第1章-二极管

1、模拟电子技术主讲人主讲人:郭颖郭颖E-mail:guoying_模拟电子技术模拟电子技术一一、课程特点课程特点:(入门性质的技术基础课) 1. .工程性：工程性： (1)实际工程需要证明其可行性。实际工程需要证明其可行性。定性分析就会定性分析就会带来分析原理多带来分析原理多, ,分析方法多分析方法多； (2)满足基本性能指标前提下，实际工程容许满足基本性能指标前提下，实际工程容许存在一定误差存在一定误差。“估算估算”就是近似分析，相应的就是近似分析，相应的近似计算多；近似计算多； (3)估算不同的参数采用不同的模型。估算不同的参数采用不同的模型。电路类型电路类型多。多。 2. .实践性：实践性

2、： 调试是关键，前提是了解参数影响。调试是关键，前提是了解参数影响。二、学习方法二、学习方法： 1.重点掌握“基本概念、基本电路、基本分析方法” 2.学会全面、辩证的分析模拟电子电路中的问题。 3.注意电路的基本定律、定律在模拟电子电路分析中的应用。 4.重点在于课堂听讲，再加预习、复习。重点在于课堂听讲，再加预习、复习。 注重实验环节，先理论分析，后实践，注重实验环节，先理论分析，后实践， 然后再对实验的结果进行分析验证。然后再对实验的结果进行分析验证。三、教材与参考书三、教材与参考书、教材、教材电子技术基础电子技术基础 模拟部分（第五版）模拟部分（第五版）康华光高教出版社康华光高教出版社2

3、006年年、参考书、参考书 电子线路电子线路线性部分线性部分( (第四版第四版) ) 谢嘉奎谢嘉奎 高教出版社高教出版社模拟电子技术基础模拟电子技术基础华成英高教出版社华成英高教出版社四、课程的几个问题四、课程的几个问题1 1、先修课要求、先修课要求 普通物理中的电学部分普通物理中的电学部分 电路原理电路原理2 2、课时、课时4848实验实验1010学时学时3 3、考核形式：考试、考核形式：考试 平时成绩，占平时成绩，占2 20 0分，作业、实验各占分，作业、实验各占1010分分 评分标准：准时交、正确性、书写整洁规范评分标准：准时交、正确性、书写整洁规范4 4、其他要求、其他要求传感器压力压

4、力1压力压力2温度温度1温度温度2.放大滤波叠加组合数模转换电路模数转换电路计算机数据处理.驱动电路.驱动电路驱动电路驱动电路传感器传感器传感器执行机构执行机构执行机构执行机构模拟电子技术数字信号处理模拟电子技术压力压力1压力压力2温度温度1温度温度2.压力压力1压力压力2温度温度1温度温度2.传感器.传感器传感器传感器.放大滤波叠加组合数模转换电路模数转换电路计算机数据处理.驱动电路.驱动电路驱动电路驱动电路.执行机构执行机构执行机构执行机构模拟电子技术数字信号处理模拟电子技术一、电信号一、电信号 电信号是指随时间发生变化的电压或电流，电子电路中的信号均为电信号。 信号是信息的载体，是反映消

5、息的物信号是信息的载体，是反映消息的物 理量。理量。电子电路中将信号分为模拟信号和数字信号。电子电路中将信号分为模拟信号和数字信号。(1)模拟信号模拟信号在时间和幅度是上都是连续变化的，在一定动态范围内可取任意值。0f(t)t(2)数字信号在时间和数值上均具有离散性。模拟电路是模拟电路是处理模拟信号的电路。处理模拟信号的电路。0f(t)tt1t3t5t2t4.1.时间离散，幅度连续；0f(t)tt1t3t5t2t4.2.时间离散，幅度离散；0f(t)tt1t3t5t2t4.3.时间连续，幅度离散；由数字信号处由数字信号处理电路来进行理电路来进行处理运算。处理运算。 数字信号只存在高低两种电平的

