第1讲绪论和二极管

1、 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 宫宫 芳芳 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学绪绪 论论 一、课程的性质与任务一、课程的性质与任务 ：技术基础课程技术基础课程 电子技术是研究电子技术是研究电子器件、电子电路和电子电子器件、电子电路和电子系统及其应用系统及其应用的科学技术。的科学技术。 二二、什么是电子器件和电子技术、什么是电子器件和电子技术电子器件电子器件电真空器件：电子管、示波器、显像管等。电真空器件：电子管、示波器、显像管等。半导体器件：二极管、三极管、场效应管。半导体器件：二极管、三极管、场效应管。集成电路集成电路 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨

2、工程大学哈尔滨工程大学1 1 内容丰富，涉及面宽。内容丰富，涉及面宽。 2 2 实践性强实践性强 3 3 工程近似计算工程近似计算 四四、课程的特点、课程的特点三、课程的研究对象三、课程的研究对象 模拟信号的处理和传输。模拟信号的处理和传输。模拟信号：模拟信号：在时间上和幅值上均具有连续性的信号。在时间上和幅值上均具有连续性的信号。 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学五、学习中注意些什么五、学习中注意些什么 1 1 掌握基本概念掌握基本概念 2 2 基本单元电路基本单元电路 3 3 基本分析方法基本分析方法 4 4 基本规律基本规律 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔

3、滨工程大学第一章第一章 半导体器件半导体器件第二章第二章 基本单元电路基本单元电路第三章第三章 多级放大电路与频率响应多级放大电路与频率响应第四章第四章 集成运算放大器集成运算放大器第五章第五章 功率放大电路功率放大电路第六章第六章 放大电路中的反馈放大电路中的反馈第七章第七章 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用第八章第八章 信号发生电路信号发生电路第九章第九章 直流稳压电源直流稳压电源章节划分与学时分配章节划分与学时分配6 6学时学时1212学时学时4 4学时学时2 2学时学时4 4学时学时8 8学时学时1010学时学时4 4学时学时6 6学时学时 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大

4、学哈尔滨工程大学第一章第一章 半导体器件半导体器件第一节第一节 半导体基础知识半导体基础知识第二节第二节 半导体二极管半导体二极管第三节第三节 半导体三极管半导体三极管第四节第四节 场效应晶体管（场效应晶体管（FETFET）本章教学主要内容本章教学主要内容 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学第一节第一节 半导体基础知识半导体基础知识 一、本征半导体一、本征半导体 1 1、半导体及其特点、半导体及其特点：半导体：半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，导电性能介于导体和绝缘体之间的物质， 如硅如硅(Si)(Si)、锗、锗(Ge)(Ge)。4硅和锗简化原子硅和锗简化原子结构模

5、型结构模型价电子：价电子：最外层的电子称为价最外层的电子称为价 电子。电子。 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学光敏特光敏特热敏特性热敏特性 掺杂特性掺杂特性 本征半导体：本征半导体：高度提纯的、晶体结构完整的半导体材料高度提纯的、晶体结构完整的半导体材料单晶体。单晶体。单晶硅中的共价健结构单晶硅中的共价健结构 图（图（1-1）本征半导体的特点：本征半导体的特点： 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学2 2、半导体中的载流子、半导体中的载流子 ：载流子：载流子：是指运载电流的粒子。是指运载电流的粒子。 半导体中的载流子有两种：半导体中的载流子有两种：本征半导体

6、中的载流子本征半导体中的载流子 本征热激发产生本征热激发产生电子电子- -空穴对空穴对。自由电子自由电子空穴空穴 带负电（自由运功）带负电（自由运功）带正电（依次替补运功）带正电（依次替补运功）本征半导体中的自由电子和空穴是成对出现的本征半导体中的自由电子和空穴是成对出现的 故又叫做故又叫做电子空穴对。电子空穴对。 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子 当温度升高（加热或光照），价电当温度升高（加热或光照），价电子获得足够的能量挣脱原子核及共子获得足够的能量挣脱原子核及共价键的束缚，进入自由空间成为自价键的束缚，进入自由空间成为自由电子参

