模拟电子第一章

1、第1章 半导体二极管(Semiconductor Diode)1.1半导体的基础知识教学要求     理解P型半导体和N型半导体形成的机理；  熟悉空间电荷区的形成过程；  掌握PN结的单向导电性一、本征半导体半导体 ：   导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体：纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子 ：   自由运动的带电粒子。本征激发：  在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。复 合：   

2、 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂 移：   自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。 两种载流子: 电子(自由电子)和空穴 两种载流子的运动：自由电子(在共价键以外)的运动 ；空穴(在共价键以内)的运动 结论： 1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.  本征半导体导电能力弱，并与温度有关。        二、杂质半导体    

3、在本征半导体中参入微量杂质元素可提高半导体的导电能力，参杂后的半导体称为杂质半导体。根据参入杂质的不同可分为N型半导体和P型半导体。     1.N 型半导体和 P 型半导体                            电子为多数载流子      &

4、#160;                空穴为多数载流子                 空穴为少数载流子    电子为少数载流子     2.杂质半导体的导电性能    杂质半导体的导电性能主要取决于多子浓度，而多子

5、浓度主要取决于掺杂浓度，其值较大且稳 定，因此导电性能得到明显提高。少子浓度主要与本征激发有关，对温度敏感，温度升高，其值增大。  三、 PN 结     1.PN结（PN Junction）的形成    P区和N区交界面处形成的区域称为PN结。形成原因主要有以下三个：(1)载流子的浓度差引起多子的扩散 ；(2)复合使交界面形成空间电荷区 (耗尽层)(3)扩散和漂移达到动态平衡         2.PN结的单向导电性 

6、0;  加在PN结上的电压称为偏置电压。若P区接高电位，N区接低电位，称PN结外接正向电压或PN结正向偏置，简称正偏；反之，称PN结外接反向电压或PN结反向偏置，简称反偏。    PN结正偏:外电场使多子向PN结移动，中和部分离子使空间电荷区变窄。扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子-I少子I多子    PN结反偏：外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。漂移运动加强形成反向电流IR。IR=I少子0    结论：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。3.PN

7、结的击穿特性当加于PN结两端的反向电压增大到一定值时，二极管的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为反向击穿。反向击穿后，只要反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，PN结一般不会损坏。若反向电压下降到击穿电压以下后，其性能可恢复到原有情况，即这种击穿是可逆的，称为电击穿；若反向击穿电流过大，则会导致PN结结温过高而烧坏，这种击穿是不可逆的，称为热击穿。PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种机理。当反向电压足够大时，PN结的内电场加强，使少子漂移速度加快，动能增大，通过空间电荷区与原子相撞，产生很多的新电子-空穴对，这些新产生的电子又会去撞击更多的原子，这种作用如同雪

8、崩一样，使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中，因为这种PN结的阻挡层宽，因碰撞而电离的机会就多。由高浓度掺杂材料制成的PN结中耗尽区宽度很窄，即使反向电压不高也容易在很窄的耗尽区中形成很强的电场，将价电子直接从共价键中拉出来产生电子-空穴对，致使反向电流急剧增加，这种击穿称为齐纳击穿。1 .2 二极管的特性及主要参数教学要求了解二极管的结构；掌握二极管的伏安特性；熟悉二极管的主要参数。 一、 半导体二极管的结构和类型构成：PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode)    符号：阳极（正极） 阴极（负极）  

9、0; 分类： 1.根据材料   硅二极管、锗二极管      2.根据结构   点接触型、面接触型、平面型 二极管的结构和符号（a）结构示意图   （b）电路符号   （c）点接触型   （d）面接触型   （e）平面型    二极管常见外型图：二、二极管的伏安特性       二极管由一个PN结构成，具有单向导电性。二极管电流ID随外加于二极管两

10、端的电压uD的变化规律 ，称为二极管的伏安特性曲线。     1.PN 结的伏安方程曼常数，q为电子电量，当 T = 300(27°C)时，UT = 26 mV 。      2.二极管的伏安特性    二极管由一个PN结构成，具有单向导电性。 当外加正向电压小于Uth时，外电场不足以克服PN结的内电场对多子扩散运动造成的阻力，正向电流几乎为零，二极管呈现为一个大电阻，好像有一个门坎，因此将电压Uth称为门槛电压(又称死区电压)。在室温下硅管Ut

11、h0.5V，锗管Uth0.1V。当外加正向电压大于Uth后，PN结的内电场大为削弱，二极管的电流随外加电压增加而显著增大，电流与外加电压呈指数关系，实际电路中二极管导通时的正向压降硅管约为0.60.8V，锗管约为0.10.3V，因此工程上定义这一电压为导通电压，用UD(n)表示，认为uDD(n)时，二极管导通，iD有明显的数值，而uDUD(n)时，iD很小，二极管截止，工程上，一般取硅管UD(n)=0.7V，锗管UD(n)=0.2V。    二极管电流iD随外加于二极管两端的电压uD的作用而变化的规律，称为二极管的伏安特性曲线。   

12、 二极管两端加上反向电压时，反向饱和电流IS很小（室温下，小功率硅管的反向饱和电流IS小于0.1A，锗管为几十微安。）.当加于二极管两端的反向电压增大到U(BR) 时，二极管的PN结被击穿，此时反向电流随反向电压的增大而急剧增大，U(BR)称为反向击穿电压。    反向击穿类型：    电击穿 PN 结未损坏，断电即恢复。    热击穿 PN 结烧毁。反向击穿原因：    齐纳击穿(Zener)：向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压 < 6 V，负温度

