模拟电子线路第一章

1、模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件1常用半导体器件常用半导体器件模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件21.1半导体基础知识半导体基础知识1.2半导体二极管半导体二极管1.3晶体三极管晶体三极管1.4场效应管场效应管模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件3 集成电路尽管可集成上亿的晶体管，但了解集成电路尽管可集成上亿的晶体管，但了解其中单个元器件的工作原理是非常必要的。其中单个元器件的工作原理是非常必要的。 每种类型的半导体器件有其独特的性能，学每种类型的半导体器件有其独特的性

2、能，学习这些基础知识能帮助电路设计者更快地选择正习这些基础知识能帮助电路设计者更快地选择正确的元器件。确的元器件。 花时间学习分立半导体器件，最终是会得到花时间学习分立半导体器件，最终是会得到回报的。回报的。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件41.1.1本征半导体本征半导体1.1.2杂质半导体杂质半导体1.1.3PN结结模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件51.1.1 本征半导体本征半导体半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。物质。本征半导体半导体 纯净纯净的半导体。如硅

3、、锗单的半导体。如硅、锗单晶体，砷化镓化合物。晶体，砷化镓化合物。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件63、掺杂特性：、掺杂特性：在纯净的半导体材料中，掺杂微量在纯净的半导体材料中，掺杂微量杂质，其导电能力大大增强。（可增加几十万至几杂质，其导电能力大大增强。（可增加几十万至几百万倍）百万倍）半导体的导电特性半导体的导电特性1、热敏性热敏性：半导体受热时，其导电能力增强。：半导体受热时，其导电能力增强。利用利用这种特性，有些对温度反应特别灵敏的半导体可做成这种特性，有些对温度反应特别灵敏的半导体可做成热电传感器。热电传感器。2、光敏性光敏性：半导体光照时

4、，其导电能力增强。半导体光照时，其导电能力增强。利用利用这种特性，有些对光特别敏感的半导体可做成各种光这种特性，有些对光特别敏感的半导体可做成各种光敏元件。敏元件。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件7半导体的种类半导体的种类半导体半导体P型半导体（空穴型）型半导体（空穴型）杂质半导体杂质半导体N型半导体（电子型）型半导体（电子型）本征半导体本征半导体模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件8硅硅( (锗锗) )的原子结构的原子结构简化简化模型模型惯性核惯性核硅硅( (锗锗) )的共价键结构的共价键结构价电子价电子本征

5、半导体本征半导体模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件9 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。消失的过程。在在室温或光照室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价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键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位位( (空穴空穴) )的过程。的过程。 本征激发和复合在一定温度下达到动态平衡。本征激发和复合在一定温度下达到动态平衡。 电子浓度和空穴浓度相等，为一定值。电子浓度和空穴浓度相等，为一定值。动画动画kTEiigATpn2230e模模

6、拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件10kTEiigATpn2230eA是和半导体材料有关的是常数 0gE是绝对0K时半导体材料的带隙能量 Tk是热力学温度是玻尔兹曼常数 自由电子的运动空穴的运动导带价带禁带E(eV)Eg模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件11自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。空穴可在共价键内（价带）移动空穴可在共价键内（价带）移动 自由电子在晶格自由电子在晶格内（导带）移动内（导带）移动动画动画 自由电子自由电子是带负电的粒子可以在晶格中运动，它的运动可以产生

7、电流。 空穴空穴带正电也可以运动。自由电子和空穴自由电子和空穴模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件12本征激发小结： 价带中的空穴和导带中的电子是成对出现的。因此整块本征半价带中的空穴和导带中的电子是成对出现的。因此整块本征半导体还是电中性的。导体还是电中性的。 自由电子在导带中运动，空穴在价带中运动。自由电子在导带中运动，空穴在价带中运动。 即自由电子在晶格中运动；空穴在共价键内运动。即自由电子在晶格中运动；空穴在共价键内运动。 温度一定时，激发和复合达到动态平衡。温度一定时，激发和复合达到动态平衡。 即温度一定时，半导体材料中的载流子浓度是一定的。即

