第1章半导体二极管及其基本电路

电子线路 模拟部分 卢薇 二极管 集成器件 三极管 场效应管 基本 单管 放大器 差动放大器 功率放大器 模拟运算电路 多级放大器 直流稳压电源 半导体器件 单元电路 应用电路 课程结构 模拟电子线路 模拟电子线路 学习方法 一 抓基本概念 基本原理和基本分析方法 二 以单元电路为重点 明确电路组成 工作原理 分析方法与结论 三 采用近似估算的方法 用工程的观点分析电路 四 理论联系实际 注重多方位获取知识 课程内容 1 半导体二极管及其基本电路 2 半导体三极管及其基本放大电路 3 场效应及其基本放大电路 4 负反馈放大电路 5 集成运算放大器及其应用 6 低频功率放大电路 7 直流稳压电源 8 正弦波振荡电路 在各种电子设备 electronicequipment 中 其主要组成部分是电子线路 circuits 而电子线路中最重要的核心组成部分是半导体器件 semiconductordevice 如半导体二极管 diode 简称二极管 半导体三极管 transistor 简称三极管 场效应管 FET 和集成电路 IC 半导体器件是现代电子技术的重要组成部分 由于它具有体积小 重量轻 使用寿命长 输入功率小和功率转换效率高等优点而得到广泛的应用 集成电路特别是大规模和超大规模集成电路不断更新换代 致使电子设备在微型化 可靠性和电子系统设计的灵活性等方面有了重大的进步 因而电子技术成为当代高新技术的龙头 第1章半导体二极管及其基本电路 半导体的基本知识 半导体二极管及其基本特性 二极管的基本应用电路 二极管的等效电路模型 二极管的主要参数 分类及其选择 第1章半导体二极管及其基本电路 本章主要内容 1 1半导体的基本知识 1 1 1半导体材料 semiconductormaterials 1 定义 半导体是指导电性能介于导体 conductor 和绝缘体 insulator 之间的一种物质 2 材料 元素半导体 硅 Si 锗 Ge 化合物半导体 砷化镓 GaAs 目前最常用的半导体材料是硅和锗 3 重要特性 热敏特性光敏特性掺杂特性 1 1 2半导体的共价键结构 价电子 原子的最外层的电子 1 1半导体的基本知识 1 硅或锗的简化原子结构模型 1 1 2半导体的共价键结构 共价键 价电子共有化运动 价电子不同于自由电子 不能导电 1 1半导体的基本知识 2 硅或锗晶体的共价健结构 1 1 3本征半导体 空穴及其导电作用 1 1半导体的基本知识 1 本征半导体 一种完全纯净的 结构完整的半导体晶体 1 1 3本征半导体 空穴及其导电作用 1 1半导体的基本知识 2 空穴 共价键实际上是一种 松散联合 在受热或光照情况下 本征激发 价电子得到足够的能量 成为自由电子 同时原来共价键中留下一个空位 空穴 1 1 3本征半导体 空穴及其导电作用 1 1半导体的基本知识 3 两种载流子 本征激发产生自由电子 与空穴成对出现自由电子与空穴都是可以移动的载流子 自由电子带负电空穴带正电 金属导体中只有一种载流子 电子载流子 1 1 3本征半导体 空穴及其导电作用 4 4 4 4 4 4 4 4 4 本征激发产生电子空穴对 1 1半导体的基本知识 复合 自由电子在运动中因能量的损失有可能和空穴相遇 重新被共价健束缚起来 电子空穴对消失 一定的温度或光照下 电子和空穴的浓度保持动态平衡 本征激发产生的电子空穴对的数目很少 载流子浓度很低 因此 本征半导体的导电能力很弱 1 1 4杂质半导体 1 N型半导体 掺入五价元素 杂质 杂质电离 形成一个自由电子和不能移动的正离子N型半导体特征 多数载流子 自由电子少数载流子 空穴 1 1半导体的基本知识 1 1 4杂质半导体 1 N型半导体 N型半导体的简化形式 自由电子和正离子总是成对地出现 在某些场合还需要考虑 型半导体受热激发而产生的少子的影响 1 1半导体的基本知识 1 1 4杂质半导体 2 P型半导体 掺入三价元素 杂质 杂质电离 形成一个空穴和不能移动的负离子P型半导体特征 多数载流子 空穴少数载流子 自由电子 1 1半导体的基本知识 