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模拟电路基础知识第一章 半导体二极管及其应用1、 纯净的单晶半导体成为本征半导体。本征半导体中有两种载流子：电子和空穴。本征半导体 受外界能量（热能、电能和光能等）激发，产生电子、空穴对的过程成为本征激发。2、 在本征半导体中，有选择地掺入少量其他元素，会使其导电性能发生显著变化。掺入杂质的半导体成为杂质半导体。在本征硅（或锗）中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等，就得到N型半导体。在本征硅（或锗）中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。3、 如果使P型半导体和N型半导体结合在一起，在其交界面处就会形成一个很薄的特殊物理层，称为PN结。4、 由于存在浓度差引起的载流子从高浓度区域向低浓度区域的运动称为扩散运动。在内电场的作用下，N区的少子（空穴）向P区漂移，P区的少子（电子）向N区漂移。这种载流子的运动称为漂移运动。多子的扩散运动和少子的漂移运动相互制约，最终扩散电流和漂移电流达到动态平衡。5、 将PN结的P区接电源正极，N区接电源负极，称为PN结外加正向电压或正向偏置。PN结正向偏置时，外电场与内电场方向相反，破坏了PN结的动态平衡，使得多子扩散运动大大增强。将PN结的P区接电源负极，N区接电源正极，称为PN结外加反向电压或反向偏置。PN结反向偏置时，外电场与内电场方向相同，阻止了多子的扩散运动，促进了漂移运动，形成漂移电流，在外电路中形成流入N区的电流，称为反向饱和电流。6、 PN结的伏安特性对温度变化很敏感，当温度上升时，正向特性左移，反向特性下移。也就是说，在相同的偏压下，温度越高，电流越大。具体变化规律是：保持正向电流不变时，温度每升高1，结电压减少约22.5mV。温度每升高10，反向饱和电流增大一倍。7、 当PN结的外加反向电压增大到一定值时，反向电流急剧增大，这种现象称为PN结的反向击穿，发生击穿时的反向电压称为PN结的反向击穿电压。8、 在外加电压发生变化时，PN结耗尽层内的空间电荷量和耗尽层外的载流子数量均发生变化，这种电荷量随外加电压变化的电容效应，称为PN结的结电容。PN结的耗尽层具有不能移动的带电离子，我们把耗尽层电荷量随外加电压变化而变化的电容效应，称为势垒电容。用CT表示。我们把外加电压改变引起扩散区内存储电荷量变化的电容效应，称为扩散电容。用CD表示。9、 由于PN结的CT和CD均等效地并接在PN结上，因此PN结上的总电容CJ为两者之和，即CJ = CT + CD 。PN结正偏时，扩散电容占主导，其值通常为几十到几百pF；反偏时，势垒电容占主导，其值通常为几到几十pF。由于CT和CD均不大，因此在低频工作时，忽略他们的影响。10、将PN结加上两根电极引线并封装在管壳中便构成了半导体二极管，二极管根据工艺不同分为点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管。11、与PN结相同，二极管具有单向导电性。但由于二极管存在引线电阻、P区和N区体电阻，所以在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于PN结的电流，在大电流的情况下，P区、N区体电阻和引线电阻的作用趋于明显，使得电流与电压近似呈线性关系。12、当正向电压较小时，流过二极管的正向电流几乎为零。正向电压超过某一数值时，正向电流才明显增加。这一电压称为导通电压。用UD（on）表示。导通电压的大小与二极管的材料及温度等因素有关。室温下，硅管的UD（on）= 0.6 0.8 V，锗管的UD（on）= 0.1 0.3 V 。13、半导体二极管的主要参数： （1）直流电阻RD ：当二极管外加直流偏置电压UD时，将有一直流电流ID，此时二极管等效为一个直流电阻RD，且 RD = UD / ID 。RD不是恒定值，呈现非线性。正向的RD随工作电流增大而减少，反向的RD随反向电压增大而增大。 （2）交流电阻rD ：二极管在外加直流电压的基础上，再外加微小的变化电压u，也会引起电流的微小变化量i，此时二极管可以等效为一个交流电阻rD，且rD = u / i =UT / IDQ 。 （3）最大整流电流IFM ：IFM指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。其大小由PN结的结电压和外界散热条件决定。 （4）最大反向工作电压URM ：URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压，超过此值容易发生方向击穿。通常取UBR的一半作为URM。 （5）反向电流IR ：指二极管未击穿时的反向电流。IR越小，单向导电性能越好。IR与温度密切相关。 （6）最高工作频率fM ：fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。14、流过PN结的电流i和外加电压u之间的关系为：。