8、温度一定时，半导体材料中的载流子浓度是一定的。 温度升高时，半导体材料中的载流子浓度就增大，导电能力增温度升高时，半导体材料中的载流子浓度就增大，导电能力增强。因此，本征半导体可以制成热敏元件和光敏元件。强。因此，本征半导体可以制成热敏元件和光敏元件。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件131.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质，导电性会在本征半导体中掺入微量的杂质，导电性会发生显著的变化，掺入的杂质主要是三价或五价发生显著的变化，掺入的杂质主要是三价或五价元素，掺入杂质的本征半导体称为元素，掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质

9、半导体。杂质半导体分为：杂质半导体分为：N型型掺入五价元素掺入五价元素P型型掺入三价元素掺入三价元素模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件14一、一、N 型半导体（电子型半导体）：掺入五价杂质。型半导体（电子型半导体）：掺入五价杂质。N 型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 自由自由电子数电子数 掺杂个数掺杂个数自由电子自由电子（施主杂质）（施主杂质）掺杂浓度掺杂浓度模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件15P 型型+3+4+4+4+4

10、+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数 掺杂个数掺杂个数二、二、P 型半导体（空穴型半导体）：掺入三价杂质。型半导体（空穴型半导体）：掺入三价杂质。（受主杂质）（受主杂质） 杂质补偿技术杂质补偿技术模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件16P 型、型、N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示负离子负离子（空穴）（空穴）多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子正离子正离子（电子）（电子）多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子P 型半导体型半导体N 型半导体型半导体根据热平衡条件：根据热平衡条件： 一定温度

11、下，半导体内的自由一定温度下，半导体内的自由电子浓度和空穴浓度的乘积等于本电子浓度和空穴浓度的乘积等于本征载流子浓度的乘积征载流子浓度的乘积0n0p2in 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件17半导体的导电作用半导体的导电作用IIPINI = IP + INN 型半导体型半导体 I INP 型半导体型半导体 I IP模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件18杂质半导体小结： 杂质半导体掺杂浓度要远大于对应的本征载流子浓度又杂质半导体掺杂浓度要远大于对应的本征载流子浓度又要远远小于半导体的原子密度。要远远小于半导体的

12、原子密度。 本征半导体中掺入五价元素（施主杂质）就形成本征半导体中掺入五价元素（施主杂质）就形成N N型半型半导体，导体，N N型半导体的多数载流子是电子，少数载流子是型半导体的多数载流子是电子，少数载流子是空穴；空穴； 当本征半导体中掺入三价元素（受主杂质）就形成当本征半导体中掺入三价元素（受主杂质）就形成P P型型半导体，半导体，P P型半导体的多子是空穴，少子是电子。型半导体的多子是空穴，少子是电子。 杂质半导体中的多子浓度近似等于掺杂浓度杂质半导体中的多子浓度近似等于掺杂浓度, ,几乎和温几乎和温度无关；少子浓度随温度的升高而增加。度无关；少子浓度随温度的升高而增加。 当温度过高时，本

13、征载流子浓度可能会高于掺杂浓度，当温度过高时，本征载流子浓度可能会高于掺杂浓度，此时的半导体就具有本征半导体的特性了。此时的半导体就具有本征半导体的特性了。 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件19一、一、PN 结结( (PN Junction) )的形成的形成1. 载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2. 复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区( (耗尽层耗尽层) ) 空间电荷区特点空间电荷区特点:存在内电场存在内电场 载流子很少，阻止多子的扩散，利于少子的载流子很少，阻止多子的扩散，利于少子的漂移。漂移。内建电场内建

14、电场1.1.3PN 结结动画动画模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件203. 扩散和漂移达到扩散和漂移达到动态平衡（热平衡）动态平衡（热平衡）扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流， 总电流总电流 I = 0。二、二、PN 结的伏安特性结的伏安特性内建电压：内建电压：P13,图图1.1.5模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件21P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场削弱了内电场，外电场削弱了内电场，使空间电使空间电荷区变窄。荷区变窄。 IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电