1 1 4杂质半导体 2 P型半导体 P型半导体的简化形式 空穴和负离子总是成对地出现 在某些场合还需要考虑P型半导体受热激发而产生的少子的影响 1 1半导体的基本知识 1 2半导体二极管及其基本特性 单纯的P型或N型半导体 仅仅是导电能力增强了 因此它还不是电子线路中所需要的半导体器件 若在一块本征半导体上 两边掺入不同的杂质 使一边成为P型半导体 另一边成为N型半导体 则在两种半导体的交界面附近形成一层很薄的特殊导电层 PN结 PN结是构成各种半导体器件的基础 首先介绍以PN结为基础的半导体器件 半导体二极管 Diode 又称为晶体二极管 简称二极管 及其基本特性 1 2 1二极管的结构与符号 1 2半导体二极管及其基本特性 管芯由 型半导体和 型半导体相互紧密结合所构成 电路符号中的箭头方向表示正向电流的方向 即由阳极 anode 指向阴极 negative 的方向 从应用的角度来看 更重要的是了解器件的外部特性 二极管的基本特性有单向导电性 反向击穿特性 电容效应 光敏与发光效应和温度效应 下面将逐一讨论 1 2 2二极管的单向导电性 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 1 二极管单向导电性的测量实验线路 如图所示 图中二极管VD为1N4148 或其它 R为1k 实验仪器 0 30V直流稳压电源 台 数字万用表 块 mA表头 只 1 单向导电性 1 2 2二极管的单向导电性 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 1 二极管单向导电性的测量实验步骤如下 1 按图接好线路 2 由直流稳压电源输出10V电压接入输入端 即UI 10V 此时二极管两端所加的电压为正向电压 观察输出电压和电流的大小 并记录 UO V I mA此时二极管两端的电压UD V该结果说明 当二极管两端所加的电压为正向电压时 二极管将 导通或截止 截止即不导通 1 单向导电性 1 2 2二极管的单向导电性 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 1 二极管单向导电性的测量 3 保持步骤 2 将二极管反接 此时二极管两端所加的电压为反向电压 观察输出电压和电流的大小 并记录 UO I mA该结果说明 当二极管两端所加的电压为反向电压时 二极管将 导通或截止 4 用万用表直接测量二极管的正 反向电阻 比较大小并记录 正向电阻 k 反向电阻 k 实验结论 二极管 具有 不具有 单向导电性 且正向导通时 导通电压降约为 零 零点几 几 伏 1 单向导电性 1 2 2二极管的单向导电性 1 2半导体二极管及其基本特性 二极管的最基本的特性就是单向导电性 由于二极管的组成核心为PN结 为了从原理上说明二极管为什么具有单向导电性 必须先从PN结的形成及其导电机理开始进行讨论 1 单向导电性 1 PN结的形成 1 2半导体二极管及其基本特性 浓度差 多子扩散运动 空间电荷区 内电场 少子漂移运动 动态平衡 1 单向导电性 1 2 2二极管的单向导电性 1 PN结的形成 1 2半导体二极管及其基本特性 PN结的空间电荷区存在电场 即有电位差 通常称该电位差为内建电位差或接触电位差 其值约为零点几伏 1 单向导电性 1 2 2二极管的单向导电性 2 PN结的单向导电性原理 正向偏置 1 2半导体二极管及其基本特性 1 单向导电性 若在PN结两端接上外接电源 则PN结原来的平衡状态将被打破 这种情况被称为偏置 相应的外接电源被称为偏置电源 1 2 2二极管的单向导电性 2 PN结的单向导电性原理 正向偏置 1 2半导体二极管及其基本特性 1 单向导电性 由于正偏时内电场被削弱 少子漂移运动将减弱 而多子扩散运动将增强并形成较大电流 即正向电流较大 PN结对外电路呈现较小的电阻 这种状态称为PN结的导通 cutin 1 2 2二极管的单向导电性 2 PN结的单向导电性原理 反向偏置 1 2半导体二极管及其基本特性 1 单向导电性 