模拟电子技术第1章

产生较小的反向电流 I反
PN 结反向截止
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总结：
综上所述，PN结外加正向电压时，外电场削弱内 电场，多子扩散占主导地位，正向电流较大，并随外加 电压的变化有显著变化；PN结外加反向电压时，外电场 加强内电场，少子漂移占主导地位，反向电流极小，且 不随外加电压变化。因此，PN结具有单向导电性。 简单地说，PN结单向导电性就是PN结的正向电阻 很小，反向电阻很大。
金属触丝 N型锗片 阳极引线 阴极引线 外壳
( a )点接触型
（2）面接触型：结面积较大，可以通过较大电流。 但是结电容较大，只能在较低频率下工作。 （3）平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，结 面积大允许通过的电流大。
铝合金小球 N型硅 阳极引线 PN结 金锑合金 阳极引线
二氧化硅保护层
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PN结外加反向电压的情况
P 空间电荷区 + + + + + + + +
漂移运动>扩散运动
N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
IR
内电场 U
+
U0+U
E PN结外加反向电压
R
外加反向电压使PN结截止
PN 结反偏 外电场与内电场方向相同 漂移 > 扩散 PN 结变厚 有利于漂移进行 外部电源不断提供电荷
第1章 常用半导体器件
1.1 PN结极其特性
1.2 半导体二极管
1.3 晶体管 1.4 场效应管
内容概述

常用的半导体器件 二极管、晶体管和场效应管 讨论二极管、晶体管和场效应管的电路符号、 工作原理、特性曲线和主要参数等。

1.1 PN结的形成及特性
1.1.1 半导体物理的基本知识
半导体： 指导电性能介于导体和绝缘体之间的物质 导体 电阻率ρ （Ωcm） 10-6~10-4 半导体 10-2~109 绝缘体 1010~1020
2、 杂质半导体


P型半导体 ---掺入少量的3价元素（如 硼、铟），即形成P型半导 体。 受主杂质：3价杂质原子能 够接纳电子，称为受主杂质。 P型半导体（空穴型半导体） 空穴--多数载流子 自由电子--少数载流子
+4 空穴
+4
+4 空穴
+4
+3
+4
受主杂质 +4 +4 +4
P型半导体原子结构示意图
i
UBR

IS 0 u


PN结的伏安特性
4、 温度对PN结特性的影响
PN结的特性对温度的变化特别敏感； 当温度升高时，正向曲线向左移，反向曲 线向下移； 温度每升高1℃，正向压降减小2-2.5mV； 温度每升高10℃，反向饱和电流Is增大约 一倍。

5、 PN结的电容效应

势垒电容
u
二极管的交流电阻
二极管的等效模型

i
理想二极管等效电路
在大信号工作时，二 极管的非线性主要表现为 单向导电性。二极管反向 偏置时可近似认为电流为 零，正向偏置时，可近似 认为正向压降为零。
0
u
理想二极管等效电路
二极管的等效模型

i
恒压降型等效电路
从实际二极管的伏安特 性可见，反向截至时电流为 零；当其正偏导通时，尽管 通过二极管的电流有较大的 变化，但是其端电压的变化 很小。因此，用一个恒压源 与理想二极管的串联电路来 等效代替。
二极管的主要参数

直流电阻RD RD定义为：二极管两端所 加的电压UD与流过它的电 流ID之比，即
UD RD ID
i ID Q1 Q2

正向时， RD随着工作电流 增大而减小； 反向时， RD随着反向电压 的增大而增大。
0
UD 二极管的直流电阻
u
二极管的主要参数

交流电阻rd
当二极管外加正向直流偏置电压UD 时，将产生电流ID ， UD 、 ID在二极管 的特性曲线上确定了一点Q(UD , ID ) 。 定义在Q点附近的小范围内，电压增量 与电流增量之比为rd ，即
UAB – B
V阳 =－6 V V阴 =－12 V V阳>V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB =－ 6V 否则， UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V 在这里，二极管起钳位作用。
例1.2
D2 D1
求：UAB 两个二极管的阴极接在一起 A + 取 B 点作参考点，断开二极管， UAB 分析二极管阳极和阴极的电位。 – B
底座
阴极引线
N 型硅
阴极引线
P型硅
( b) 面接触型 符号
阳极 D
( c) 平面型
阴极
( d) 符号
二极管的伏安特性
具有PN结的伏安特性，但是又 有区别。 （1）正向特征上，对于同一外加电压值，

i ①
二极管的正向电流值小于PN结的正向 电流。
开启电压Uon：使二极管开始导通的临 界电压。室温下，硅二极管的Uon约为 （0.6~0.7）V，锗二极管的Uon约为 （0.2~0.3）V
6V
3k 12V
V1阳 =－6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= －12 V UD1 = 6V，UD2 =12V ∵ UD2 >UD1 ∴ D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V
Uon 0 Δ UD Uon rD u
折线型等效电路


二极管的应用
二极管的应用： 整流； 限幅； 温度补偿元件； 温度传感器等。

二极管电路分析
定性分析：判断二极管的工作状态 导通 截止 若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向 截止时二极管相当于断开。 否则，正向管压降 硅0.6~0.7V锗 0.2~0.3V
T
PN结的伏安特性

反向击穿特性
当加到PN结两端的反向电压增大 到一定数值（UBR）以后，反向电 流会急剧增加。这种现象称为PN 结的反向击穿特性（电击穿）。 电击穿分雪崩击穿和齐纳击穿两种 类型，电击穿过程是可逆的。 热击穿，热击穿过程是不可逆的。 击穿破坏了PN结的单向导电性，当 击穿电流过大时，会因发热而烧坏 PN结。 注意，只要限制击穿时流过PN结的 电流，则击穿并不损坏PN结。
分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。 若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止
例1.1
6V
D
3k
12V
+
A
电路如图，求：UAB 取 B 点作参考点，断开 二极管，分析二极管阳极 和阴极的电位。
+4
+4 共价键
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
单晶硅（锗）的共价键结构 平面示意图
+4
+4 空穴
+4
+4
+4 自由电子
+4
+4
+4
+4
本征激发产生两种载流子——自由电子和空穴

导体与半导体的区别： 1）导电介质 导体：自由电子； 半导体：自由电子，空穴。 2）热反应 导体：正温度系数； 半导体：负温度系数。
• 半导体二极管
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
1.2.1 普通二极管
利用PN结的单向导电性制成的普通二极管简称二极 管，广泛应用于整流、检波、限幅及开关电路中。 结构 （1）点接触型：结面积小，不能通过较大的电流。 但是结电容小，可在较高的频率下工作。
半导体材料：硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs） 等 特点：（1）在外界光和热的刺激下，其导电能力会 增加（即ρ↓） （2）在半导体中掺入微量杂质，也会使其导 电能力会增加（即ρ↓）
1、本征半导体


晶格：在本征半导体中， 原子按照一定的间隔排 列成有规律的空间点阵。 本征激发：共价键中的 价电子受到激发获得能 量，并摆脱共价键的束 缚成为“自由电子”， 并在原共价键的位置上 形成一个“空穴”，这 一过程称为本征激发。
杂质半导体
注意几点： （1）无论是P型半导体还是N型半导体，对外均显 电中性； （2）杂质半导体中，多子的浓度由掺杂决定。若 在N型半导体中再掺入适量的三价元素，可使其 转型为P型半导体；反之亦然。

练习
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 b （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）
当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之 变化，即耗尽区的空间电荷量随外加电压而增加或者减少， 这种现象类似于电容器的充、放电过程。其空间电荷量的 变化所等效的电容，称为势垒电容，用Cb表示。
P