第01章半导体二极管及基本电路

1、电子技术电子技术电工电子教学基地编制2一、课程的性质及任务一、课程的性质及任务1. 1. 本课程是一门电子技术方面的入门本课程是一门电子技术方面的入门技术基础课，是研究各种半导体器件、技术基础课，是研究各种半导体器件、电子线路及应用的一门学科。电子线路及应用的一门学科。2. 2. 学生通过本课程的学习，掌握一些学生通过本课程的学习，掌握一些有关电子技术的有关电子技术的基本理论基本理论、基本知识基本知识，为今后进一步学习打下一定的基础。为今后进一步学习打下一定的基础。3二二 研究对象研究对象1.1.电子器件的特性、参数；电子器件的特性、参数；2.2.电子线路分析的基本方法：即模拟电路电子线路分析

2、的基本方法：即模拟电路和数字电路的分析方法和数字电路的分析方法。3.3.有关应用。有关应用。三三 研究方法研究方法电子技术的研究方法与电路不同，它具有电子技术的研究方法与电路不同，它具有更强的更强的工程性质工程性质，在分析中常用工程，在分析中常用工程近似近似法法突出主要问题，使分析过程得以简化。突出主要问题，使分析过程得以简化。4讲授内容讲授内容第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路 第二章第二章 晶体管及基本放大电路晶体管及基本放大电路 第三章第三章 场效应管及放大电路场效应管及放大电路 第四章第四章 反馈放大电路反馈放大电路 第五章第五章 集成电路运算放大器及应用集成电

3、路运算放大器及应用 第八章第八章 数字电路基础数字电路基础第九章第九章 逻辑代数与逻辑函数逻辑代数与逻辑函数 第十章第十章 组合逻辑电路组合逻辑电路 第十一第十一 双稳态触发器双稳态触发器 第十二章第十二章 时序逻辑电路时序逻辑电路 第十三章第十三章 数模和模数转换器数模和模数转换器 5绪论绪论 电子技术发展概况电子技术发展概况u1906年真空三极管的诞生，标志着第一代电子年真空三极管的诞生，标志着第一代电子器件器件真空管开始形成。真空管开始形成。u 20世纪世纪40年代后期，出现了一种新型的电子器年代后期，出现了一种新型的电子器件件半导体器件，它被称为第二代电子器件。半导体器件，它被称为第二

4、代电子器件。u1959年第三代电子器件年第三代电子器件集成电路诞生。集成电路诞生。u集成电路的发展经历了小规模、中规模、大规集成电路的发展经历了小规模、中规模、大规模和超大规模等不同阶段。第一块集成电路上只模和超大规模等不同阶段。第一块集成电路上只有四只晶体管，而目前的集成电路已经可以在一有四只晶体管，而目前的集成电路已经可以在一片硅片上集成几千万只，甚至上亿只晶体管。片硅片上集成几千万只，甚至上亿只晶体管。6绪论绪论 相关概念相关概念1. 电子技术电子技术u电子技术是研究电子器件、电子电路及应用技电子技术是研究电子器件、电子电路及应用技术的一门科学技术，是发展迅速的学科之术的一门科学技术，是

5、发展迅速的学科之。u电子器件的作用是实现信号的产生、放大、调电子器件的作用是实现信号的产生、放大、调制、探测、储存及运算等，常见的有真空管、晶制、探测、储存及运算等，常见的有真空管、晶体管和集成电路。体管和集成电路。u电子电路是组成电子设备的基本单元，由电阻、电子电路是组成电子设备的基本单元，由电阻、电容、电感等元件和电子器件构成，完成某种特电容、电感等元件和电子器件构成，完成某种特定功能。定功能。 7绪论绪论 2. 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号 u模拟信号是指幅值随时间连续变化的信号，如模拟信号是指幅值随时间连续变化的信号，如正弦波，是一种常用来分析电路特性的模拟信号正弦波，是一种常

