模擬電子技術(shù)教程

1.1.1PN結(jié)形成1.1PN結(jié)半導(dǎo)體——導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間最常用半導(dǎo)體材料物體根據(jù)其導(dǎo)電能力（電阻率）分半導(dǎo)體絕緣體導(dǎo)體鍺硅1半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1/134+14284Si硅原子構(gòu)造示意圖+322818Ge鍺原子構(gòu)造示意圖4原子構(gòu)造示意圖+4硅、鍺原子簡(jiǎn)化模型2/134平面構(gòu)造立體構(gòu)造+4+4+4+4+4+4+4+4+41.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體就是完全純凈半導(dǎo)體3/134+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵價(jià)電子4/134+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導(dǎo)體受熱或光照5/134本征激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴自由電子空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+46/134電子空穴成對(duì)產(chǎn)生+4+4+4+4+4+4+4+4+47/134+4+4+4+4+4+4+4+4+48/134+4+4+4+4+4+4+4+4+4電子空穴復(fù)合，成對(duì)消失9/134電子和空穴產(chǎn)生過程動(dòng)畫演示10/134本征激發(fā)使空穴和自由電子成對(duì)產(chǎn)生。相遇復(fù)合時(shí)，又成對(duì)消失。小結(jié)空穴濃度（np)=電子濃度(nn)溫度T一定期np×nn=K(T)K(T)——與溫度有關(guān)常數(shù)11/134在外電場(chǎng)作用下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U12/134電子運(yùn)動(dòng)形成電子電流+4+4+4+4+4+4+4+4+4U13/134+4+4+4+4+4+4+4+4+4U14/134+4+4+4+4+4+4+4+4+4U15/134+4+4+4+4+4+4+4+4+4U16/134+4+4+4+4+4+4+4+4+4U17/134+4+4+4+4+4+4+4+4+4U價(jià)電子彌補(bǔ)空穴而使空穴移動(dòng)，形成空穴電流18/134半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理動(dòng)畫演示19/134(1)在半導(dǎo)體中有兩種載流子這就是半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電原理本質(zhì)區(qū)分a.電阻率大(2)本征半導(dǎo)體特點(diǎn)b.導(dǎo)電性能隨溫度變化大小結(jié)帶正電空穴帶負(fù)電自由電子本征半導(dǎo)體不能在半導(dǎo)體器件中直接使用20/1342．摻雜半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體硅或鍺中摻入微量其他合適元素后所形成半導(dǎo)體根據(jù)摻雜不一樣，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N型導(dǎo)體P型導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體

摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷、砷）雜質(zhì)半導(dǎo)體21/134+4+4+4+4+4+4+4+4+4摻入少許五價(jià)雜質(zhì)元素磷P22/134+4+4+4+4+4+4+4+4+4P23/134多出一種電子出現(xiàn)了一種正離子+4+4+4+4+4+4+4+4P24/134++++++++++++++++++++++++++++++++++++半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量自由電子和正離子25/134N型半導(dǎo)體形成過程動(dòng)畫演示26/134c.電子是多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子;空穴是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。e.因電子帶負(fù)電，稱這種半導(dǎo)體為N(negative)型或

電子型半導(dǎo)體。f.因摻入雜質(zhì)給出電子，又稱之為施主雜質(zhì)。b.N型半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量(自由）電子和正離子。小結(jié)d.np×nn=K(T)a.N型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體中摻入少許五價(jià)雜質(zhì)元素形成。27/134(2)

P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼等。B+4+4+4+4+4+4+4+4+428/134+4+4+4+4+4+4+4+4+4B29/134出現(xiàn)了一種空位+4+4+4+4+4+4B+4+430/134+4+4+4+4+4+4B+4+4負(fù)離子空穴31/134------------------------------------半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量空穴和負(fù)離子32/134P型半導(dǎo)體形成過程動(dòng)畫演示33/134c.空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子。e.因空穴帶正電，稱這種半導(dǎo)體為P(positive)型或空穴型半導(dǎo)體。f.因摻入雜質(zhì)接收電子，故稱之為受主雜質(zhì)。a.

P型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體中摻入少許三價(jià)雜質(zhì)元素形成。b.

