模拟电子技术

01晶体二极管及其基本电路1.0半导体器件的种类及发展1.1半导体物理基础知识1.2PN结1.3半导体二极管1.4基本要求DiodeandDiodeCircuits

1.0半导体器件的种类及发展１、种类：

二极管、三极管、场效应管、集成电路（IC）[IntegratedCircuit]２、发展：电子器件的更新换代推动电子技术的发展，其中电子学发展史上三个重要里程碑：1)1906年电子管发明（进入电子时代）2)1948年晶体管问世（半导体器件）3)60年代集成电路出现(进入信息时代)目前，贝尔实验室正研制超小体积和超低功耗的第四代半导体器件，它的问世将掀起电子技术新革命:1．第一代电子器件——电子管

1906年，福雷斯特（LeeDeFordst）等发明，可实现整流、稳压、检波、放大、振荡等多种功能电路。电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。3．第三代电子器件——集成电路(IC)

1958年，基尔白等设想将管子、元件和线路集成封装在一起，三年后，集成电路实现了商品化。IC按集成度分:(1)小规模IC（SSI）＜102

(2)中规模IC（MSI）＜103(3)大规模IC（LSI）＜105

(4)超大规模IC(VLSI)＞105微机电系统(MicroElectroMechanicalSystems，MEMS)外形尺寸在毫米量级，组成元器件尺寸在纳米、微米量级将信号探测、处理、控制和执行各子系统集成于一体的可运作微型机电装置。例：德国工程师制成黄蜂大小的能升空的直升飞机应用：军事（小型间谍飞机）单芯片系统(systemonchip)一片单芯片系统＝一颗卫星微型计算机（嵌入衣服、皮包中）微型手机（耳机大小，一年充电一次）1.1半导体物理基础知识半导体（Semiconductor）定义特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等）典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等Ge二极管GaAs-AlGaAs谐振腔发光二极管

(1）共价键(covalentbond)结构空间排列有序的晶体(crystal)

以硅原子(Si)为例：

(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图

电子空穴对：载流子（Carrier)本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!

（2）电子空穴对(Electron–HolePair)

本征激发（热激发）电子(-)空穴(+)复合(recombination)相邻电子过来填补空穴本征激发自由电子空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴的自由移动

(3)空穴的移动(导电）？相邻共价键中的价电子反向依次填补空穴

Bondedelectron(1)N型半导体(n-typesemiconductor)(2)P型半导体(p-typesemiconductor)(3)杂质对半导体导电性的影响1.1.2杂质半导体(Extrinsic

Semiconductor)

(1）N型半导体（电子型半导体）施主杂质(Donorimpurities)正离子通过少量掺入五价杂质元素（如：磷），极大增加电子的数目。多数载流子：电子（主要由杂质原子提供）少数载流子：空穴（

由热激发形成）通过少量掺入三价杂质元素（如：硼、镓和铟等），极大增加空穴的数目。

(2）P型半导体（空穴型半导体）受主杂质(Acceptorimpurities)负离子多子：空穴（主要由杂质原子提供）少子：电子（

由热激发形成）1.1.3半导体中的电流(CurrentsinSemiconductor)空穴自由电子N型半导体电场方向漂移电流自由电子浓度分布空穴浓度分布扩散电流1.2PN结(The

PNJunction)1.2.1形成1.2.2实质1.2.4电容效应1.2.3单向导电性1.2.1形成两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结两种运动：扩散Diffusion漂移Drift（浓度差）（电场力）1.2.2实质PN结=空间电荷区(Spacechargeregion)=耗尽层(Depletionlayer)=内电场(built-inpotentialbarrier)(barrier:势垒）=非线性电阻不对称PN结1.2.3

单向导电性单向导电性：PN结正偏时导通（大电流），

PN结反偏时截止（小电流）。加上电压=偏置(bias)正偏：UP>UN反偏：UP<UN

(1)PN结正偏(UP>UN)时外加的正向电压削弱了内电场。——导通PN结呈现低阻性,IF大

（F_Forward）

(3)PN结电流方程

在T=300K(室温)时，UT=26mV。这是一个今后常用的参数。理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为:式中，IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。ui0TT－UBR图1–11PN结的伏安特性