6、用来分析电路特性的模拟信号的波形的波形,其特点是在一定动态范围内可任意取值。其特点是在一定动态范围内可任意取值。常用十进制数表示。常用十进制数表示。 u数字信号的时间变量是离散的，幅值是跃变的，数字信号的时间变量是离散的，幅值是跃变的，如矩形波，其特点是在一定时间内可取的值是有如矩形波，其特点是在一定时间内可取的值是有限的，常用二进制数表示。限的，常用二进制数表示。 8绪论绪论 3.模拟电路与数字电路模拟电路与数字电路u模拟电路处理的信号是模拟信号，重点研究信模拟电路处理的信号是模拟信号，重点研究信号在处理过程中的波形变化及器件和电路对信号号在处理过程中的波形变化及器件和电路对信号波形的影响。

7、电路中电子器件常工作在放大（线波形的影响。电路中电子器件常工作在放大（线性）状态。模拟电路主要采用电路分析的方法，性）状态。模拟电路主要采用电路分析的方法，具体有图解分析法和微变等效电路分析法。具体有图解分析法和微变等效电路分析法。u数字电路处理的信号是数字信号，重点研究电数字电路处理的信号是数字信号，重点研究电路输入和输出之间的逻辑关系。电路中电子器件路输入和输出之间的逻辑关系。电路中电子器件经常工作在时通时断的开关（非线性）状态，分经常工作在时通时断的开关（非线性）状态，分析时常采用逻辑代数、真值表、卡诺图和状态转析时常采用逻辑代数、真值表、卡诺图和状态转换图等方法。换图等方法。 9绪论绪

8、论 学习重点学习重点 u重点应放在最基本的电路结构、工作原理、分重点应放在最基本的电路结构、工作原理、分析方法、组合规律以及典型应用等方面。析方法、组合规律以及典型应用等方面。u在学习中，对待器件、电路、应用三者的关系在学习中，对待器件、电路、应用三者的关系是：器件、路、用结合，器件为路所用，以典型是：器件、路、用结合，器件为路所用，以典型电路推动应用。电路推动应用。 10第一章第一章 半导体二极管半导体二极管 及基本电路及基本电路基本要求基本要求 理解理解 P N P N 结的单向导电性，理解二极管、结的单向导电性，理解二极管、稳压管稳压管的工作原理，掌握分析的工作原理，掌握分析二极管、稳压

9、管二极管、稳压管电路的分析方法。电路的分析方法。基本内容基本内容基础知识基础知识半导体二极管半导体二极管 二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法 稳压二极管及电路分析方法稳压二极管及电路分析方法 第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识111.1 1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识按物体的导电性能，可将物体分为导体、绝缘体按物体的导电性能，可将物体分为导体、绝缘体和半导体三类。和半导体三类。1.1.导体：导体：电阻率很低、电流易通过、导电性强的电阻率很低、电流易通过、导电性强的物体。物体。2.2.绝缘体：绝缘体：电阻率

10、很高、电流不通过、无导电能电阻率很高、电流不通过、无导电能力的物体。力的物体。 3.3.半导体：半导体：它的导电能力介于导体和绝缘体之间它的导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。的物体。半导体是如何导电的？怎样提高其导电能力？半导体是如何导电的？怎样提高其导电能力？ 第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/本征半导体本征半导体12 半导体经高度提纯并制成晶体后，原子间组成半导体经高度提纯并制成晶体后，原子间组成某种形式的晶体点阵，这种半导体称为本征半导某种形式的晶体点阵，这种半导体称为本征半导体。也就是体。也就是完全纯净的、具有晶体结

11、构的半导体。完全纯净的、具有晶体结构的半导体。一一. . 本征半导体本征半导体(a) 锗锗Ge 的原子结构的原子结构 (b) 硅硅Si 的原子结构的原子结构第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/本征半导体本征半导体13本征半导体导电方式本征半导体导电方式 以硅（以硅（SiSi）元素为例讨论、分析）元素为例讨论、分析 硅单晶中的共价键结构硅单晶中的共价键结构第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/本征半导体本征半导体14 1）自由电子和空穴的形成）自由电子和空穴的形成 在