由于反偏时内电场被加强 多子扩散运动将减弱 而少子漂移运动将增强但形成电流很小 即反向电流很小 PN结对外电路呈现较高的电阻 这种状态称为PN结的截止 cutoff 1 2 2二极管的单向导电性 1 2半导体二极管及其基本特性 2 PN结的单向导电性原理 1 单向导电性 由于PN结的反向电流是由本征激发产生的少子的漂移电流 其浓度很低 只要外加不大的反向电压 零点几伏以上 即可导致所有的少子都参看与导电 此时若增加反向电压 则反向电流几乎保持不变 因此称为反向饱和电流 用Isat表示 Isat很小 约为几nA 几 A 不难理解 Isat受温度影响较大 1 2 2二极管的单向导电性 1 2半导体二极管及其基本特性 2 PN结的单向导电性原理 1 单向导电性 简而言之 PN结正向导通 反向截止 这就是PN结的单向导电性 PN结的单向导电性即为二极管的单向导电性 1 2 2二极管的单向导电性 1 2半导体二极管及其基本特性 2 二极管的伏安特性 DiodeU Icharacteristics 电子元器件的基本特性 可用流过I与它两端电压U的关系来描述 这就是伏安特性 伏安特性在I U坐标平面上以曲线的形式描绘出来 称为伏安特性曲线 如用方程 equation 描述 则称为伏安特性方程 1 2 2二极管的单向导电性 1 2 2二极管的单向导电性 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 2 逐点法测量二极管的伏安特性实验线路 图1 16所示电路 图中R为1k VD为1N4148 实验仪器 0 30V直流稳压电源1台 mA表头1只 A表头1只 数字万用表1块 2 二极管的伏安特性 DiodeU Icharacteristics 图1 16二极管伏安特性测试电路 1 2 2二极管的单向导电性 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 2 逐点法测量二极管的伏安特性实验步骤如下 1 按1 16 a 接好线路 此时读出的电压和电流值应视为正值 2 按表1 16的要求测量各点电压和电流值 并填入表1 1中 2 二极管的伏安特性 DiodeU Icharacteristics 表1 1二极管伏安特性测量结果 1 2 2二极管的单向导电性 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 2 逐点法测量二极管的伏安特性实验步骤如下 3 按1 16 b 接好线路 此时读出的电压和电流值应视为负值 4 按表1 1的要求测量各点电压和电流值 并填入表中 2 二极管的伏安特性 DiodeU Icharacteristics 表1 1二极管伏安特性测量结果 1 2 2二极管的单向导电性 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 2 逐点法测量二极管的伏安特性实验步骤如下 5 根据表1 1的结果 在坐标纸上大致绘出二极管的伏安特性曲线 即I U关系曲线 U为横坐标 I为纵坐标 2 二极管的伏安特性 DiodeU Icharacteristics 表1 1二极管伏安特性测量结果 1 正向特性 开启电压Uon Uon 0 5V 硅 Uon 0 1V 锗 导通压降UVD UVD 0 6 0 8V 硅 UVD 0 2 0 3V 锗 1 2半导体二极管及其基本特性 1 2 2二极管的单向导电性 2 二极管的伏安特性 DiodeU Icharacteristics 图1 9二极管的伏安特性曲线 注意 坐标系比例不同 反向饱和电流Isat 0nA量级 硅 A量级 锗 反向击穿电压UBR 稍后讨论 1 2半导体二极管及其基本特性 1 2 2二极管的单向导电性 2 二极管的伏安特性 DiodeU Icharacteristics 1 反向特性 图1 9二极管的伏安特性曲线 1 2半导体二极管及其基本特性 1 2 3二极管的反向击穿特性 1 反向击穿特性 实验1 3 二极管反向击穿特性的测量实验线路 