《模拟电子技术(童诗白)》课件

EGO：热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称 禁带宽度 （Si：1.21eV，Ge：0.785eV）；
T=300K时，本征半导体中载流子的浓度比较低， 导电能力差。Si：1.43×1010cm-3 Ge：2.38×1013cm-3
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二、杂质半导体
掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增强。按
0
u 导通电压：
死 导通压降
区
硅：0.7 V
锗： 0.2V
电 压
2、反向截止
伏安特性曲线
3、温度的影响
反向击穿电压 U（BR） 反向饱和电流 IS
正向特性：T 上升 1C，正向压降下降2～2.5mV，曲
线左移；
反向特性：T 上升10C，IS 增加一倍，曲线下移。
三、主要参数
1、最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。
掺入杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体。
1、N型半导体 在本征半导体中掺入微量五价元素。
自由电子
硅原子
多余电子
+4
+4 +4
自由电子
N型半导体 ++ + +
+4
+5 +4
++ + +
+4
+4 +4
++ ++
磷原子
多数载流子---自由电子
电子空穴对 施主离子
少数载流子--空穴
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（3）PN结单向导电性
PN结加正向电压，结电阻很小，正向电流较大，处 于导通状态； PN结加反向电压，结电阻很大，反向电 流很小，处于截止状态；
3、PN结的电流方程
qu
i IS (e kT 1)
其中：IS：反向饱和电流； q：电子电量； k：玻耳兹曼常数；T：热力学温度.
( b) 面接触型
(c) 平面型
阳极引线 二氧化硅保护层
平面型二极 管是集成电 路中常见的 一种形式。
N型硅 阴极引线
P 型硅
阳极 D 阴极 ( d) 符号
(c ) 平面型
二极管的符号
二、伏安特性 二极管是非线性元件
80C
i
反向饱和电流 锗
20C 1、正向导通
开启电压：Uon
击穿电压UBR
硅：0.5 V 锗： 0.1 V
第一章 常用半导体器件
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 双极型晶体管 §1.4 场效应管
§1.1 半导体基础知识
学习目标： 1.熟悉P型、N型半导体的基本结构及特性 ； 2.掌握PN结的单向导电性 。
学习重点： 1. P型、N型半导体的形成和电结构特点； 2. PN结的正向和反向导电特性 。
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（2）PN结上加反向电压 P区
空间电 荷区
N区
①外电场与内电场 方向一致，空间电荷区 变宽，内电场增强；
－－－－ －－－－ －－－－
++++ ++++ ++++
②扩散运动减弱， 漂移运动增强，平衡被 打破，漂移运动大于扩
内电场 外电场
散运动；
IS
③漂移运动是少子的运动，少子浓度小，形成反向电 流很小，PN结处于截止状态。
2、微变等效电路
i
在Q点附近加上一个微小变
化的量，则可用Q点为切点的直
I D iD Q 线近似微小变化时的曲线。
u
uD U D
rd
uD iD
(动态电阻)
uD
1 iD diD d[IS (eUT 1)]
rd uD duD
duD
IS
uD
eUT
ID
UT
UT
rd
UT ID
D
ui
+ ui
-
+-+ uD R uR
①外电场将载流
－－－－
++++
子推入空间电荷区，
－－－－
++++
抵消一部分空间电荷， － － － － + + + +
使空间电荷区变窄， 削弱内电场；
内电场
②扩散运动增强，
外电场
漂移运动减弱，平衡被 打破，扩散运动大于漂 I
移运动；
③在电源的作用下，扩散运动不断进行，形成正向电
流，PN结处于导通状态。
i
u IZmin
正向导通与
一定值时，稳压管就不会因发 热而损坏。
二极管相同 等效电路：
D1
u
符号：
D2
UZ rz
DZ
2、主要参数
（1）稳压值UZ；
（2）稳定电流IZ（IZmin）：电流小于此值时稳压效
果不好；
i
（3）额定功耗PZM：PZM=UZ
IZM
； UZ
IZM ---最大稳定电流
（4）动态电阻rZ： rZ
1、折线等效电路
＋
u
i
－
（1）理想二极管模型：正向导通压降为 零，反向截止电流为零。
i
＋
u
i
u
Uon
Uon
－
（2）正向导通压降为常数（硅管 0.7V；锗管 0.2V），
反向截止电流为零；
两种等效电路：
ＵＤ
＋－
（1） V
U
时
D
，I
V R
V
（2）I V Uon
R
＋
Ｉ
R ＵＲ
－
(Si : Uon 0.7V , Ge : Uon 0.2V )