P型半導(dǎo)體產(chǎn)生大量空穴和負(fù)離子。小結(jié)d.np×nn=K(T)34/134當(dāng)摻入三價(jià)元素密度大于五價(jià)元素密度時(shí)，可將N型轉(zhuǎn)為P型；雜質(zhì)半導(dǎo)體轉(zhuǎn)型當(dāng)摻入五價(jià)元素密度大于三價(jià)元素密度時(shí)，可將P型轉(zhuǎn)為N型。35/134N++++++++++++++++++++++++++++++++++++N++++++++++++++++++++++++++++++++++++以N型半導(dǎo)體為基片通過半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝3.PN結(jié)形成36/134使半導(dǎo)體一邊形成N型區(qū)，另一邊形成P型區(qū)。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------37/134(1)在濃度差作用下，電子從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------38/134(2)在濃度差作用下，空穴從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------39/134在濃度差作用下，兩邊多子互相擴(kuò)散。在P區(qū)和N區(qū)交界面上，留下了一層不能移動(dòng)正、負(fù)離子。小結(jié)N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------40/134即PN結(jié)空間電荷層N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------41/134形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)方向N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------42/134PN結(jié)一方面妨礙多子擴(kuò)散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------43/134另一方面加速少子漂移N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------44/134勢(shì)壘U0形成電位勢(shì)壘N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------45/134當(dāng)擴(kuò)散與漂移作用平衡時(shí)a.流過PN結(jié)凈電流為零b.PN結(jié)厚度一定（約幾個(gè)微米）c.接觸電位一定（約零點(diǎn)幾伏）N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------46/134PN結(jié)形成過程動(dòng)畫演示47/134當(dāng)N區(qū)和P區(qū)摻雜濃度不等時(shí)離子密度大空間電荷層較薄離子密度小空間電荷層較厚高摻雜濃度區(qū)域用N+表達(dá)++++++______PN+48/1341.1.2PN結(jié)單向?qū)щ娦?．PN結(jié)正向偏置

PN結(jié)正向偏置——當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)P型半導(dǎo)體一端電位高于N型半導(dǎo)體一端電位時(shí)，稱PN結(jié)正向偏置，簡(jiǎn)稱正偏。PN結(jié)反向偏置——當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)N型半導(dǎo)體一端電位高于P型半導(dǎo)體一端電位時(shí)，稱PN結(jié)反向偏置，簡(jiǎn)稱反偏。49/134------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++EPN結(jié)正向偏置50/134內(nèi)電場(chǎng)被削弱PN結(jié)變窄PN結(jié)展現(xiàn)低阻、導(dǎo)通狀態(tài)多子進(jìn)行擴(kuò)散------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E51/134PN結(jié)正偏動(dòng)畫演示52/134內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)PN結(jié)變寬PN結(jié)展現(xiàn)高阻、截止?fàn)顟B(tài)不利多子擴(kuò)散有利少子漂移2．PN結(jié)反向偏置

------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E53/134此電流稱為反向飽和電流，記為IS。因少子濃度主要與溫度有關(guān)，反向電流與反向電壓幾乎無關(guān)。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E54/134PN結(jié)反偏動(dòng)畫演示55/1341.1.3PN結(jié)電壓與電流關(guān)系++++++_PN_____ui56/134IS——PN結(jié)反向飽和電流UT——熱電壓式中UT=KTqq——電子電量T——絕對(duì)溫度在室溫（T=300K)時(shí)，。K——玻耳茲曼常數(shù)其中57/134(1)當(dāng)u=0時(shí)，i=0；(3)當(dāng)u<0，且|u|>>UT時(shí)，i

–IS。討論(2)當(dāng)u>0，且u>>UT時(shí)，；58/134思考題1.半導(dǎo)體中載流子濃度主要與哪些原因有關(guān)？2.擴(kuò)散電流與漂移電流主要區(qū)分是什么？59/1341.2半導(dǎo)體二極管1.2.1半導(dǎo)體二極管構(gòu)造和類型平面型點(diǎn)接觸型引線觸絲外殼N型鍺片N型硅陽極引線PN結(jié)陰極引線金銻合金底座鋁合金小球60/134半導(dǎo)體二極管外型和符號(hào)正極負(fù)極符號(hào)外型負(fù)極正極61/13462/13463/13464/134半導(dǎo)體二極管類型(1)按使用半導(dǎo)體材料不一樣分為(2)按構(gòu)造形式不一樣分為硅管鍺管點(diǎn)接觸型平面型65/1341.2.2半導(dǎo)體二極管伏安特性硅管00.8反向特性正向特性擊穿特性00.8反向特性鍺管正向特性u(píng)DiD66/134(1)