12、外界的影响下在外界的影响下（如热、光、电场、（如热、光、电场、磁场等），使得其磁场等），使得其共价键中的价电子共价键中的价电子获得一定能量后，获得一定能量后，电子受到激发脱离电子受到激发脱离共价键，成为自由共价键，成为自由电子（带负电），电子（带负电），共价键中留下一个共价键中留下一个空位，称为空位，称为“空空穴穴”。价电子价电子空穴空穴 自由电子自由电子第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/本征半导体本征半导体15 2 2）载流子的形成）载流子的形成在外电场的作用下，价电子填补空穴，就好像在外电场的作用下，价电子填补空穴，就好像

13、空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，空穴运动相当于正电荷的运动。的方向相反，空穴运动相当于正电荷的运动。当加上一定方向的电场后，就会不断有激发、当加上一定方向的电场后，就会不断有激发、复合过程，出现两部分的电流，即复合过程，出现两部分的电流，即 电子电流：电子电流：自由电子作定向运动所形成的电；自由电子作定向运动所形成的电； 空穴电流：空穴电流：被原子核束缚的价电子递补空穴所被原子核束缚的价电子递补空穴所形成的电流。形成的电流。自由电子和空穴是运载电荷的粒子，称为自由电子和空穴是运载电荷的粒子，称为载流载流子子第一章第一章 半导体二极管及

14、基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/杂质半导体杂质半导体16二二. .杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入微在本征半导体中掺入微量的杂质量的杂质( (某种元素），而形成的半导体。某种元素），而形成的半导体。杂质半导体杂质半导体N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/杂质半导体杂质半导体17在硅（或锗）的晶体中掺人少量的五价元素（如在硅（或锗）的晶体中掺人少量的五价元素（如磷元素），如图所示，多余的第五个价电子很容磷元素），如图所示，多

15、余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。1.1. N 型半导体型半导体磷原子的结构磷原子的结构硅晶体中掺磷出现自由电子硅晶体中掺磷出现自由电子第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/杂质半导体杂质半导体18N 型半导体示意图型半导体示意图半导体中的自由电子数目大半导体中的自由电子数目大量增加，于是有：量增加，于是有：自由电子数自由电子数 空穴数空穴数 多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子以自由电子导电作为主要导以自由电子导电作为主要导电方式的半导体电方式的半导体，称为称为电子电

16、子半导体半导体或或 N 型半导体型半导体（N type semiconductor ) 。第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/杂质半导体杂质半导体19自由电子数自由电子数 空穴数空穴数 少数载流子少数载流子 多数载流子多数载流子以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空穴半导体或穴半导体或 P型半导体型半导体 (P type semiconductor ) 。硅硅晶晶体体掺掺硼硼出出现现空空穴穴硼原子的结构硼原子的结构2. P 型半导体型半导体第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二

17、极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/杂质半导体杂质半导体20掺杂浓度掺杂浓度温度温度N 型、型、P 型半导体示意图型半导体示意图N 型半导体型半导体 P 型半导体型半导体杂质半导体中多数载流子浓度取决于杂质半导体中多数载流子浓度取决于 少数载流子浓度取决于少数载流子浓度取决于第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/杂质半导体杂质半导体21 半导体中存在着两种载流子半导体中存在着两种载流子-自由电子和空穴。自由电子和空穴。因此，半导体的导电原理明显区别于导体。因此，半导体的导电原理明显区别于导体。 在本征半导体中

18、掺微量杂质可以控制半导体的导在本征半导体中掺微量杂质可以控制半导体的导电能力和参加导电的主要载流子的类型。电能力和参加导电的主要载流子的类型。 环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。例环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。例如当温度增加或受到光照时，半导体导电能力都如当温度增加或受到光照时，半导体导电能力都有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都是利用有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都是利用这一特性制造的。这一特性制造的。半导体的特点：半导体的特点： 第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/P N 结结22三三. . P N 结结