7、与导电，同时在原来的位由电子参与导电，同时在原来的位置上留下空位，称为置上留下空位，称为空穴空穴。这个过。这个过程称为程称为本征热激发本征热激发。动态平衡：动态平衡：本征热激发：本征热激发：在自由电子和空穴的产生过程中，还在自由电子和空穴的产生过程中，还存在着自由电子和空穴的复合，在一存在着自由电子和空穴的复合，在一定的温度下，本征激发和复合在某一定的温度下，本征激发和复合在某一热平衡载流子浓度值上达到动态平衡热平衡载流子浓度值上达到动态平衡。 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学二、杂质半导体二、杂质半导体1 1 定义：定义：按掺杂的不同分为按掺杂的不同分为P型型(空穴型空穴

8、型)和和N型型(电子型电子型)两两种杂质半导体。种杂质半导体。 （1 1）P P型半导体：型半导体： 受主杂质受主杂质: : 空穴浓度远大于电子浓度。空穴浓度远大于电子浓度。 多数载流子多数载流子 简称多子简称多子 少数载流子少数载流子 简称少子简称少子 三价杂质原子在电离中接受了一个电子三价杂质原子在电离中接受了一个电子（掺入少量杂质的半导体）（掺入少量杂质的半导体）在本征半导体中掺入微量的在本征半导体中掺入微量的三价三价元素元素在在P P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。型半导体中，空穴是多子，电子是少子。结论结论杂质半导体中杂质半导体中 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程

9、大学P P型半导体中的载流子分布图型半导体中的载流子分布图 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（2）N型半导体型半导体 施主杂质施主杂质 磷原子丢失一个电子时就变成了带正电的正离子磷原子丢失一个电子时就变成了带正电的正离子 电子的浓度远远大于空穴的浓度。电子的浓度远远大于空穴的浓度。 结论：在结论：在N型半导体中，电子是多子，空穴是少子。型半导体中，电子是多子，空穴是少子。 在本征半导体中掺入微量的在本征半导体中掺入微量的五价五价元素元素 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学杂质半导体总结：杂质半导体总结：两种参杂半导体的多子都是由两部分组成：两种参杂半导体的

10、多子都是由两部分组成：参杂出来的本征激发的多子多子少子少子本征激发的多子受参杂的影响大多子受参杂的影响大少子受温度的影响大少子受温度的影响大参杂的结果使半导体的导电能力成千上万倍的增加参杂的结果使半导体的导电能力成千上万倍的增加P P型：空穴型型：空穴型 N N型：电子型型：电子型 Positive（正的）Negative（负的）P型、型、N型半导体的记忆型半导体的记忆 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学三、三、PN结结1、 PN结的形成与特点结的形成与特点 多子的多子的浓度差浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动空间电荷区空间电荷区 （内电场）（内电场）阻止多子的扩散运动阻止多

11、子的扩散运动促进少子的漂移运动促进少子的漂移运动动态平衡动态平衡形成稳定的形成稳定的空间电荷区空间电荷区PN结形成结形成 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学PN 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学PN PN 结形成及特点总结：结形成及特点总结：多子扩散建立内电场内电场阻碍多子的扩散，促进少子的漂移多子扩散运动和少子的漂移运动达到平衡PN结的形成结的形成PN结的特点结的特点PN结的厚度：几微米几十微米达到动态平衡时，空间电荷区的电位差Vho很小：Si:0.5v左右 ；Ge:0.2v左右 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学2 PN结的结的单向导

12、电特性单向导电特性 （1）外加正向电压）外加正向电压(正偏置正偏置)PN结导通结导通 外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，此时多子扩散运外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，此时多子扩散运动大大超过少子漂移运动，形成较大的正向电流，这时称动大大超过少子漂移运动，形成较大的正向电流，这时称PNPN结处于结处于导通状态导通状态。P区接电源正N区接电源负正偏置 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学PN 结正偏结正偏PN 结正向导通结正向导通外电场与内电场方向相反外电场与内电场方向相反利于扩散利于扩散扩散扩散 漂移漂移PN 结变窄结变窄外部电源不断提供电荷外部电源不断提供电荷产生