近似展現(xiàn)為指數(shù)曲線，即(2)有死區(qū)（iD≈0區(qū)域)1．正向特性死區(qū)電壓約為硅管0.5V鍺管0.1VOiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D67/134(3)導(dǎo)通后（即uD大于死區(qū)電壓后）管壓降uD

約為硅管0.6~0.8V鍺管0.2~0.3V一般近似取uD

硅管0.7V鍺管0.2VOiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D即uD略有升高，

iD急劇增大。68/1342．反向特性

IS=硅管不大于0.1微安鍺管幾十到幾百微安OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D(1)當(dāng)時(shí)，。69/134(2)當(dāng)時(shí)，反向電流急劇增大，擊穿類型根據(jù)擊穿可逆性分為電擊穿熱擊穿二極管發(fā)生反向擊穿。OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D70/134減少反向電壓，二極管仍能正常工作。PN結(jié)被燒壞，造成二極管永久性損壞。二極管發(fā)生反向擊穿后，假如a.功耗PD(=|UDID|)不大b.PN結(jié)溫度不大于允許最高結(jié)溫硅管150∽200oC鍺管75∽100oC熱擊穿電擊穿71/134a.齊納擊穿

(3)產(chǎn)生擊穿機(jī)理半導(dǎo)體摻雜濃度高擊穿電壓低于4V擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)空間電荷層中有較強(qiáng)電場(chǎng)電場(chǎng)將PN結(jié)中價(jià)電子從共價(jià)鍵中激發(fā)出來擊穿機(jī)理?xiàng)l件擊穿特點(diǎn)72/134半導(dǎo)體摻雜濃度低擊穿電壓高于6V擊穿電壓具有正溫度系數(shù)空間電荷區(qū)中就有較強(qiáng)電場(chǎng)電場(chǎng)使PN結(jié)中少子“碰撞電離”共價(jià)鍵中價(jià)電子擊穿機(jī)理?xiàng)l件擊穿特點(diǎn)b.雪崩擊穿73/1341.2.3溫度對(duì)半導(dǎo)體二極管特性影響1.當(dāng)溫度上升時(shí)，死區(qū)電壓、正向管壓降減少?！鱱D/△T=–（2~2.5）mV/°C2.溫度升高，反向飽和電流增大。即溫度每升高1°C，管壓降減少（2~2.5）mV。即平均溫度每升高10°C，反向飽和電流增大一倍。74/1341.2.4半導(dǎo)體二極管主要電參數(shù)1.額定整流電流IF2.反向擊穿電壓U(BR)管子長(zhǎng)期運(yùn)行所允許通過電流平均值。

二極管能承受最高反向電壓。OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D75/1344.反向電流IR3.最高允許反向工作電壓UR為了確保管子安全工作，所允許最高反向電壓。室溫下加上要求反向電壓時(shí)測(cè)得電流。

OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)DUR=（1/2~2/3）U(BR)76/1345.正向電壓降UF6.最高工作頻率fM指通過一定直流測(cè)試電流時(shí)管壓降。

fM與結(jié)電容有關(guān)，當(dāng)工作頻率超出fM時(shí)，二極管單向?qū)щ娦宰儔?。OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D77/134二極管幾個(gè)常用模型(2)電路符號(hào)(1)伏安特性1.抱負(fù)二極管–+uDiDuDiDO抱負(fù)特性實(shí)際特性

78/134(2)電路模型(1)伏安特性2.恒壓模型uDiDOuF–+uDiDuF79/134(2)電路模型(1)伏安特性3.折線模型uDiDOuthrD–+uDiDuthrD80/134(2)電路模型(1)伏安特性4.小信號(hào)動(dòng)態(tài)模型–+udidrduDiDOUDrdIDQ動(dòng)態(tài)電阻

81/134思考題1.在什么條件下，半導(dǎo)體二極管管壓降近似為常數(shù)？2.根據(jù)二極管伏安特性，給出幾個(gè)二極管電路分析模型。82/1341.3半導(dǎo)體二極管應(yīng)用1.3.1在整流電路中應(yīng)用整流——將交流電變成直流電過程整流電路——完成整流功能電路常見整流電路有半波整流電路全波整流電路橋式整流電路83/134設(shè)橋式整流電路+_uOTru2+_u1ab+_RLD1D2D4D384/1341.工作原理a.