6、相互转化。0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 大多数物理量大多数物理量所转换成的信所转换成的信号都为模拟信号都为模拟信号，在信号处号，在信号处理时，再通过理时，再通过电子电路实现电子电路实现模拟信号和数模拟信号和数字信号间的相字信号间的相互转化。互转化。常用模拟电路有：常用模拟电路有：u放大电路：用于信号的电压、电流和功率的放大。放大电路：用于信号的电压、电流和功率的放大。u滤波电路：用于信号的提取、变化和抗干扰。滤波电路：

7、用于信号的提取、变化和抗干扰。u运算电路：完成信号的运算。运算电路：完成信号的运算。u信号转化电路：完成信号间的相互转化。信号转化电路：完成信号间的相互转化。u信号发生电路：用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波信号发生电路：用于产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波u直流电源：将市电转化成不同输出电压和电流的直流电。直流电源：将市电转化成不同输出电压和电流的直流电。 由基本电路组成的具有特定功能的电路整体。由基本电路组成的具有特定功能的电路整体。半导体基础知识半导体基础知识二极管的工作原理、分析方法二极管的工作原理、分析方法三极管的工作原理、分析方法三极管的工作原理、分析方法场效应管的工作原理、

8、分析方法场效应管的工作原理、分析方法 基本放大器基本放大器差分放大器差分放大器负反馈放大器负反馈放大器集成运算放大器集成运算放大器第一章第一章 二极管及其基本电路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1.2 PN1.2 PN结的形成及特性结的形成及特性1.3 1.3 晶体二极管晶体二极管1.4 1.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法1.5 1.5 特殊二极管特殊二极管1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识一、半导体特征一、半导体特征（导电能力介于导体和绝缘体之间） 在物理学中，根据材料的导电能力，可以划分导体、绝在物理学中，根据材

9、料的导电能力，可以划分导体、绝缘体和半导体。缘体和半导体。 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。，接近绝缘

10、体。二二. . 本征半导体本征半导体 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。1.本征激发和复合本征激发和复合 当温度升高或受到光当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为参与导电，成为自由电自由电子子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空

11、穴 自由电子产生的同时，自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为出现了一个空位，称为空穴空穴。 可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。 外加能量越高（外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。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：313cm

12、105 . 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自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流+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2.总结总结：（1）T= 0 K时，不导电； （2）T=300K时，同时产生两 种载流子，且ni=pi； （3）浓度与温度密切相关。三三. . 杂质半导体杂质半导体 在

13、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。根据掺入杂质不同，。根据掺入杂质不同，可分为可分为N（电子）型（电子）型和和P（空穴）型（空穴）型两种。两种。1.1. N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷、砷等，使自由电子浓度大大增加，称为磷、砷等，使自由电子浓度大大增加，称为N型半导体型半导体。 N型半导体型半导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多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施

14、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分析：1. .自由电子浓度大大增加自由电子浓度大大增加, ,空穴因与自空穴因与自由电子相遇复合几率增大，导致其浓度更低；由电子相遇复合几率增大，导致其浓度更低； 2. .此时此时, ,NPNP, ,半导体的电性如何半导体的电性如何? ? 回答回答: :呈呈电中性电中性。 原因原因：当施主原子失去一个价电子，成：当施主原子失去一个价电子，成为带正电的离子，该正离子束缚在晶格中，不为带正电的离子，该正离子束缚在晶格中，不能象载流子那样起导电作用，故有：能象载流子那样起导电作用，故有： N ND D+p=n+p=n 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如

15、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型半导体型半导体杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关1.2 PN1.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 晶体二极管由晶体二极管由PN结组成，讨论结组成，讨论PN结的结的特性，实际上就是讨

16、论二极管的特性。特性，实际上就是讨论二极管的特性。一、导电机理一、导电机理漂移和扩散漂移和扩散 导体中只有自由电子导体中只有自由电子,它在电场的作用下产生它在电场的作用下产生定向的漂移运动定向的漂移运动,形成漂移电流。形成漂移电流。 而半导体中有自由电子和空穴两种载流子，而半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们除了在电场的作用下形成它们除了在电场的作用下形成漂移电流漂移电流外，还会外，还会在浓度差作用下产生定向扩散运动，形成相应的在浓度差作用下产生定向扩散运动，形成相应的扩散电流扩散电流。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