(4)PN结温度特性

为了保证PN结正常工作，必须对其最高工作温度进行限制。PN结特性对温度变化很敏感温度升高，正向特性左移反向特性下移ui0TT－UBR图1–11PN结的伏安特性

PN结单向导电特性PN结伏安特性1.3半导体二极管(Diode)1.3.1结构类型和符号1.3.2伏安特性1.3.3主要参数1.3.4基本要求1.3.5典型应用1.4特殊二极管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1.3.1结构类型和符号二极管=PN结+引线+管壳。类型：点接触型、面接触型和平面型(1)点接触型—(a)点接触型一、结构类型(c)平面型(3)平面型—(2)面接触型—(b)面接触型二、符号旧符号新符号阳极(Anode)阴极(Cathode)标记D1D2Diode1.3.2伏安特性IS:反向饱和电流VT=kT/q:温度的电压当量室温（T=300K）下，UT=26mV一、理想二极管方程

理想二极管伏安特性曲线？定性——单向导电性非线性器件！实际D与理想D两点区别：二、实际二极管伏安特性1)正向(V>0)存在死区电压硅：VD(on)=0.5V锗：VD(on)=0.1V

阈限

2)反向(V<0)存在击穿电压

VBR(Breakdown)

雪崩击穿Avalanche齐纳击穿Zener

（均可逆)理想实际1.3.3主要参数

(1)（静态）直流电阻RD(2)（动态）交流电阻rdUD

ID

Q1iuiuQ2二极管两端所加直流电压UD与流过它的直流电流ID之比：rd≈室温下T=300K≈u/i

二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比：其他主要参数

(1)IF——最大整流电流(2)VRM——最大反向工作电压

(3)IR——

反向电流硅(nA)级；锗(A)级(4)fM——最高工作频率1.3.4特殊二极管一、稳压二极管（一）工作条件：（反向击穿区）

反偏电压+限流电阻符号问题：正偏特性？（二）主要参数

(1)VZ——稳定电压

(2)IZ——稳定工作电流IZmin~IZmax

(3)PZM

——最大耗散功率取决于PN结的面积和散热等条件，超过则热击穿

PZM=VZIZmax（三)稳压管电路设计当Ui

=Uimin,RL

=RLmin时，IZ最小：当Ui=Uimax,RL=RLmax时，IZ最大：UiRL限流电阻的取值范围为：

考虑Ui在（Uimin，Uimax）内IL在（ILmin，ILmax）内确定限流电阻R的取值范围

利用金属和N型半导体接触面的势垒特性制成，常用于高频或开关状态应用。三、肖特基二极管二、变容二极管利用势垒电容随反向电压增加而减小的特性制成，常用于高频电子线路。图A图BN型半导体(a)金属(b)++++++++++++图B发射相干单色光的特殊发光二极管。主要用于小功率光电设备，如光驱、激光打印头等。六、激光二极管将电信号转换为光信号的器件，常用于显示，或做光纤传输中的光发射端。五、发光二极管（LED）四、光电二极管将光信号转换为电信号的器件，常用于光的测量。图A触敏屏(light-emittingdiode)1.3.5典型应用与分析方法二极管典型应用：（1）整流（2）限幅（3）逻辑（二极管逻辑）（4）显示器稳压二极管典型应用：稳压二极管电路分析方法？二极管电路分析方法——等效模型法（线性化）一、二极管整流电路Vui＋－uo＋－RLtui0tuo0tui0uto0二、二极管限幅电路Vui＋－uo＋－RE2Vtui/V05­5tuo/V0­52.7VE2VV1ui＋－uo＋－RV2tui/V05­5tuo/V0­10.7－0.712V2VＶｉ＞－２ＶD导通：Vo=－２ＶＶｉ＜－２ＶD截止：Ｖｏ＝ＶｉＶｉ＞２ＶＤ导通：Ｖｏ＝－２Ｖ＋ＶｉＶｉ＜２ＶＤ截止：Ｖｏ＝０Ｖ－２ＶＶｉ＞－２ＶＤ导通：Ｖｏ＝Ｖｉ＋２ＶＶｉ＜－２ＶＤ截止：Ｖｏ＝０ＶVO－２ＶＶｉ＞－２ＶＤ导通：Ｖｏ＝ＶｉＶｉ＜－２ＶＤ截止：Ｖｏ＝－２ＶＶｉ＞３Ｖ时Ｄ１通，Ｄ２止Ｖｏ＝３ＶＶｉ＜－２Ｖ时Ｄ１止，Ｄ２通Ｖｏ＝－２Ｖ－２Ｖ＜Ｖｉ＜３Ｖ时Ｄ１止，Ｄ２通Ｖｏ＝Ｖｉ３Ｖ－２ＶVO三、二极管电平选择电路V1u1＋－uoV2ERu2u1/V3tt00u2/V3tuo/V3.700.7四、稳压二极管电路