低频教材第1章

1、 电子线路电子线路教师教师 : 徐宏宇徐宏宇 何慧何慧 电子工程系电子工程系一、课程内容：一、课程内容： 半导体基础知识半导体基础知识 半导体器件：半导体器件： 晶体二极管、三极管、场效应管、运算放大器晶体二极管、三极管、场效应管、运算放大器机理机理 模型模型 应用分析应用分析 放大器性能分析放大器性能分析 其他实用电路分析其他实用电路分析 （运算电路、电源电路等）（运算电路、电源电路等）二、课程特点：二、课程特点： 1、工程性强、工程性强 2、入门较难、入门较难 3、实践环节要求高、实践环节要求高三、教学要求三、教学要求参考书：参考书：谢嘉奎：电子线路（线形部分）谢嘉奎：电子线路（线形部分）

2、 高等教育出版社高等教育出版社童诗白：模拟电子技术基础童诗白：模拟电子技术基础张凤言：电子电路基础张凤言：电子电路基础 高等教育出版社高等教育出版社第一章第一章 晶体二极管及其晶体二极管及其 基本电路基本电路本章需要学习掌握的知识本章需要学习掌握的知识1 掌握半导体物理基础知识掌握半导体物理基础知识2 PN结的基本特性结的基本特性 3 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路1-1 1-1 半导体的基本知识半导体的基本知识 在物理学中在物理学中, ,根据材料的导电能力，可以将他们划分导根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。 半导体半导体:导电能力导电能

3、力( (电阻率电阻率) )介于导体和绝缘体之间介于导体和绝缘体之间 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。，

4、接近绝缘体。1-1-1 本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常，常称为称为“九个九个9”。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当温度升高或受到当温度升高或受到光的照射时，束缚光的照射时，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子的电子自由电子自由电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称

5、为空位，称为空穴空穴。外加能量高（外加能量高（温度越高），温度越高），电子空穴对越多。电子空穴对越多。与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104 . 1锗：锗：313cm105 . 2自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对kTEiiGeTApn2/2/300稳敏特性稳敏特性自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流+

6、4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。一一 N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为如磷，砷等，称为N型半导体型半导体。 112杂质半导体杂质半导体 N型半导体型半导

7、体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多子多子-多数载流子多数载流子自由电子自由电子少子少子-少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2. P型半导体型半导体113半导体中的电流半导体中的电流一、漂移电流一、漂移电流 在电场

8、作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。半导体中的总漂移电流漂移电流为两者之和 即 I=In+Ip漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。二、扩散二、扩散 半导体中，载流子的浓度分布不均匀时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散形成扩散电流。x0 x0n(0)n(x)p(x)n0内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂

9、移电流耗尽层耗尽层1-2 1-2 PN结及其特性结及其特性 1-2-1 PN结的形成结的形成 少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡： 扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0势垒势垒(区区) UB硅硅 0.5V锗锗 0.1V1-2-2 PN结的单向导电性结的单向导电性一一 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向

10、与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流 二二 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I S S+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定

11、的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IS基本上与外加基本上与外加反压的大小无关反压的大小无关，所以称所以称为为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IS与温与温度有关。度有关。 结论：结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。 PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，电流，呈现低电阻， PN结导通；结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流电流(a)a)，呈现高电阻，呈现高电阻， PN结截止。结截止。) 1(eTSUuIi理论分析：理论分析：

12、PNPN结结( (二极管二极管) )电流方程电流方程: :u 为为PN结两端的电压降结两端的电压降i 为流过为流过PN结的电流结的电流IS 为反向饱和电流为反向饱和电流UT =kT/q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 1.381023q 为电子电荷量为电子电荷量1.6109T 为热力学温度为热力学温度 对于室温（相当对于室温（相当T=300 K）则有则有UT=26 mV。当当 u0 uUT时时1eTUuTeSUuIi 当当 u|U T |时时1eTUuSIi三三 PN结电流方程和结电流方程和伏安特性曲线伏安特性曲线 根据电流方程，根据电流方程，PNP

13、N结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）IS（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆123 PN结的击穿特性结的击穿特性 PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。 一、雪崩击穿一、雪崩击穿 二、齐纳击穿二、齐纳击穿(场致击穿）场致击穿） P型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层1-2-4 PN结的电容效应结的电容效应 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改

14、变，即地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。，就像电容充放电一样。 CT为几个到几十个为几个到几十个PF (1) 势垒电容势垒电容CT空空间间电电荷荷区区W+R+E+PN(2) 扩散电容扩散电容CD 当外加正向电压当外加正向电压不同时，不同时，PN结两侧结两侧堆积的少子的数量及堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电就相当电容的充放电过程过程。 CD 为几十到几百PF。+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL电容效应在高频交流信号作用下才会明显表

15、现出来电容效应在高频交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容）极间电容（结电容）CJ = CT + CD伏安特性上：温度升高，正向伏安特性上：温度升高，正向特性左移，反向特性下移具特性左移，反向特性下移具体变化规律是：体变化规律是：温度每升高温度每升高10，反向饱和电，反向饱和电流流IS增大一倍。如果温度为增大一倍。如果温度为T1时，时， IS =IS1；温度为；温度为T2时，时， IS =IS2，则，则 10/ )(12122TTSSII保持正向电流不变时，温度每升高保持正向电流不变时，温度每升高1，结电压减，结电压减小约小约22.5mV，即，即 u/T-(22.5)mV/125 PN

16、结的温度敏感特性结的温度敏感特性1-3 1-3 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 二极管二极管 = PN结结 + 管壳管壳 + 引线引线NP结构结构符号符号正极正极+负极负极- 二极管按结构分三大类：二极管按结构分三大类：(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波等高频电路。用于检波等高频电路。N型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝(3) 平面型二极管平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。(2) 面接