15、流 IF 。IF = I多子多子 I少子少子 I多子多子2. 外加外加反向反向电压电压( (反向偏置反向偏置) ) reverse bias P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场增强了内电场，使外电场增强了内电场，使 空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性：结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大正偏导通，呈小电阻，电流较大; ; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。阻止了多子的扩散运动阻止了多子的扩散运动漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR = I少子少子 01. 外加外加正向正向电压电压( (正向偏置正向

16、偏置) ) forward bias动画动画动画动画模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件22 在一定的在一定的温度条件温度条件下，由本征激发决定的少下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电这个电流也称为流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 反向饱和电流反向饱和电流: IS模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件233、PN 结的伏安特性结的伏安特性) 1e (/STUuIi反向饱反

17、向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T = 300K( (27 C) )：UT = 26 mVOu /VI /mA正向特性正向特性反向击穿反向击穿加正向电压时加正向电压时加反向电压时加反向电压时iIS模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件244、PN 结的击穿结的击穿 PN结的反向击穿分为热击穿和电击穿：结的反向击穿分为热击穿和电击穿： 电击穿：电击穿：在强电场的作用下，自由电子和空穴的在强电场的作用下，自由电子和空穴的数目大量增加，引起反向电流的急剧增加。包括雪崩数目大量增加，引起反向电流

18、的急剧增加。包括雪崩击穿（碰撞电离、倍增效应）和齐纳击穿（强大电场击穿（碰撞电离、倍增效应）和齐纳击穿（强大电场破坏耗尽区的共价键）。破坏耗尽区的共价键）。电击穿是可逆过程，强电压电击穿是可逆过程，强电压去掉后，可恢复原状态。去掉后，可恢复原状态。 热击穿：热击穿：消耗在消耗在PN结上的功率超过它本身的耗散功结上的功率超过它本身的耗散功率，温度升高使率，温度升高使PN结烧毁。所以，热击穿不可逆。结烧毁。所以，热击穿不可逆。稳压管利用电击穿特性，使用中要注意防止热击穿。稳压管利用电击穿特性，使用中要注意防止热击穿。 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件25

19、三、三、PN 结的电容特性结的电容特性 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。因素决定。 (1) (1) 势垒电容势垒电容C CB B (2) 扩散电容扩散电容CDdvdqC Vv 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件26 (1) (1) 势垒电容势垒电容C CB B 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当当外加电压使外加电压使PNPN结上压降发生变化时，离子薄层的厚结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当度也相应地随之改变，这相当PNPN结中存储的

20、电荷量结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容示意图势垒电容示意图模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件27 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PNPN结的另一侧面积累结的另一侧面积累而形成的。而形成的。因因PNPN结正偏时，形成正向电流。刚扩散过结正偏时，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在来的电子就堆积在 P P 区内紧靠区内紧靠PNPN结的附近，结的附近，形成一定的浓度梯度。形成一定的浓度梯度。(2) 扩散电容扩散电容CD 反之，由反之，由P P区扩散到区扩散到N N区的空穴，在区的空穴

21、，在N N区内也形区内也形成类似的浓度梯度分布曲成类似的浓度梯度分布曲线。线。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件28 扩散电容示意图扩散电容示意图 当外加正向电压不同当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。电流的大小也就不同。所以所以PNPN结两侧堆积的浓结两侧堆积的浓度梯度分布也不同，这度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过就相当电容的充放电过程（程（电荷发生变化电荷发生变化）。）。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件29 势垒电容和扩散电容均是非线性电容。势垒电容和扩散