當(dāng)u2>0時(shí)輸出波形電流流動(dòng)方向D1D2D4D3+_uOTru2+_u1ab+_RL85/134b.

當(dāng)u2<0時(shí)輸出波形電流流動(dòng)方向+_uOTru2+_u1ab+_RLD1D2D4D386/1341.3.2在檢波電路中應(yīng)用（無線通信）用音頻信號(hào)去控制高頻信號(hào)幅值音頻信號(hào)高頻信號(hào)載波信號(hào)調(diào)制過程Otuu1tOu2Ot音頻放大器話筒高頻振蕩器調(diào)制器發(fā)射器u2u1u87/134檢波過程u1Otu2OtOtu3DCLC2u3高放大器頻低頻放大C1R2R1u2u1+–+–+–器88/1341.3.3限幅電路工作原理a.當(dāng)ui較小使二極管D1、D2截止時(shí)電路正常放大b.當(dāng)ui使二極管D1或D2導(dǎo)通時(shí)RD2ARi+–+–D1+–89/134uitO輸入電壓波形RD2ARi+–+–D1+–90/134輸入端電壓波形uitO2UFRD2ARi+–+–D1+–91/1341.4特種二極管1.4.1硅穩(wěn)壓二極管特點(diǎn)a.正向特性與一般管類似穩(wěn)壓管一般工作于反向電擊穿狀態(tài)伏安特性–+iZuZuZQBAOUZiZIZ

UZ

IZ符號(hào)b.反向擊穿特性很陡92/1341.硅穩(wěn)壓管主要電參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)動(dòng)態(tài)電阻(3)最大允許工作電流IZM(4)最大允許功率耗散PZM(5)溫度系數(shù)uZQBAOUZiZIZ

UZ

IZ93/134溫度每變化1

C時(shí)UZ相對(duì)變化率。即UZ>6V管子出現(xiàn)雪崩擊穿，αU為正；UZ<4V出現(xiàn)齊納擊穿，αU為負(fù);4V<UZ

<

6V，αU也許為正，也也許為負(fù)。溫度系數(shù)

定義：94/134具有溫度賠償硅穩(wěn)壓管把一只αU為正管子與另一只αU為負(fù)管子串聯(lián)將兩只αU

為正穩(wěn)壓管串聯(lián)(1)DZ1DZ2(2)95/1342.硅穩(wěn)壓管等效電路反向擊穿時(shí)端電壓體現(xiàn)式反向正向抱負(fù)二極管uZQOUZiZIZUZ0等效電路D1D3D2rZUZ096/1343.硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路R——限流電阻DZIZRLUOUIRIIO+_+_97/134(1)穩(wěn)壓原理

a.UI不穩(wěn)定

UI↑→UO↑→UZ↑

→IZ↑→I↑→IR↑

UO↓DZIZRLUOUIRIIO+_+_98/134b.RL變化

RL↓

→UO↓

→UZ↓→IR↓→IZ↓→I↓UO↑DZIZRLUOUIRIIO+_+_99/134(2)限流電阻計(jì)算輸出電壓穩(wěn)定條件（確保穩(wěn)壓管被擊穿）DZIZRLUOUIRIIO+_+_≥100/134IZ(min)≤IZ≤IZM穩(wěn)壓管正常工作條件DZIZRLUOUIRIIO+_+_101/134UO=UZ

圖中

IZ=I－IO

DZIZRLUOUIRIIO+_+_102/134DZIZRLUOUIRIIO+_+_此時(shí)當(dāng)IO為最小值IO(min)時(shí)，IZ值最大。當(dāng)UI為最大值UI(max)時(shí)，I值最大；IZ=I－IO

由式知103/134由此可得為確保管子安全工作,應(yīng)使DZIZRLUOUIRIIO+_+_≤≥104/134DZIZRLUOUIRIIO+_+_IZ=I－IO