图1 18所示电路 图中R为1k VD为1N4740 实验仪器 0 30V直流稳压电源1台 mA表头1只 数字万用表1块 图1 18二极管反向击穿特性测量电路 1 2半导体二极管及其基本特性 1 2 3二极管的反向击穿特性 1 反向击穿特性 实验1 3 二极管反向击穿特性的测量实验步骤如下 1 按图1 18接好线路 2 接入输入电压V 调节使V从0V开始逐渐增大 直到二极管中开始有电流流过 3 测量此时的管压降 并记录U 该值记为U BR 则U BR 1 2半导体二极管及其基本特性 1 2 3二极管的反向击穿特性 1 反向击穿特性 实验1 3 二极管反向击穿特性的测量 4 继续调节V 使V增大或减小 使二极管上的电压或电流满足表1 2所给定的条件 逐点测量并记录 5 根据实验结果 画出1N4740的反向特性曲线 普通二极管的反向击穿电压较高 一般在几十伏到几百伏以上 高反压管可达几千伏 普通二极管在实际应用中不允许工作在反向击穿区 1 2半导体二极管及其基本特性 1 2 3二极管的反向击穿特性 1 反向击穿特性 雪崩击穿齐纳击穿 图1 10稳压二极管的电路符号 1 2半导体二极管及其基本特性 1 2 3二极管的反向击穿特性 2 稳压二极管 ZenerDiode 二极管除了单向导电性外 还具有电容效应 PN结电容效应 即当其两端电压变化时 其存储的电荷也发生变化 出现充 放电现象 按产生的原因不同分为势垒电容和扩散电容两种 1 势垒电容Cb 2 扩散电容Cd结电容Cj为两者之和 即Cj Cb Cd正偏时 Cb Cd Cj主要由Cd决定 1 2半导体二极管及其基本特性 1 2 4二极管的电容效应 1 电容效应 利用二极管的电容效应 可将二极管做成 变容二极管 符号如图 主要用作可变电容 受电压控制 必须工作在反偏状态 常用于高频电路中的电调谐电路 1 2半导体二极管及其基本特性 1 2 4二极管的电容效应 2 变容二极管 光敏特性 半导体具有光敏特性 光照越强受激产生的电子 空穴对的数量越多 光敏二极管 利用二极管的光敏特性 制成光敏二极管 光敏二极管又称光电二极管 属于光电子器件 1 2半导体二极管及其基本特性 1 2 5二极管的光电效应 1 光敏特性与光敏二极管 a 符号 b 光电特性的测量电路 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 4 光电二极管特性的测量与观察实验线路 图1 21所示电路 图中R为10k VD为光电二极管 实验仪器 0 30V直流稳压电源1台 mA表头1只 A表头1只 万用表1块 图1 21光电特性的测量电路 1 2 5二极管的光电效应 1 光敏特性与光敏二极管 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 4 光电二极管特性的测量与观察实验步骤如下 1 直接用万用表测量光电二极管的反向电阻值 并比较在不同光照情况下的差异 并记录 光电二极管在光照较强时的反向电阻值 大于 小于 光照较弱时的电阻值 2 按图1 21接好线路 并串接电流表 1 2 5二极管的光电效应 1 光敏特性与光敏二极管 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 4 光电二极管特性的测量与观察 3 接入电源电压U 10V 观察二极管中有无电流流过 有无输出电压 并记录 4 改变光照强度 使光照强度由强变弱 此时的输出电压或电流将变 大 小 5 将光电二极管反接 并改变光照强度 观察此时的输出电压或电流有无明显变化 并记录 1 2 5二极管的光电效应 1 光敏特性与光敏二极管 1 2半导体二极管及其基本特性 二极管PN结在加上正向偏压时 N区电子和P区空穴都穿过PN结 若在运动中复合 就有能量释放出来 由硅 锗半导体材料制成的PN结主要以热的形式释放出载流子复合时的能量 而由磷 砷 镓等化合物半导体材料制成的PN结则是以光的形式释放出载流子复合时的能量 利用二极管的这一特性 可将二极管制成一种特殊二极管 发光二极管 