22、电容均是非线性电容。PNPN结正偏时：扩散电容大于势垒电容结正偏时：扩散电容大于势垒电容扩散电容扩散电容PNPN结反偏时：扩散电容为零结反偏时：扩散电容为零势垒电容势垒电容DBjCCCPN结的总电容为：高频工作时不可忽视电容效应，高频工作时不可忽视电容效应，在高频电路中可制作为可变电容。在高频电路中可制作为可变电容。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件30PN结小结结小结 当温度一定时当温度一定时PN结处于动态平衡，因此空间电荷区宽度一结处于动态平衡，因此空间电荷区宽度一定，定，内建电压为一个定值内建电压为一个定值。 PN结的伏安特性是非线性的结的伏安特

23、性是非线性的,它具有单向导电性。它具有单向导电性。 当当PN结加反向电压大于结加反向电压大于VBR时，时，PN结被击穿。结被击穿。PN结的击结的击穿特性可以用来稳压。穿特性可以用来稳压。 当温度升高时，当温度升高时，PN结伏安特性的正向特性左移，反向饱和结伏安特性的正向特性左移，反向饱和电流增大。电流增大。 加正向电压时，以扩散电容为主；加反向电压时，以势垒加正向电压时，以扩散电容为主；加反向电压时，以势垒电容为主。电容为主。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件31半导体二极管半导体二极管 1.2.1 半导体二极管的几种常见结构半导体二极管的几种常见结构

24、1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.2.4 二极管的等效电路二极管的等效电路1.2.5 稳压二极管稳压二极管1.2.6 其它类型二极管其它类型二极管模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件32构成：构成： PN 结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管( (Diode) )符号：符号：A ( (anode) )C ( (cathode) )分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型1.2.1 半导体二极管的几种常见结

25、构半导体二极管的几种常见结构模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件33点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件34模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件351.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性

26、一、一、PN 结的伏安方程结的伏安方程)1e (/SDD TUuIi反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T = 300( (27 C) )：UT = 26 mV模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件36二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死区电压死区电压iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V( (硅管硅管) )( (锗管锗管) )U Uth iD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管硅

27、管 0.7 V(0.1 0.3) V锗管锗管 0.3 V 正向导通电压正向导通电压UD(on)1e (/SDD TUuIi模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件37二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性正向特性反向特性反向特性-ISU BR反向击穿反向击穿UBR U 0 iD = -IS IS 0.1 A( (硅硅) )， 几十几十 A ( (锗锗) )U UBR反向电流急剧增大反向电流急剧增大 ( (反向击穿反向击穿) ) 反向击穿电压反向击穿电压)1e (/SDD TUuIi模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章

28、章 常用半导体器件常用半导体器件38反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因： 齐纳击穿齐纳击穿： 反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 ( (掺杂浓度高，掺杂浓度高，击穿电压击穿电压 6 V，正正温度系数温度系数) )击穿电压在击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件39硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.0400.4 0.82550iD / mAuD / ViD / m

29、AuD / V0.20.4 25 50510150.010.020模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件40温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20 C90 CT 升高时升高时:UD(on)以以 (2 2.5) mV/ C 下降下降反向电流增加反向电流增加模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件411.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1. IF 最大整流电流最大整流电流( (最大正向平均电流最大正向平均电流) )2. URM 最高反向工作电压

30、最高反向工作电压，为，为 UBR / 2 3. IR 反向电流反向电流( (越小单向导电性越好越小单向导电性越好) )4. fM 最高工作频率最高工作频率( (超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差) )iDuDU (BR)I FURMOiD模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件42影响工作频率的原因影响工作频率的原因 PN 结的电容效应结的电容效应 结论：结论： 低频低频时，时，因结电容很小（可作开路处理），对因结电容很小（可作开路处理），对 PN 结影响小。结影响小。高频高频时，时，因容抗减小（不可作开路处理），因容抗减小（不可作开路处理）， 使使结