19、多数载流子要从浓度大多数载流子要从浓度大的的 区域扩散到浓度小区域扩散到浓度小的区域，形成的区域，形成空间电荷空间电荷区区-PNPN结结，产生电场，产生电场，称为内电场称为内电场 E Ed d ；内电场对多数载的内电场对多数载的扩散扩散运动运动起阻挡作用，对少起阻挡作用，对少数载流子又起推动作用，数载流子又起推动作用，这种少数载流子在内电这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动场作用下有规则的运动称为称为漂移运动漂移运动。第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/P N 结结23注意：注意：1）空间电荷区的正负离子虽带电，但它们不能移

20、空间电荷区的正负离子虽带电，但它们不能移动，动，不参与导电不参与导电。因区域内的载流子极少，所。因区域内的载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。以空间电荷区的电阻率很高。2）内电场对多数载流子的内电场对多数载流子的扩散运动扩散运动起阻挡作用，起阻挡作用，所以所以空间电荷区空间电荷区-PN结结又称为又称为阻挡层阻挡层或或耗尽层耗尽层。1. PN1. PN结的形成结的形成随随Ed扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动达到动态平衡达到动态平衡Ed 不变化不变化形成稳定的形成稳定的PN 结结第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/P N 结结2

21、42. P N 2. P N 结的单向导电结的单向导电性性1）PN 结加正向电压结加正向电压内电场内电场 EdPN 结变窄结变窄多子扩散运动多子扩散运动少子漂移运动少子漂移运动 PN 结导通结导通（ PN 结呈现结呈现 R )形成正向电流形成正向电流 I 第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/P N 结结252） PN 结加反向电压结加反向电压第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/P N 结结26PN 结变宽结变宽多子扩散运动多子扩散运动少子漂移运动少子漂移运动 PN

22、 结截止结截止 （PN 结呈现反向结呈现反向R ） 内电场内电场 Ed形成反向电流形成反向电流 I P区接负极区接负极N区接正极区接正极加反向电压加反向电压2） PN 结加反向电压结加反向电压结论结论：P N 结具有结具有单向导电单向导电性。性。加加正向正向电压，电压，PN结结导通导通，正向电流较大，结电阻，正向电流较大，结电阻很低。很低。加加反向反向电压，电压，PN 结结截止截止，反向电流很小，结电阻，反向电流很小，结电阻很高很高。第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识/P N 结结273） PN 击穿击穿当加在当加在PNPN结的

23、反向电压超过某一数值（结的反向电压超过某一数值（U UBRBR）时，反）时，反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。只要向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。只要PNPN结不因电流过大产生过热而烧毁，反向电击穿与结不因电流过大产生过热而烧毁，反向电击穿与反向截止两种状态都是可逆的。反向截止两种状态都是可逆的。4 4）PNPN结的电容效应结的电容效应加在加在PNPN结上的电压的变化可影响空间电荷区电荷的结上的电压的变化可影响空间电荷区电荷的变化，说明变化，说明PNPN结具电容效应。结具电容效应。PNPN结的结电容的数值结的结电容的数值一般很小，故只有在工作频率很高的情况下才考虑一般很小，故只

24、有在工作频率很高的情况下才考虑PNPN结的结电容作用。结的结电容作用。第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路281.2 1.2 半导体二极管半导体二极管一一. 点接触式和面接触式二极管的结构点接触式和面接触式二极管的结构D 阴极阴极阳极阳极二极管符号二极管符号第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/ 1.2半导体二极管半导体二极管29二二. 伏安特性（伏安特性（VA特性特性)硅二极管的伏安特性硅二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性将二极管分为三种将二极管分为三种状态状态截止截止、导导通通和和击穿击穿。第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体