light emittingDiode 简称LED 发光二极管的特性正好和光电二极管相反 1 2 5二极管的光电效应 2 发光特性与发光二极管 a 符号 b 发光特性的测量电路图1 2 8发光二极管的符号与发光特性的测量电路 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 5 发光二极管特性的测量与观察实验线路 图1 22所示电路 图中R为1k VD为发光二极管 实验仪器 0 30V直流稳压电源1台 mA表头1只 数字万用表1块 1 2 5二极管的光电效应 2 发光特性与发光二极管 图1 22发光二极管发光特性的测量电路 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 5 发光二极管特性的测量与观察实验步骤如下 1 直接用万用表测量发光二极管的正反向电阻值 并记录 R正 R反 2 按图1 22接好线路 并串入mA电流表 1 2 5二极管的光电效应 2 发光特性与发光二极管 图1 2 2发光二极管发光特性的测量电路 1 2半导体二极管及其基本特性 实验1 5 发光二极管特性的测量与观察 3 接入电源电压U 并U使由0V逐渐增大 直至发光二极管开始发出光 并记录此时发光二极管正向压降UVD和正向电流I UVD I 4 保持步骤 3 继续增大 观察发光二极管发光强度随电流增大而变化的情况 并记录 5 将发光二极管反接 并观察此时的发光二极管有无发光 并记录 1 2 5二极管的光电效应 2 发光特性与发光二极管 1 2半导体二极管及其基本特性 半导体还具有热敏特性 温度每升高1 正向压降减小2 2 5mV 温度每升高10 反向电流约增大一倍 二极管的反向特性受温度的影响较大温度对二极管的影响是不可避免的 因为温度总是存在于器件中且经常变化的 1 2 6二极管的温度特性 在各种电子电路中 二极管是使用和应用最频繁的器件之一 它具有结构简单 体积小 价格低 反向耐压高 工作频率高和使用方便等特点 二极管基本应用电路有 开关与整流电路 稳压电路 光电转换与电光转换电路 电调谐电路等 其中 开关与整流电路所用的二极管为普通二极管 即开关管和整流管 而其他电路所使用的二极管则为相应的特殊二极管 1 3二极管的基本应用电路 1 3二极管的基本应用电路 简单电子开关电路如图所示 原理 ui为交流信号 有用信息 是受控对象 E为控制二极管D通断的直流电压 其值最大可达几V以上 当E 0时 VD截止当E为几V以上时 VD导通电路功能 直流V通过对VD的控制 实现对交流信号的开关控制 1 3 1开关与整流电路 1 开关电路 简单整流电路如图所示 实验1 6 二极管整流电路的测量与观察实验线路 如图所示电路 图中R为1k D为1N4148 实验仪器 低频信号发生器1台 双踪示波器1台 1 3 1开关与整流电路 2 整流电路 1 3二极管的基本应用电路 实验1 6 二极管整流电路的测量与观察实验步骤如下 1 按图接好电路 2 由低频信号发生器输出3V 1kHz的交流信号加到电路输入端 用示波器同时观察输入和输出波形 画出此时的实验电路并记录输入和输出电压波形 画在坐标纸上 3 保持实验步骤 2 将二极管反接 用示波器同时观察输入和输出波形 画出此时的实验电路并记录输入和输出电压波形 画在坐标纸上 1 3 1开关与整流电路 2 整流电路 1 3二极管的基本应用电路 实验1 6 二极管整流电路的测量与观察实验步骤如下 4 保持实验步骤 3 将二极管与电阻互换位置 用示波器同时观察输入和输出波形 画出此时的实验电路并记录输入和输出电压波形 画在坐标纸上 5 保持实验步骤 4 将二极管反接 用示波器同时观察输入和输出波形 画出此时的实验电路并记录输入和输出电压波形 画在坐标纸上 实验结果表明 所谓 整流 就是指把 双向 单向 交流电变为 双向 单向 脉动交流电 6 仍按原图接好电路 在输出端并接10 F电解电容 正极性向上 用示波器同时观察输入和输出波形 画出此时的实验电路并记录输入和输出电压波形 画在坐标纸上 1 