31、电容分流结电容分流，导致导致单向导电性变差。单向导电性变差。2. 结面积小时结电容小，工作频率高。结面积小时结电容小，工作频率高。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件43检波二极管检波二极管 2AP1： IF 16mA, fM 150MHz整流二极管整流二极管 2CP1： IF 400mA, fM 3KHz 举举 例例 ：模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件441.2.4 二极管的等效电路二极管的等效电路模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件45二极管的伏安特性二极管的伏安特性

32、OuDiDOuDiDVrf线性化线性化模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件46（1）二极管的开关模型（理想二极管）二极管的开关模型（理想二极管）特性特性uDiD等效模型等效模型SS正偏导通正偏导通，uD = 0, iD 0 ；反偏截止反偏截止，uD UD(on) 导通导通uD VN二极管导通二极管导通等效为等效为 0.7 V 的恒压源的恒压源 PN模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件51UO = VDD1 UD(on)= 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)I2 = (

33、UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)UD(on)模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件52例例 3： 二极管构成二极管构成“门门”电路，设电路，设 V1、V2 均为理均为理想二极管，当输入电压想二极管，当输入电压 UA、UB 为低电压为低电压 0 V 和高和高电压电压 5 V 的不同组合时，求输出电压的不同组合时，求输出电压 UO 的值。的值。0 V5 V! 判断哪只二极管先导通：判断哪只二极管先导通：将二极管开路将二极管开路根据开路电压大小判断

34、根据开路电压大小判断将二极管短路将二极管短路根据短路电流大小判断根据短路电流大小判断模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件53输入电压输入电压理想二极管理想二极管输出输出电压电压UAUBV1V20 V0 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通0 V0 V5 V正偏正偏导通导通反偏反偏截止截止0 V5 V0 V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0 V5 V5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 V模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件54例例 4： 画出硅二极管构成的桥式整流电路在画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui = 1

35、5sin t (V) 作用下输出作用下输出 uO 的波形。的波形。( (按理想模型按理想模型) )Otui / V15RLV1V2V3V4uiBAuO模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件55OtuO/ V15模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件56例例 5 ： ui = 2 sin t (V)，分析二极管的限幅作用。，分析二极管的限幅作用。解：解：ui 较小，宜采用恒压降模较小，宜采用恒压降模型型ui 0.7 VV1、V2 均截止均截止uO = uiuO = 0.7 Vui 0.7 VV2 导通导通 V截止截止ui

36、 Uon 导通导通uD Uon 截止截止S适用条件：适用条件：电路中输入、输出电压与二极管的导通电压相近电路中输入、输出电压与二极管的导通电压相近（3）折线模型（应用少）折线模型（应用少）on模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件61（1）二极管电路的直流图解分析）二极管电路的直流图解分析 uD = VDD iDRiD = f (uD) 1.2 V100 iD / mA128400.30.6uD / V1.20.9MN直流负载线直流负载线斜率斜率 1/R静态工作点静态工作点iDQIQUQ模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导

37、体器件62可取可取 UQ = 0.7 VIQ= (VDD UQ) / R = 5 (mA) 二极管直流电阻二极管直流电阻 RD ( 140)k( 14. 05/7 . 0QQDIUR也可用估算法求静态工作点：也可用估算法求静态工作点：模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件63iD / mAuD /VO（2）交流图解法）交流图解法电路中含直流和小信号交流电源时电路中含直流和小信号交流电源时, ,二极管中二极管中含交、直流含交、直流成分成分C 隔直流隔直流 通交流通交流当当 ui = 0 时时iD = IQUQ= 0.7 V (硅硅)，0.3 V (锗锗)RU

38、VIQDDQ 设设 ui = sin tVDDVDD/ RQIQ tOuiUQ模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件64iD / mAuD /VOVDDVDD/ RQIQ tOuiUQiD / mA tOdQDiIi dQDuUu id斜率斜率1/rdQuirDDddd1 )1e (/SDD TUuIiTUUTUIUIrTQSdQe1 当当 ui 幅度较小时，幅度较小时，二极管伏安特性在二极管伏安特性在Q点附近近似为直线点附近近似为直线Q点附近点附近 二极管二极管（非线性电阻）可（非线性电阻）可等效为线性电阻等效为线性电阻室温：室温：rd = UT / I