25、二极管及基本电路/ 1.2半导体二极管半导体二极管/伏安特性伏安特性30 硅二极管的伏安特性硅二极管的伏安特性 锗二极管的伏安特性锗二极管的伏安特性第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/ 1.2半导体二极管半导体二极管/伏安特性伏安特性311）正向特性：正向特性： OA段：段：当当 UF UT （死区电压）时外电场不（死区电压）时外电场不 足足以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流正向电流 IF 很小很小(I F 0)， D处于截止状态处于截止状态。 硅硅(Si)：U T 0.5V; 锗锗(Ge): U T 0.1

26、V。 AB段：段：当当 U F U T后，后， Ed扩散运动扩散运动 I F D 导通。D导通时的正向压降，硅管约为导通时的正向压降，硅管约为(0.60.7)V，锗管，锗管约为约为(0.20.3)V。分析：分析：第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/ 1.2半导体二极管半导体二极管/伏安特性伏安特性322） 反向特性反向特性OC段段：当当 U R U BR （击穿电压）时击穿电压）时， CD段：当段：当 U R U BR 后，后， PN结被击穿，结被击穿，I R随随 U D 失去单向导电性。失去单向导电性。扩散扩散漂移漂移Ed I R 很小很小D 截止。截止。一般情况下，

27、锗管反向电流一般情况下，锗管反向电流I R硅管硅管I R反向电流。反向电流。第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/ 1.2半导体二极管半导体二极管/伏安特性伏安特性33综述：综述：1）二极管的）二极管的 VA 特性为非线性；特性为非线性；2）当）当 时，且时，且 U F U T ，则，则 D 导通；导通；3）当）当 U T U D U BR ，有，有I R 0，则，则D 截截 止；止；4）当）当 时，且时，且 U R U BR ，则反向击，则反向击穿烧坏穿烧坏。第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/ 1.2半导体二极管半导体二极管34三三. 主要参数

28、主要参数 1）最大整流电流）最大整流电流 I F M 二极管长时间可靠工作时，允许流过二极二极管长时间可靠工作时，允许流过二极管的最大正向平均电流。管的最大正向平均电流。 2）最高反向工作电压）最高反向工作电压 U R M 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压压。 U R M=（击穿电压（击穿电压）/ 2 3）最大反向电流）最大反向电流 I R M 当二极管加上反向工作峰值电压时所对应当二极管加上反向工作峰值电压时所对应的反向电流。的反向电流。 I R M越小，单向导电性好。越小，单向导电性好。第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路35

29、 二极管的应用很广，其基本电路有整流电路、二极管的应用很广，其基本电路有整流电路、开关电路、限幅电路等。由于二极管是非线性器开关电路、限幅电路等。由于二极管是非线性器件，分析电路时常采用模型分析法。件，分析电路时常采用模型分析法。 理想模型理想模型 恒压模型恒压模型 1.3 二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.3二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法36 例例 1. 当输入电压为当输入电压为 ui ，试绘出输出电压试绘出输出电压 uo 波波形。设形。设U c ( 0+ ) = 0，tp RC ，D为理想二为理

30、想二极管。极管。整流作用整流作用微分电路微分电路第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.3二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法37 例例 2. 开关电路如图所开关电路如图所示，当输入示，当输入端端 UA = 3V ， UB = 0 V,试求试求 输输出端出端 Y 的电位的电位 UY。 解：解： UA = 3V， UB = 0V DA优先导通，优先导通， DB 截止；截止；则则 UY = UAUD =30.7(0.3)= 2.3( 2.7) V例例 2图图UA UB U3 0 2.30 3 2.33 3 2.30 0 -0.71 0 10 1 11 1 10 0 0电路的逻辑关系为电路的逻辑关系为或逻辑或逻辑二极管具有二极管具有钳位作用钳位作用第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路/1.3二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法38 例例 3. 限幅（削波）限幅（削波）作用电路如图所示，作用电路如图所示，求求 uo 及画出波形。及画出波形。解：解：1）当）当 ui E 时，时， D导通；导通； uo = UD + E E 2) 当 ui E 时, D截止， uo = uitUuisin2第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路391. 4 稳压二极管稳