3 1开关与整流电路 2 整流电路 1 3二极管的基本应用电路 整流电路原理 ui为交流信号 当ui为正半周时 VD导通当ui为负半周时 VD截止整流电路功能 通过VD将双向交流变成单向脉动交流 含直流 1 3 1开关与整流电路 2 整流电路 图1 25简单整流电路的波形 1 3二极管的基本应用电路 由稳压二极管构成的简单稳压电路如图1 26所示 其应用条件是要求输出电流较小 图中R为限流电阻 该电路能在输入电压UI和负载RL在一定范围内变化时 均可保持输出电压基本不变 1 3 2稳压电路 图1 26简单稳压电路 1 3二极管的基本应用电路 1 3 2稳压电路 实验1 8 简单稳压电路的测量实验线路 图1 33所示电路 图中R为470 1W VDZ为稳压二极管1N47 实验仪器 0 30V直流稳压电源1台 数字万用表1块 图1 33简单稳压电路 1 3二极管的基本应用电路 1 3 2稳压电路 实验1 8 简单稳压电路的测量实验步骤如下 1 按图1 33接好线路 2 接入输入电压UI 20V 负载电阻RL 10k 测量输出电压UO 并记录UO 图1 33简单稳压电路 1 3二极管的基本应用电路 1 3 2稳压电路 实验1 8 简单稳压电路的测量 3 改变输入电压 使UI 25V 负载电阻RL不变 测量输出电压UO 并记录UO 结果表明 当输入电压在一定范围内变化时 电路的输出电压 基本保持不变 随输入电压变化而变化 4 改变负载电阻 使RL 5k 输入电压UI不变 测量输出电压UO 并记录UO 结果表明 当负载电阻在一定范围内变化时 电路的输出电压 可以基本保持不变 随负载电阻变化而变化 1 3二极管的基本应用电路 稳压管稳压的原理实际上是利用稳压管在反向击穿时电流可在较大范围内变动但击穿电压却基本不变的特点而实现的 当输入电压变化时 输入电流将随之变化 稳压管中的电流也将随之同步变化 结果输出电压基本不变 当负载电阻变化时 输出电流将随之变化 但稳压管中的电流却随之作反向变化 结果仍是输出电压基本不变 1 3 2稳压电路 图1 26简单稳压电路 1 3二极管的基本应用电路 1 电路如图1 27所示 2 原理 实际的输入信号是光输入信号 而不是电压U 首先光信号的变化将引起光电二极管中载流子 少子 的变化 引入电压U的作用就是将该变化转化为相应的电流或电压的变化 应该注意到 U的作用同时还应使光电二极管处于反偏状态 因为正偏状态下 光电二极管本身有较大的正向导通电流 与光信号无关 而受光信号控制的电流却很小 从而无法得到正常的有用输出信号 3 应用 路灯自动控制 红外遥控 接收 光定位系统和光纤通信系统等 1 3 3光 电转换与电 光转换电路 图1 27光 电转换电路 1 光 电转换电路 1 3二极管的基本应用电路 1 电路如图1 28所示 2 原理电路中 输入信号是电压U 应该注意到 该电路中的发光二极管处于正偏状态 因为反偏状态下 发光二极管中无电流流过 也就不可能产生电 光转换的效果 控制的电流却很小 从而无法得到正常的有用输出信号 3 应用 电源指示电路 低亮度照明电路 红外遥控 发射 光定位系统和光通信系统等 1 3 3光 电转换与电 光转换电路 图1 28电 光转换电路 2 电 光转换电路 1 3二极管的基本应用电路 由变容二极管构成的简单电调谐电路 原理电路 如图1 29所示 电路中 实际的输入信号是交流电压ui 而不是直流电压U 电压U的作用是控制变容二极管的容量大小 以控制谐振电路的谐振频率而达到选频的目的 应该注意到 U的作用同时还应使变容二极管处于反偏状态 因为正偏状态下 变容二极管本身有较大的正向导通电流 相当于其电容两端并联一阻值很小的电阻 使谐振电路的品质因数Qe值也很小而无法实现正常的选频作用 1 3 4电调谐电路 图1 29简单电调谐电路 原理电路 1 3二极管的基本应用电路 在很多无线电设备的选频或其它电路中 经常要用到调谐电路 与机械调谐电路相比 电调谐电路具有体积小 成本低 可靠性高和易与CPU接口等优点而得到广泛应用 1 3 4电调谐电路 图1 29简单电调