39、Q= 26 mV / IQ = 26/5=5.2模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件65uiudRidrd（3）微变等效电路分析法）微变等效电路分析法对于交流信号对于交流信号电路可等效为电路可等效为rd = UT / IQ= 26 mV / IQrd 与与静态工作点有关系！静态工作点有关系！模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件66例例 ui = 5sin t (mV)，VDD= 4 V，R = 1 k ， 求求 iD 和和 uD。 解解 1. 静态分析静态分析令令 ui = 0，取，取 UQ 0.7 VIQ = (

40、VDD UQ) / R = 3.3 mA模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件67rd = 26 / IQ = 26 / 3.3 8 ( )Idm= Udm/ rd= 5 /8 0.625 (mA)id = 0.625 sin t3. 总电压、电流总电压、电流dQDuUu dQDiIi = (0.7 + 0.005 sin t ) V= (3.3 + 0.625 sin t ) mAuiudRidrd对交流信对交流信号等效号等效2. 动态分析动态分析模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件68本书中规定各种物理量的表示方

41、法本书中规定各种物理量的表示方法 直流量直流量：字母和下标均为大写字母和下标均为大写 如： ,交流量的瞬时值交流量的瞬时值：字母和下标均为小写字母和下标均为小写 如： ，交流量的有效值交流量的有效值：字母大写；下标为小写字母大写；下标为小写 如： ，交流量和直流量的叠加值交流量和直流量的叠加值：字母小写；下标为大写字母小写；下标为大写 如： ，IVIIiviiiViIIvIi模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件69二极管模型及应用小结：u二极管电路的分析要求不同、工作条件不同时，可以使用二极管电路的分析要求不同、工作条件不同时，可以使用不同的二极管模型。

42、不同的二极管模型。u二极管模型有四种：理想模型、恒压模型、折线模型和小二极管模型有四种：理想模型、恒压模型、折线模型和小信号等效模型。信号等效模型。u利用二极管可以实现整流电路、限幅电路（或削波电路）、利用二极管可以实现整流电路、限幅电路（或削波电路）、开关电路等。开关电路等。u不同用途的二极管，制造工艺不同，因此要根据不同的用不同用途的二极管，制造工艺不同，因此要根据不同的用途来选择不同的二极管，如整流电路中要使用整流二极管；途来选择不同的二极管，如整流电路中要使用整流二极管；逻辑电路中要使用开关二极管。因此在二极管实际应用中逻辑电路中要使用开关二极管。因此在二极管实际应用中特别应注意选择合

43、适类型的管子。特别应注意选择合适类型的管子。 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件701.2.5 稳压二极管（齐纳二极管）稳压二极管（齐纳二极管）一、伏安特性一、伏安特性符号符号工作原理：工作原理：反向击穿的特殊硅二极管反向击穿的特殊硅二极管 正向压降同硅二极管正向压降同硅二极管iZ /mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ特性特性模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件71二、主要参数二、主要参数1. 稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。两端的反

44、向电压值。2. 稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，越大稳压效果越好， 小于小于 IZmin 时不稳压。时不稳压。3. 最大工作电流最大工作电流 IZmax 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZmax4. 动态电阻动态电阻 rZrZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几几 几十几十 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件725. 稳定电压温度系数稳定电压温度系数 CT%100ZZT TUUCUZ 4 V，CT 7 V，CT 0 ( (为雪崩击穿为雪崩击穿) )具有正温度系数；具有正温度系数；4 V UZ 7

45、V，CTV 很小。很小。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件73例例 ：分析简单稳压电路的工作原理，分析简单稳压电路的工作原理， R 为限流电阻。为限流电阻。IR = IZ + ILUO= UZ =UI IR RUIUORRLILIRIZUIUOIZIRURUoZmaxIImaxLLminZmaxIImaxLLminZminIIminLLmaxZminIIminLLmaxI:U = U,I =II:U = U,I =II:U = U,I =II:U = U,I =I模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件741.2.6