17、触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。SiO2正 极 引 线负 极 引 线N型 硅P型 硅负 极 引 线正 极 引 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型

18、型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。 1-3-1半导体二极管的半导体二极管的VA特性曲线特性曲线 硅：硅：0.50.6 V 锗：锗： 0.10.2 V(1) 正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2) 反向特性反向特性死区死区电压电压U UD(ON)D(ON)iu0击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3V表面漏电流影响，反向电流比理想PN结的IS大得多1-3-2 二极管的主要参数二极管的主要参数一、直流电阻一、直流电阻RD 定义为：二极管两端所加直流电定义为：二极管两端所加直流电压压UD

19、与流过它的直流电流与流过它的直流电流ID之比，即之比，即DDDIUR RD不是恒定值，正向的不是恒定值，正向的RD随工作电流增大而减小随工作电流增大而减小 反向的反向的RD随反向电压增大而增大随反向电压增大而增大0UDuIDu(a)iQ1Q20u(b)iQi0UDuIDu(a)iQ1Q20u(b)iQiDDDIUR 二、交流电阻二、交流电阻rD rD定义为：二极管在其工作状态定义为：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压处的电压微变量与电流微变量之比，即微变量与电流微变量之比，即DQDQDQDQUIUIDdiduIUr,DQTQUuSTQDIUeIUdidurT/)()(26mImrDQ

20、D 三三 、最大整流电流、最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。四、最大反向工作电压四、最大反向工作电压URM =UBR /2 二极管允许施加的最大反向二极管允许施加的最大反向电压电压电压电压。五五 、反向电流反向电流I IR R 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅管在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅管的反向电流一般在纳安的反向电流一般在纳安(nA)级；锗管在微安级；锗管在微安( A)级。级。 六六 、最高工作频率、最高工作频率fM1-3-3 二极管的模型及近似分析计算二极管的

21、模型及近似分析计算例：例：IR10VE1k) 1(eTSUuIiD非线性器件非线性器件iu0iuRLC线性器件线性器件Riu ui0CUD(on)BB0A1A2(a)(b)12UD(on)rD(on)UUD(on)U UD(on)1、二极管特性的折线近似及电路模型、二极管特性的折线近似及电路模型导通压降导通压降二极管的二极管的VA特性特性-+iuiu0iuDU+-uiDUDU2、串联电压源模型、串联电压源模型DUu DUu U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。3、理想二极管模型、理想二极管模型ui正偏正偏反偏反偏-+iu导通压降导通压降二极管的

22、二极管的VA特性特性-+iuiu0二极管的近似分析计算二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：例：串联电压源模型串联电压源模型mA3 . 9K1V)7 . 010(I测量值测量值 9.32mA相对误差相对误差00002 . 010032. 99.332. 9理想二极管模型理想二极管模型RI10VE1kmA10K1V10I相对误差相对误差0000710032. 932. 9100.7V 134二极管基本应用电路二极管基本应用电路 利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限幅及电利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限幅及电平选择等功能。平选择等功能。一、二极管整流（交流电变直流）电

23、路一、二极管整流（交流电变直流）电路简单二极管半波整流电路如图所示。若二极管为理想二极管简单二极管半波整流电路如图所示。若二极管为理想二极管。ttuo0ui0(b)VuiuoRL(a)二、二极管限幅电路二、二极管限幅电路 限幅电路也称为削波电路，目的使输入电压的变化限幅电路也称为削波电路，目的使输入电压的变化范围加以限制的电路，用于波形变换和整形。范围加以限制的电路，用于波形变换和整形。ui0UILuoUomaxUominUIH限幅电路的传输特性限幅电路的传输特性例：例：二极管构成的限幅电路如图所示，二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为，输入信号为ui。 (1)若若

24、 ui为为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、的直流信号，分别采用理想二极管模型、二极管串联电压源模型计算电流二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo+-+UIuREFRiuO解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。 采用理想二极管串联电压源模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。mA2k12VV4REFiRUuIV2REFoUumA31k1V702VV4DREFi.RUUuI2.7V0.7VV2DREFoUUu（2）如果）如果ui为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图（的交流三角波，波形如图（b）所）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模示，分别

25、采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。型分析电路并画出相应的输出电压波形。+-+UIuREFRiuO解：解：采用理想二极管采用理想二极管模型分析。波形如图所示。模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用理想二极管串联采用理想二极管串联电压源模型分析，波形电压源模型分析，波形如图所示。如图所示。+-+UIuREFRiuO三、二极管电平选择电路三、二极管电平选择电路 从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称为电平选择电路。路，称为电平选择电路。V1

26、u1uo(a)V2ERu2ttt(b)uo/V03.7u1/V30u2/V300.7当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在反向击穿状态下反向击穿状态下,工作工作电流电流IZ在在Izmax和和Izmin之间变化时之间变化时,其两端电其两端电压近似为常数压近似为常数稳定稳定电压电压1-3-5 稳压二极管及稳压电路稳压二极管及稳压电路 一、稳压二极管特性一、稳压二极管特性 应用在反向击穿区的特殊二极管应用在反向击穿区的特殊二极管+-DZiuUZIUIzminIzmax正向同正向同二极管二极管反偏电压反偏电压UZ 反向击穿反向击穿UZ限流电阻限流电阻二、稳压二极管的主要二、稳压二极管的主要 参数参数 (1) 稳定电压稳定电压UZ(4) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。 rZ = U / I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 (3) (3) 稳压稳压 电流电流IZ IZIZmin则不能稳压，超过则不能稳压，超过Izmax稳压管会因功耗过大烧坏。稳压管