶二极管电路的分析方法这样无论在交流电源u的正半周还是负半周，负载RL两端的输出电压uO始终是上正下负；RL电阻中的输出电流iO始终是由A点流向B点。对应于交流电源u的波形可以画出uO，iO及二极管中的电流iD的波形如图(d)所示。

u

π2π3π4πtwo

uo（io）

π2π3π4πtwo

iD

π2π3π4πtwo

iD1iD3

iD2iD4

（d）⑶二极管电路的分析方法那么桥式全波整流输出电压uO的平均值UO（即直流成分）为：

式中U为交流电源u的有效值。负载电阻RL中流过的电流iO的平均值IO为⑶二极管电路的分析方法从前图中显见每个二极管都只在交流电源的半个周期内导通，所以流过每个二极管的平均电流ID均为IO的一半。即从图

(b)、(c)中可见，每个二极管在截止时，它的两端承受的最大反向电压就是交流电源电压u的峰值。记为⑶二极管电路的分析方法那么，设计选择二极管时必须满足下列条件：如果要精确考虑二极管的正向压降及导通时的正向电阻、截止时的反向电阻的影响，那么图

(d)中的波形还要进行修正。⑶二极管电路的分析方法图(a)是一个二极管组成的限幅电路(ClippingCircuit)。这种电路常用于有选择地传输信号波形的一部分，所传输的波形部分处在电路设定的参考电压以上或以下。DURRuou++––（a）⑶二极管电路的分析方法uo电路中u为交流正弦电压信号。UR为直流参考电压源。D为普通二极管。现在用考虑正向压降的二极管等效电路来分析电路的工作情况。若D为硅管，则正向导通压降UD=0.7V。从而得到图(b)的等效电路。DURRuou++––（a）kURRuou++––（b）UD⑶二极管电路的分析方法从图(b)的等效电路可见，当u>0且u>UR+UD时，二极管D导通，开关闭合，输出电压UO=UR十UD。当u<UR+UD时，二极管D截止，开关断开，输出电压uO=u。kURRuou++––（b）UD⑶二极管电路的分析方法画出uO的波形。电路将输出电压限制在UR+UD以下，可以采用理想二极管等效电路来进行分析，那么uO的波形将近似在UR电压以上削顶。kURRuou++––（b）UDuo（c）UR+UD⑶二极管电路的分析方法5.稳压二极管稳压二极管亦称齐纳二极管(ZenerDiodes)，与一般二极管不同之处是它正常工作在PN结的反向击穿区。因其具有稳定电压作用，故称为稳压管（VoltageRegulators）。

稳压管的符号和特性曲线如图所示。5.稳压二极管它的伏安特性与二极管基本相同，只是稳压管正常工作时是利用特性曲线的反向击穿区。电流改变而电压基本不变的特性称为稳压特性，稳压管就是利用这一特性工作的。UIOUZIZUZIZIZM（b）阴极阳极（a）稳压管的主要参数：

稳定电压UZUZ是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值。例如稳压管2CWl的稳定电压是7~8.5V。由于工艺上的困难，同一型号的管子，稳定电压值有一定的分散性，就是说，同样都是2CWl型的管子，一个稳定电压是7V，而另一个却可能是8.5V。5.稳压二极管动态电阻rZrZ是稳压管在稳定工作范围内管子两端电压的变化量与相应电流变化量之比即rZ越小，表示稳压作用越好。一个稳压管rZ的大小与工作电流有关，工作电流越大，rZ越小。5.稳压二极管如图是2CWl的rZ随工作电流变化的曲线。由图可见，当I=2mA时，rZ=4.5Ω；I=5mA时，rZ

=2.2Ω；I>5mA时，rZ继续下降，但变化不很明显。I(mA)04812164812rZ(Ω)2CW1稳压管rZ—I曲线5.稳压二极管稳定电流IZ稳定电流IZ是稳压管工作时的参考电流数值，手册上给出的稳定电压和动态电阻都是指在这个电流下的值。工作电流若小于稳定电流IZ，则rZ增大，稳压性能较差；工作电流若大于稳定电流，rZ减小，稳压性能较好，但是要注意管子的功率损耗不要超出允许值。

5.稳压二极管额定功耗PZMPZM是由管子允许温升限定的最大功率损耗。如果已知管子的稳定电压值，那么额定功耗除以稳定电压就是该稳压管允许的最大稳定电流IZM=PZM/UZ。超过这个电流使用，就可能损坏管子。例如2CWl的额定功耗PZM=280mW，UZ

=8.5V，则最大稳定电流IZM=280/8.5≈33mA。5.稳压二极管电压温度系数温度变化1℃时，稳定电压变化的百分数，定义为电压温度系数。它是表示稳压管温度稳定性的参数。例如2CWl的电压温度系数是0.07%/℃，假设20℃时稳定电压UZ=8V，那么50℃时稳压值将为5.稳压二极管电压温度系数越小，温度稳定性越好。通常，稳定电压UZ低于4V的管子，温度系数是负的（齐纳击穿），高于6V的管子，温度系数是正的（雪崩击穿），而稳定电压在4V~6V左右的管子，温度系数最小，接近于零。所以，要求温度稳定性较高的场合常选用6V左右的管子。

5.稳压二极管为了制造温度系数小的管子，可采取温度补偿措施。例如2DW7系列的稳压管就是这种管子，它是由二个稳压值相同的管子反向串联起来的，如图所示。123具有温度补偿的稳压管图工作时一个管子处于正向，有负温度系数，另一个管子处于反向，有正温度系数，二者互相补偿，将1、2两端的电压温度系数减到很小的程度。5.稳压二极管稳压管的应用电路为了限制稳压管击穿以后的电流，使用时必须在电路中串联电阻如图所示。RzUzDzI+-U+-稳压管电路5.稳压二极管U<UZ时，稳压管未击穿，电路不通。U>UZ时，稳压管击穿必须适当选择R值，使得I<IZM。R称为限流电阻。

RzUzDzI+-U+-稳压管电路5.稳压二极管在不需考虑稳压管的电压变化量的情况下，可以采用图(a)所示的近似特性曲线（粗实线）和图(b)稳压管电路等效电路。uiOUZ（a）KUZ（b）5.稳压二极管在只考虑稳压管击穿稳压时，电压的变化量△U，与电流变化量地之间关系时，可以采用图(c)所示的微变等效电路，即用动态电阻rZ来等效稳压管，从而分析变化量之间的关系。