46、 其它类型二极管其它类型二极管一、发光二极管一、发光二极管 LED ( (Light Emitting Diode) )1. 符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正向偏置正向偏置一般工作电流几十一般工作电流几十 mA， 导通电压导通电压 (1 2) V符号符号u /Vi /mAO2特性特性模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件752. 主要参数主要参数电学参数：电学参数：I FM ，U(BR) ，IR光学参数：光学参数：峰值波长峰值波长 P，亮度亮度 L，光通量光通量 发光类型：发光类型： 可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：显示类型： 普通

47、普通 LED ，不可见光：不可见光：红外光红外光点阵点阵 LED七段七段 LED ,模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件76模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件77二、光敏二极管二、光敏二极管1符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流暗电流E = 200 lxE = 400 lx工作条件：工作条件：反向偏置反向偏置2. 主要参数主要参数电学参数：电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片实物照片模模 拟拟

48、 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件78三、应用 例：电路如图，求流过稳压管的电流例：电路如图，求流过稳压管的电流IZ，R是否合适？是否合适？+20V 1.6K VZ=12V IZmax=18mA 解：mAImARUIZZZ18520故，R是合适的。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件79例：例：电路如图，已知电路如图，已知I IZmaxZmax=50mA,R=0.15K, =50mA,R=0.15K, V VI I =24V, I=24V, IZ Z=5mA, =5mA, V VZ Z=12V=12V 问当问当 R R L

49、 L = 0.2K = 0.2K 时，电路能否稳定，为时，电路能否稳定，为什么？当什么？当 R R L L = 0.8K = 0.8K 时，电路能否稳定，为时，电路能否稳定，为什么？什么？ R RL DZ VI VO IDZ 解：解：不可以稳定时，可以稳定时，;658 . 0;202 . 0mAIKRmAIKRRVRVVIDZLDZLLZZIDZ模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件80例例:电路如图，电路如图， VI =12V ， VZ=6V ，R=0.15K ，IZ=5mA，IZMAX=30mA,问问保证电路正常保证电路正常工作时工作时 R L 的的取

50、值范围取值范围KRKIRVVVRIRVVVIIIRVRVVILZMAXZIZLZZIZZMAXDZZLZZIDZ6 . 017. 0解：解： R RL DZ VI VO IDZ 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件81例已知例已知u=10sin(u=10sin( t)Vt)V ,U,UZ Z= = + +6V, I6V, IZ Z=10mA =10mA ， Izmax=30mA, Izmax=30mA, 画出画出u uo o的波形，并求限流电阻的波形，并求限流电阻R R的最小值。的最小值。133maxminZZmIUUROtuO/ V6Otui / V

51、6模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件82稳压二极管小结：稳压二极管，主要利用它的击穿区，在击穿区它的动态电阻很小，一般可近似为零。稳压管工作时要注意它的工作电流范围。稳压电路中一定要有限流电阻。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件83补充：补充：选择二极管限流电阻选择二极管限流电阻步骤：步骤：1. 设定工作电压设定工作电压( (如如 0.7 V；2 V ( (LED) )；UZ ) )2. 确定工作确定工作电流电流( (如如 1 mA；10 mA；5 mA) )3. 根据欧姆定律求电阻根据欧姆定律求电阻 R =

52、(UI UD)/ ID( (R 要选择标称值要选择标称值) )模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件84( (Semiconductor Transistor) )1.3 晶体三极管晶体三极管一、结构、符号和分类一、结构、符号和分类NNP发射极发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结 基区基区 发射区发射区 集电区集电区emitterbasecollectorNPN 型型PPNEBCPNP 型型ECBECB模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件85晶体三极管又称为晶体三极管又称为双极型三极管双极型