13、系数)     雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。 (击穿电压 > 6 V，正温度系数)击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。     3.温度对二极管特性的影响    温度对二极管的特性有显著影响。在室温附近，温度每升高1，正向压降约减小2-2.5mV，温度每升 三、二极管的主要参数          IF 最大整流电流(最大正向平均电流)  &

14、#160; URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2          IR 反向电流(越小单向导电性越好) fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差)         影响工作频率的原因 PN 结的电容效应 结论： 1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。        2. 结面积小时结电容小

15、，工作频率高。1 .3 二极管电路的分析方法教学要求了解二极管的折线模型；掌握二极管的理想提醒和二极管的恒压降模型；了解二极管电路的分析方法一、理想二极管及二极管特性的折线近似     1.理想二极管    理想二极管：正向偏置时导通，电压降为零；反向偏置时截止，电流为零；反向击穿电压为无穷大。将二极管的伏安特性曲线用两段直线来逼近，称为二极管特性曲线折线近似。              

16、0;                       2.二极管的恒压降模型    忽略二极管的导通电阻rD的二极管特性曲线和等效电路,称为二极管恒压降模型.如下图所示.     3.二极管的折线近似模型    外加电压远大于二极管的导通电压UD(on)时,忽略UD(on)的影响,将二极管的特

17、性曲线用从当坐标原点出发的两段折线逼近,称为二极管的折线模型.        例题分析：    例 1  二极管为硅管，其中R = 3 kW，试分别用二极管理想模型和恒压降模型求出 VDD =3V 和VDD = 10 V 时 IO 和 UO 的值。   解：VDD = 3 V    理想    UO = VDD = 3 V      IO  = V

18、DD / R = 3 / 3 = 1 (mA)    恒压降 UO = VDD UD(on) = 3 - 0.7 = 2.3 (V)        IO  = UO / R = 2.3 / 3= 0.77 (mA)   VDD = 10V  理想    IO = VDD / R =10 / 3 =3. 33(mA)   恒压降  UO= VDD UD(on)  = 10 - 0.7 = 9.3 (V) &#

19、160;     IO = UO / R = 9.3 / 3 = 3. 1(mA)  VDD 大，采用理想模型 ；VDD 小， 采用恒压降模型    例2  试求电路中电流 I1、I2、IO 及输出电压 UO 的值。解：假设二极管断开  UP = 15 V                    &#

20、160;                                       输入电压理想二极管输出电压VAVBV1V20V0V正偏导通正偏导通0V0V3V正偏导通反偏截止0V3V0V反偏截止正偏导通0V3V3V

21、正偏导通正偏导通3V      理想二极管：      正偏导通，电压降为零，相当于开关闭合；反偏截止，电流为零，相当于开关断开。      恒压降模型：      正偏电压 > UD(on) 时导通，等效为恒压源 UD(on)；否则截止，相当于二极管支路断开。    二、图解法和微变等效电路法    1.直流图解法   

22、     2.  交流图解法    电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中含交、直流成分。分析交、直流量共存的电子电路，通常对直流状态和交流状态分别进行讨论（也称静态分析和动态分析），然后再进行综合。     3.微变等效电路的分析方法    例 4 ui = 5sinwt (mV)，VDD= 4 V，R = 1 kW，求 iD 和 uD。     解：（1）静态分析  令 ui = 0，取 U

23、Q » 0.7 V ，IQ = (VDD-UQ) / R = 3.3 mA       （2）动态分析  rd = 26 / IQ = 26 / 3.3 » 8 (W) ，Idm= Udm/ rd= 5 /8 » 0.625 (mA)，                      

24、  id = 0.625 sinwt       （3）总电压、电流                  1 .4 特殊二极管  教学要求                  

25、;  掌握稳压二极管的稳压原理；                    熟悉二极管的主要参数；                   了解发光二极管和光电二极管的特性。二极管的种类很多，除普通二极管外，

26、常用的还有稳压二极管、发光二极管、光电二极管等。   一、稳压二极管      1.稳压二极管的伏安特性    稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，其符号和伏安特性曲线如右图所示，它的正向特性曲线时所对应的电流值。当工作电流低于IZ时，稳压效果变差，若低于IZmin时，稳压管将失去稳压作用。      (3)最大耗散功率PZM和最大工作电流IZM。PZM和IZM是为了保证管子不被热击穿而规定的极限参数，由管子允许的最高结温决定，PZM=IZMUZ。&#

27、160;     (4)动态电阻rZ。动态电阻是稳压范围内电压变化量与相应的电流变化量之比，即rZ=UZ/IZ，rZ值很小，约几欧到几十欧。rZ越小，即反向击穿特性越陡，稳压性能就越好。      (5)电压温度系数CT。电压温度系数指温度每增加1时，稳定电压的相对变化量，即CT=UZ/UZT×100%二、发光二极管LED（Light Emitting Diode）    发光二极管是一种通正向电流时就会发光的二极管，根据制成材料的不同，可发出红、橙、黄、绿、蓝色光

28、。发光二极管电路路符号如下图所示。发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，不过它的正向导通电压大于1V，同时发光的亮度随通过的正向电流增大而增强，工作电流为几个毫安到几十毫安，典型工作电流为10mA左右。发光二极管的反向击穿电压一般大于5V，但为使器件稳定可靠工作，应使其工作在5V以下。      三、光电二极管    光电二极管的结构与普通二极管类似，使用时光电二极管PN结工作在反向偏置状态，在光的照射下，反向电流随光照强度的增加而上升(这时的反向电流叫光电流)，所以，光电二极管是一种将光信号转为电信号的半导体器件，其电路符号如下图所示。另外，光电流还与入射光的波