13、较大的扩散电流产生较大的扩散电流 I I 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（2）外加反向电压）外加反向电压(反偏置反偏置)PN结截止结截止 外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流难以进行，少子在电场作用下形成反向电流I，因为是少子漂，因为是少子漂移运动产生的，移运动产生的，I很小，这时称很小，这时称PN结处于结处于截止状态截止状态。P区接电源负区接电源负N区接电源正区接电源正反偏置反偏置 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学PN 结反偏结反偏PN 结反向截止结反向

14、截止外电场与内电场方向相同外电场与内电场方向相同利于漂移利于漂移漂移漂移 扩散扩散PN 结变厚结变厚外部电源不断提供电荷外部电源不断提供电荷产生较小的反向电流产生较小的反向电流 I 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学PN结正偏导通；反偏截止，结正偏导通；反偏截止，这种性质称这种性质称PN结的单向导电性。结的单向导电性。结论：结论： 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学3 、 结的反向击穿特性结的反向击穿特性当PN结的反向偏压超过某一数值(R)后, 反向电流会急剧增大, 这种现象称为反向击穿。UBR称为击穿电压。 PNPN结处于反向偏置时结处于反向偏置时, ,

15、在一定电压范围内在一定电压范围内, , 流过流过结的电流是很小的反向饱和电流结的电流是很小的反向饱和电流I Is s。 结的反向击穿 UIOUB雪崩击穿齐纳击穿 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学4、 PN结的电容效应结的电容效应(了解了解)结电容结电容=势垒电容势垒电容+扩散电容扩散电容BDjCCC势垒电容势垒电容CB是由阻挡层是由阻挡层宽窄变化所等效的电容。宽窄变化所等效的电容。扩散电容扩散电容C CD D是多数载流子在是多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产扩散过程中引起电荷积累而产生的。生的。PN结的等效电路结的等效电路结电阻结电阻结电容结电容正偏时：正偏时：C Cj

16、 j主要由主要由C CD D决定决定反偏时：反偏时：C Cj j主要由主要由C CB B决定决定工作在低频时工作在低频时C CD D、 C CB B都不大，一般可忽略都不大，一般可忽略 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学第二节第二节 半导体二极管半导体二极管一、二极管的结构一、二极管的结构 半导体二极管的型号半导体二极管的型号: : 按按PNPN结结分分点接触点接触面接触面接触按按材料材料分分硅管硅管锗管锗管按按用途用途分分普通管普通管整流管整流管如如2CWXX、2APXX器件材料，器件材料，C为为N型型Si管管XX表示器表示器件序号件序号器件类型，器件类型，W为稳压管为稳压

17、管 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学二、二极管的伏安特性曲线及电流方程式二、二极管的伏安特性曲线及电流方程式1.1.二极管的电流方程式二极管的电流方程式 1TU USIIeUT为温度电压当量，为温度电压当量，常温下，常温下，UT = 26 mVl加正向电压时加正向电压时sII l加反向电压时加反向电压时反向饱反向饱和电流和电流TUU 当 时TUUSeII 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学2 2 伏安特性曲线伏安特性曲线正向特性正向特性反向特性反向特性 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学二极管的伏安特性二极管的伏安特性iD = 0Uon

18、= 0.5VUon=0.1V( (硅管硅管) )( (锗管锗管) )U Uon0 U Uon UDQ = (0.6 0.8) V硅管取硅管取 0.7 V(0.1 0.3) V锗管取锗管取 0.2 VUon ：开启电压或死区电压开启电压或死区电压1.1.正向特性正向特性工作电压工作电压 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学二极管的伏安特性二极管的伏安特性OuD /ViD /mAUon反向特性反向特性ISU(BR)反向击穿反向击穿iD = IS 0.10.1 A( (硅硅) ) 几十几十 A( (锗锗) )PN 结两端外加的反向电压增加到一结两端外加的反向电压增加到一定值时反向电流