R
ui
百度文库
+
D
+
4V UREF
t
ui -
UREF
uo
0
-
-4V
uo
解：（1）ui>UREF时，
UREF
t
uo U REF
（2）ui<UREF时，
uo ui
五、稳压二极管
1、伏安特性
反向特性：
i
当I <IZmin 时，没有稳压效果；
当I > IZmin时，电压变化量很小，
UZ
电压基本稳定只要电流不超过
形成过程： P型和N型半导体结合
多子浓度差
P区
空间电荷区
N区
－－－－ －－－－ －－－－
++++ ++++ ++++
扩散运动
耗尽层
内电场建立
空穴
内电场 自由电子
阻碍扩散运动 促使漂移运动
动态平衡 形成空间电荷区
PN结形成
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2、PN结的单向导电性 P区
空间电 荷区
N区
（1）PN结上加正向电压
晶体结构是指晶体的周期
§1.1 半导体基础知识
性结构。即晶体以其内部 原子、离子、分子在空间
一、本征半导体
作三维周期性的规则排列 为其最基本的结构特征
纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
1、半导体
根据材料的导电能 力，可以将他们划分为 导体、绝缘体和半导体
。典型的半导体是硅Si 和锗Ge，它们都是四价
U Z I Z
rZ越小，稳压效果越好； u
u IZmin IZM
（5）温度系数α： UZ
T
温度每变化1度稳压值的 变化量。
R IR + IZ UI DZ -
当稳压二极管工作在反向
IL
+ 击穿状态下,工作电流IZ在IZM 和Izmin之间变 化 时 , 其两 端 电
RL
UZ
压近似为常数，所以稳压电路 中必须串联一个电阻来限制电
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）
三、PN结 1、PN结的形成
令：UT
kT q
(常温下，UT 26mV )
u
则： i IS (eUT 1)
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u
4、PN结的伏安特性 （1）正向特性
i IS (eUT 1)
u
i
（2）当反u向>特>U性T 时， i ISeUT
a、当 u UT时，i IS
U(BR)
b、当反向电压超过一定数值
O
u U(BR)后，反向电流急剧增加，
§1.2 半导体二极管
(b)面接触型
面接触型二极管的结构如图（b）
铝合金小球 阳极引线
所示。由于这种二极管的PN结面积 N型硅 大，可承受较大的电流，但极间电
PN结 金锑合金
容也大。这类器件适用于整流，而
底座
不宜用于高频电路中。如2CP1为面
接触型硅二极管，最大整流电流为
阴极引线
400mA，最高工作频率只有3kHz。
称之为反向击穿。
齐纳击穿: 较高反向电压在PN结空间电荷区形成一个强 电场，直接破坏共价键形成“电子空穴对”， 使得电流急剧增大；
雪崩击穿: 电子及空穴与晶体原子发生碰撞，使共价键 中电子激发形成自由电子空穴对。
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5、PN结的电容效应
5、PN结的电容效应
§1.2 半导体二极管
2、P型半导体 在本征半导体中掺入微量三价元素。
硅原子
空位
电子空穴对
空穴
+4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 +4 +4
P型半导体 － － －－ － －－－ － － －－
硼原子
空穴
受主离子
多数载流子--空穴
少数载流子—自由电子
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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。
- 流，从而保证稳压管正常工作。
UR UI UZ
IL
UZ RL
保证稳压管有稳
压效果必须：
IR
UR R
UI
UZ R
IZ IR IZ
I Z min I Z I Z max
六、其它类型二极管
1、发光二极管 ⑴具有单向导电性；加正向电压时导通就发光。 导通时电压比普通二极管大。电流越大，发光 越强。注意不要超过极限参数。 ⑵发光的颜色取决于所用材料。
4、本征半导体中载流子的浓度
+4
+4
+4
本征激发：半导体在受热
或光照下产生“电子空穴对”
+4
+4
+4
的
现象称为本征激发。
+4
+4 +4
复合：自由电子填补空穴，使两者消失的现象称 为复合。
动态平衡：在一定温度下，本征激发产生的“电 子空穴对”，与复合的“电子空穴对”数目相等，达 到动态平衡。在一定温度下，载流子的浓度一定。
V
-
uR
t
V UD
幅值由rd与R
分压决定
t
例题1：试求输出电压uo。
－12V
解：两个二极管存在优先 导通现象。
－5V 0V
R D1
D2
D2导通，D1截止。
Si : Uon 0.7V uo Ge : Uon 0.2V
Si : uo 5.7V ?