由式此時(shí)當(dāng)IO為最大值IO(max)時(shí)，IZ值最小。當(dāng)UI為最大值UI(min)時(shí)，I值最小；知105/134由此可得為確保電路正常工作，應(yīng)使DZIZRLUOUIRIIO+_+_≥≤106/134得由式及≥≤≤≤107/1341.4.2變?nèi)荻O管1.PN結(jié)電容效應(yīng)(1)擴(kuò)散電容CD非平衡少子積累PN++++............................................108/134△U變化時(shí)，P區(qū)積累非平衡少子濃度分布圖ΔU>03ΔU=0ΔU<021x電子濃度321PN++++............................................109/134這種電容效應(yīng)用擴(kuò)散電容CD表征。PN結(jié)正向偏置電壓越高，非平衡少子積累越多。PN++++............................................110/134(2)勢(shì)壘電容CBUPN++++++++空間電荷層111/134PN結(jié)變窄空間電荷層中電荷量減少a.當(dāng)PN結(jié)正向偏置電壓升高時(shí)U+

U(U>0)PN++++112/134PN結(jié)變寬空間電荷層中電荷量增大b.當(dāng)PN結(jié)正向偏置電壓減少時(shí)可見，空間電荷量伴隨PN結(jié)偏置電壓變化而變化。這種電容效應(yīng)用勢(shì)壘電容CB表征。U-

U(U>0)PN++++++++++++113/134小結(jié)PN結(jié)結(jié)電容CjCj

=CD+CB

當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)114/134變?nèi)荻O管特點(diǎn)b.電容量與所加反向偏置電壓大小有關(guān)。a.當(dāng)二極管反向偏置時(shí)，因反向電阻很大，可作電容使用。115/134變?nèi)荻O管符號(hào)及C－U特性曲線符號(hào)20240608010004681012uDCC－U特性曲線116/1342.變?nèi)荻O管及其應(yīng)用示例諧振頻率式中高頻放大器LC1DCR+––+V+UDu1117/134由于故諧振頻率高頻放大器LC1DCR+––+V+UDu1118/134思考題1.在圖示穩(wěn)壓電路中，輸出電壓穩(wěn)定條件是什么？2.在圖示穩(wěn)壓電路中限流電阻大小對(duì)電路性能有何影響？DZIZRLUOUIRIIO+_+_119/134電阻量程×1×10×100×1k測(cè)得電阻值31Ω210Ω1.1kΩ11.5kΩ[例1]用萬用表測(cè)量二極管正向直流電阻RF，選用量程不一樣，測(cè)得電阻值相差很大?，F(xiàn)用MF30型萬用表測(cè)量某二極管正向電阻，成果如下表，試分析所得阻值不一樣原因。練習(xí)題120/134圖中，R0為表頭等效內(nèi)阻。萬用表量程越大，即R0越大。[解]萬用表測(cè)電阻原理圖R0+-EiD+-uD寫出電路方程uD+iDR0=E顯然，上式在iD—uD坐標(biāo)系中表達(dá)一條直線。121/134畫出上式所表達(dá)直線。E/R01UDIDE/R0E二極管伏安特性直線R0增大UD1ID1uDiDO顯然，UD、ID是直線與二極管伏安特性曲線交點(diǎn)。可見，萬用表量程越大，DR0+-EiD+-uDuD+iDR0=EUD、ID越小，二極管等效電阻越大。二極管等效電阻為RD=UD/ID122/134[例2]設(shè)圖示電路中二極管性能均為抱負(fù)。試判斷各電路中二極管是導(dǎo)通還是截止，并求出A、B兩點(diǎn)之間電壓ＵAB值。V115V10VV2R2kWUABB+_D2AD1(a)V115V10VV2R2kWUABB+_D2AD1(b)123/134[解]判斷電路中二極管工作狀態(tài)辦法1.斷開二極管，分析電路斷開點(diǎn)開路電壓。假如該電壓能使二極管正偏，且大于二極管死區(qū)電壓，二極管導(dǎo)通；不然二極管截止。2.假如電路中有兩個(gè)二極管，利用辦法1分別判斷各個(gè)二極管兩端開路電壓，開路電壓高二極管優(yōu)先導(dǎo)通；當(dāng)此二極管導(dǎo)通后，再根據(jù)電路約束條件，判斷另一種二極管工作狀態(tài)。124/134對(duì)于圖a，經(jīng)判斷知，D1、D2兩端開路電壓分別為：D2反偏電壓為5V