53、三极管BJTBJT： Bipolar Junction TransistorBipolar Junction Transistor 双极型双极型指有两种载流子参与导电指有两种载流子参与导电 半导体三极管是由两种载流子参半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个与导电的半导体器件，它由两个 PN 结组合而成，是一种结组合而成，是一种电流控制电流控制电流电流器件。器件。模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件86分类分类：按材料分：按材料分： 硅管、锗管硅管、锗管按功率分：按功率分： 小功率管小功率管 1 W中功率管中功率管 0.5 1 W模模 拟

54、拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件871. 三极管三极管放大放大的条件的条件内部内部条件条件发射区掺杂浓度高发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低集电结面积大集电结面积大外部外部条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏2. 满足放大条件的三种电路满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共发射极共集电极共集电极共基极共基极二、二、 晶体管的电流放大作用晶体管的电流放大作用模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件883. 三极管内部载流子的传输过程三极管内部载流子的传输过程即

55、：即：发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏ICBO：集电结反向饱和电流集电结反向饱和电流EnEpEnEIIIICBOCnCIIICBOIEpIIEnI CnI BnCBEIIIIB =IBN+ IEP ICBO 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件89三极管的正向控制作用三极管的正向控制作用:()BEEvI1 ECECnIIII TBETBEVvEBSVvEBSEIIie) 1(eCI控制控制利用晶体三极管的利用晶体三极管的正向控制作用正向控制作用，可以实现对弱信号的，可以实现对弱信号的放大放大!发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏模模 拟拟 电

56、电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件904. 三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB = I BN +IEP ICBO IC = ICN + ICBOEPBNCNIII CBOBCBOCIIII 发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏CEOBCBOBC)1(IIIII 穿透电流穿透电流IB =0时，时， I C ICEO（很小）（很小）模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导

57、体器件常用半导体器件91IE = IC + IBCEOBCIII BCEIII BC II BE )1(II CEOBE )1(III 1BCEpBnCnIIIII共发射极接法的直流共发射极接法的直流电流传输系数电流传输系数: : 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件921V2V2RCIEI1R1 ECECnIIII 共基极接法的直流共基极接法的直流电流传输系数电流传输系数: : 11模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件93TBETBEVvEBSVvEBSEIIie) 1(e发射极电流：发射极电流：集电极电流：集电

58、极电流： TBEVvEBSECIiie因此，基极电流：基极电流： TBEVvEBSCEBIiiie)1 (模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件94，晶体三极管具有，晶体三极管具有正向正向控制作用控制作用，可以实现对弱信号的，可以实现对弱信号的放大作用放大作用。 u晶体三极管工作在晶体三极管工作在是：是：。u 晶体三极管能够实现电流放大的晶体三极管能够实现电流放大的是：是：。u 三极管的两个三极管的两个PN结均结均时，三极管处于时，三极管处于，各极电流近似为零。，各极电流近似为零。 u 三极管的两个三极管的两个PN结均结均时，三极管处于时，三极管处于，此时

59、发射极和集电极电流减小，而基极电流增大。，此时发射极和集电极电流减小，而基极电流增大。u 三极管三个极的电流关系：三极管三个极的电流关系： 小结, CECBIIII 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件951.3.3 晶体管的共射特性曲线晶体管的共射特性曲线一、输入特性一、输入特性输入输入回路回路输出输出回路回路常数常数 CE)(BEBuufi0CE u与二极管特性相似与二极管特性相似模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件96BEuBiO0CE uV 1CE uV 1CE u特性基本特性基本重合重合( (电流分配关系

60、确定电流分配关系确定) )特性右移特性右移( (因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子) )导通电压导通电压 UBE( (on) )硅管：硅管： (0.6 0.8) V锗管：锗管： (0.2 0.4) V取取 0.7 V取取 0.3 VECB模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件971. 放大区：放大区：CEOBCIII 条件：条件： 发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏特点：特点： 水平、等间隔水平、等间隔二、输出特性二、输出特性常数B)(CECivfiECB模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件982.截止