Ge : uo 5.2V
例题2：试画出电压uo的波形。
电流过大，结温太高而烧坏二极管。
2、最高反向工作电压UR
二极管工作时，允许外加的最大反向电压。超过
此值，二极管可能击穿。U R
3、反向电流 IR
1 2 U(BR)
二极管未击穿时的反向电流。 IR 越小，二极管的
单向导电性越好。
4、最高工作频率 fM 二极管工作的上限频率。
四、二极管的等效电路
二极管伏安特性具有非线性，分析电路时，常用线 性元件所构成的电路等效代替。
阳极引线
阴极引线
( a) 点接触型 外壳
点接触型二极管是由一根很细的金属触丝（如三价元素铝）和 一块半导体（如锗）的表面接触，然后在正方向通过很大的瞬 时电流，使触丝和半导体牢固地熔接在一起，三价金属与锗结 合构成PN结，并做出相应的电极引线，外加管壳密封而成。
由于点接触型二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以 极间电容很小，同时，也不能承受高的反向电压和大的电流。 这种类型的管子适于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件， 也可用来作小电流整流。如2AP1是点接触型锗二极管，最大整 流电流为16mA，最高工作频率为150MHz。
元素。
si
GGee
硅原子
锗原子
+44
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
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2、本征半导体的晶体结构
共价键
+4
+4
+4
（1）共价键：相邻两个原
束缚 子共用一对最外层电子（价
+4 +4 +4 电子 电子）的组合称为共价键。
自由
+4
+4
+4
电子 （2）束缚电子：共价键中的 空穴 价电子受共价键的束缚。
学习目标： 1.了解二极管的结构和类型
2.掌握二极管的伏安特性
3.熟悉二极管的使用方法 4 .了解发光二极管和光电二极管的性能、使用方法 5 .熟悉稳压管的工作原理及使用方法
学习重点： 1.二极管的伏安特性
2.二极管的主要参数
3.稳压管的性能、主要参数
§1.2 半导体二极管
一、常见结构
金属触丝 N型锗片
发光二极管符号
2、光电二极管（自学）
用万用表判断二级管正负极：
用万用表 R*100 或 R*1K 档，任意测量二极管的两根引 线，如果量出的电阻只有几百欧姆（正向电阻），则黑表 笔（即万用表内电池正极）所接引线为正极，红表笔（即 万用表内电源负极）所接引线为负极。
§1.3 晶体三极管
学习目标： 1.了解三极管的基本结构，熟悉其放大原理； 2.掌握三极管电流分配关系，熟悉其输入、输出特性。
（3）自由电子：共价键中的电子获得一定能量（热 能）后，挣脱共价键的束缚（本征激发），形成自由 电子。
（4）空穴：电子挣脱共价键的束缚形成自由电子后， 共价键中留下一个空位，称为空穴。空穴带正电。
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+4
+4
+4
+4
+4 +4
自由电子运动方向与 空穴运动方向相反。
+4
+4 +4
3、本征半导体中的两种载流子 载流子：能够自由移动的带电粒子。 载流子 自由电子 空穴
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本征半导体载流子浓度为：
ni
pi
K T e 3 / 2 EGO /(2kT ) 1
其中：ni和pi分别是自由电子和空穴的浓度（cm3）
T：热力学温度；
k：玻耳兹曼常数（8.63×10-5eV/K）；
K1：与半导体材料载流子有效质量、有效能级密 度有关的常量。（Si：3.87×1016cm-3·K-3/2 ， Ge： 1.76×1016cm-3·K-3/2 ）；