19、急剧增大定值时反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)2.2.反向特性反向特性lU(BR) U 0sII lU U(BR)反向饱和电流 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学三、环境温度对伏安特性曲线的影响三、环境温度对伏安特性曲线的影响当温度升高时，当温度升高时，正向特性曲线左移。正向特性曲线左移。 反向饱和特性曲线下移。反向饱和特性曲线下移。 2!10212TTCSSITIT其变化规律为其变化规律为 2T1T温度每升高 ，C1onU 减小mV5 . 22 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数 1 1 最大整流电流最大整流电流

20、FI2 2 最大反向工作电压最大反向工作电压RU3 3 反向电流反向电流 RI4 4 最高工作频率最高工作频率 Mf二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。 二极管正常使用时允许加的最高反向电压。二极管正常使用时允许加的最高反向电压。 使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于使用时应注意流过二极管的正向最大电流不能大于这个数值，否则可能损坏二极管。这个数值，否则可能损坏二极管。使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。通常使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。通常取取U UBRBR的一半。的一半。 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈

21、尔滨工程大学五、二极管的等效分析五、二极管的等效分析 1 1 二极管的二极管的直流电阻直流电阻与与交流电阻交流电阻1tanDDDURI（1 1）直流电阻）直流电阻R RD D R RD D与与Q点位置有关点位置有关: :工作点越高直流工作点越高直流电阻越小。电阻越小。加到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比, 称为二极管的直流电阻, 即 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（2 2）交流电阻）交流电阻 dr1tanDdDUrIQTdIUr QdImVr26几何含义：过几何含义：过Q点外切线斜率的倒数点外切线斜率的倒数当在直流工作点加当在直流工作点加一个交流小信号时一个交流

22、小信号时常温下常温下在二极管工作点附近在二极管工作点附近, ,电压电压的微变值的微变值与相应的微与相应的微变电流值变电流值之比之比, , 称为称为该点的交流电阻该点的交流电阻, , 即即 与与Q点位置有关点位置有关: :工作点越高交工作点越高交流电阻越小。流电阻越小。dr 与与Q点位置有关点位置有关: :工作点越高交工作点越高交流电阻越小。流电阻越小。 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学2 2 等效电路等效电路 （1 1）理想二极管）理想二极管 理想二极管的死区电压和理想二极管的死区电压和正向电压降都等于零，反正向电压降都等于零，反向电流也等于零，理想二向电流也等于零，理想二

23、极管在电路中相当于一个极管在电路中相当于一个开关元件开关元件 。 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 在如图所示电路中，已知在如图所示电路中，已知 为正弦波，二极管的为正弦波，二极管的正向压降和反向电流均可忽略（理想二极管），定性画正向压降和反向电流均可忽略（理想二极管），定性画出输出电压出输出电压 的波形。的波形。UiUo例例1：二极管整流：二极管整流 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（2 2）考虑正向压降时的等效电路）考虑正向压降时的等效电路导通时正向压降为一常量导通时正向压降为一常量Uon,截止时反向电流为截止时反向电流为0. 模拟电子技术模拟电子技

24、术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学例例2 2：二极管限幅：二极管限幅 在如图所示电路中，已知在如图所示电路中，已知 为正弦波，二极管的为正弦波，二极管的正向压降为正向压降为0.7V,0.7V,反向电流可忽略反向电流可忽略, ,定性画出输出电压定性画出输出电压 的波形。的波形。UiUoV 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（3）考虑）考虑Uon和正向特性斜率的等效电路和正向特性斜率的等效电路理想二极管理想二极管 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（4 4）微变等效电路）微变等效电路DQTdIUiurdr二极管等效为一个动态电阻常温下：DQdImvr26 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学六、稳压二极管：六、稳压二极管： 1 1 稳压管的主要特点：工作在反向击穿区，电流变稳压管的主要特点：工作在反向击穿区，