其中，反向饱和电流IS的大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；UT称为温度的电压当量，UT=kT/q，式中，k为波尔兹曼常数；q为单位电子电荷量；T为热力学温度。在常温（T=300K）下，UT=26mV。15、半导体二极管的电路模型：（1）理想模型：理想二极管模型是一种简单又常用的模型。当正向偏置时，二极管导通，有较大的正向电流，其导通压降为零；在反向偏置时，二极管截止，反向电流为零。可以把理想二极管想象为一个开关，二极管导通相当于开关闭合，二极管截止相当于开关打开。（2）恒压降模型：在相当多的情况下，二极管本身的导通压降不能忽略。这时，可以采用理想二极管串联电压源的模型，即恒压降模型。电压源为二极管的导通电压，通常硅管取0.7V，锗管取0.3V。（3）折线模型：二极管导通后的特性曲线可用一条斜线来近似，即电压与电流呈线性关系。斜线斜率为1/rD（on），rD（on）一般为几十欧姆。二极管截止时反向电流为零。因此等效电路是理想二极管串联电压源和电阻。这种模型在大信号作用时，准确程度更高。（4）小信号模型：以上三种模型通常是二极管工作在大信号模型时的等效模型。在模拟电子线路中，二极管的电压和电流经常是在某一固定点附近作小范围的变化。这时，主要是对其变化量进行分析，以上几种模型就不再适用了，需要使用二极管的交流电阻来等效。16、二极管基本应用电路： （1）二极管整流电路：电压为正半周时，二极管导通；为负半周时，二极管截止。称为半波整流，可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。 （2）二极管限幅电路： （3）二极管开关电路：利用二极管的单向导电性来接通或断开电路，在数字电路中得到广泛的应用。17、稳压二极管：稳压二极管的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭。稳压二极管工作在击穿区，电流在很大范围内变化时，其两端电压基本不变，具有稳定性。在使用时，通过加限流电阻等措施使反向电流限制在一定的数值内，就可以保证PN结的温度不超过允许的数值，而不至于损坏。这样就利用“击穿现象”达到“稳压”目的。第二章 三极管及其放大电路1、三极管的结构：三极管由两个PN结组成，两个PN结之间由很薄的中间区隔开。根据排列方式的不同，有NPN和PNP两种类型。 以NPN管为例，三极管中间区域为P型半导体，称为基区。其两侧的异型区（N型）分别称为发射区和集电区。三个区各引出一个电极，分别为基极（b）、发射极（e）和集电极（c）。基区和发射区之间形成的PN结，称为发射结，基区和集电区之间形成的PN结，称为集电结。三极管的符号中，发射极的箭头方向表示发射结正向偏置时的实际电流方向。 发射区相对基区重掺杂；基区很薄；集电结面积尽量大。2、集电区和基区本身的少子在集电结反向电压作用下，向对方漂移形成反向饱和电流ICBO, ICBO的大小取决于少子的浓度，受温度影响很大。ICBO是发射结开路时集电结的反向饱和电流。 共基直流放大倍数 =（IC-ICBO）/ IE IC / IE 共射直流放大倍数 =(IC-ICBO)/( IB+ICBO) IC / IB IE =IC + IB =/(1-) =/(1+)3、共射电路的输出特性曲线可分为4个区域：放大区、饱和区、截止区和击穿区。 若调节UBB和UCC的大小，使发射结正偏、集电结反偏，则晶体管工作在放大区。在放大区，基极电流对集电极电流有很强的控制作用：IC =IB ，UCE的变化对的IC影响很小。当UBB和UCC的取值使晶体管的发射结正偏，集电结也正偏，则晶体管工作在饱和区。通常把集电结零偏时对应点的连线称为临界饱和线。在饱和区，IC不受IB的控制，随着UCE的减少，IC迅速减少。两个结均为反偏时，晶体管工作在截止区。工程上将IB=0曲线以下区域称为截止区，在截止区，各极电流都很小，三个电极之间近似开路。当UCE足够大时，同二极管一样晶体管也会发生反向击穿，IC迅速增大。4、直流和交流是两个不同的参数，物理意义不同，但在一定的集电极电流变化范围内，他们的数值相等。直流量：字母大写，下标大写，如：IC 、IB 、 UCE 、 UBE交流量：字母小写，下标小写，如：ic 、ib 、 uce 、 ube交流量的有效值：字母大写，下标小写，如：Ic 、Ib 、 Uce 、 Ube瞬时值（直流量与交流量的叠加量）：字母小写，下标大写，如：iC 、iB 、 uCE 、 uBE5、晶体管的主要参数：（1）反向饱和电流： ICBO 表示发射极开路时，集电极和基极之间的反向饱和电流。ICBO 的下标O表示open，代表第三个电极e开路。 ICEO 表示基极开路时，集电极和发射极之间的电流。 ICEO = （1+）ICBO ，因为ICEO 和ICBO都是由少数载流子的运动形成的，所以对温度非常敏感。当温度升高时，ICEO 和ICBO 将急剧增大。（2）反向击穿电压： U(BR)CEO指基极开路时，集电极和发射极间的反向击穿电压。U(BR)CBO指发射极开路时，集电极和基极间的反向击穿电压