17、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移电流耗尽层耗尽层 二、二、 PNPN结的形成结的形成 少子漂移少子漂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 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V三、三、 PN结的单向导电性结的单向导电性

18、1. .加正向电压（加正向电压（PN结正偏）结正偏）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 PN结导通结导通2. 加反向电压加反向电压(反偏反偏)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

19、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 R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一征激发产生的少子浓度是一定的，故定的，故IR基本上与外加反基本上与外加反压的大小无关压的大小无关，所以称为所以称为反反向饱和电流向饱和电流。但。但IR与温度有与温度有关。关。 PN结截止结截止 PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈

20、现高电阻，漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。3.3. PN结结的伏安特性曲线的伏安特性曲线 根据理论推导，根据理论推导，PNPN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）IR（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四、四、PNPN结的反向击穿结的反向击穿 当外加反向电压时，当外加反向电压时，PN结的反向电流很小，结的反向电流很小，但当反向电压增大到一定值时，反向电流将随反

21、向但当反向电压增大到一定值时，反向电流将随反向电压的增大而急剧增大，此现象为反向击穿。电压的增大而急剧增大，此现象为反向击穿。 雪崩击穿：低掺杂的雪崩击穿：低掺杂的PN结，击穿电压高（结，击穿电压高（640V）电击穿电击穿 齐纳击穿：高掺杂的齐纳击穿：高掺杂的PN结，击穿电压低（结，击穿电压低（16V） 电击穿可逆，可为人们利用电击穿可逆，可为人们利用热击穿：热击穿：反向电流与反向电压的乘积超过反向电流与反向电压的乘积超过PN结容许的耗散功结容许的耗散功率，热量散不出去而使结温上升，直至过热而烧。率，热量散不出去而使结温上升，直至过热而烧。 热击穿应尽量避免热击穿应尽量避免1.3 1.3 晶体

22、二极管晶体二极管一、结构与类型一、结构与类型 二极管二极管 = PN结结 + 管壳管壳 + 引线引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极-D 1.1.二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，用于检波和变频等用于检波和变频等高频电高频电路路，及，及小电流和脉冲数字小电流和脉冲数字电路电路。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

23、。(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于低频大电流整流电路。于低频大电流整流电路。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2.2.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

24、型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。 二二 、半导体二极管的、半导体二极管的VI特性曲线特性曲线 硅：硅：0.5 V 锗：锗： 0.1 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：0.2V(3)反向击穿特性反向击穿特性: 二极管中二极管中PN结反向击穿结反向击穿 反向电压增大到一定值时反向电压增大到一定值时(UBR)，反向电流剧增。，反向电流剧增。三、主要参数三、主要参数1.1.最大整流

25、电流最大整流电流IF：为平均电流。电流过大会发：为平均电流。电流过大会发 热热烧毁烧毁管子。管子。2.2.反向击穿电压反向击穿电压U UBRBR：手册上规定的为实际的一：手册上规定的为实际的一 半。半。确保安全运行确保安全运行。3.3.反向电流反向电流I IR R：随温度增加，值：随温度增加，值越小越小，管子的单，管子的单 向导电性向导电性越好越好。硅二极管的反向电流硅二极管的反向电流一般在纳安一般在纳安(nA)级；级；锗二极管在微安锗二极管在微安( A)级。级。1.4 1.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法) 1(eTSUuIiD非线性器件非线性器件iu0iuRLC

26、线性器件线性器件Riu 二极管为非线二极管为非线性器件，应采用非性器件，应采用非线性电路的分析方线性电路的分析方法。法。一、图解分析法一、图解分析法（前提：已知二极管的（前提：已知二极管的V-I特性曲线）特性曲线）例：例：电路如图，二极管的电路如图，二极管的V-I特性曲线已知，且特性曲线已知，且已知已知U和电阻和电阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压VD和流过和流过二极管的电流二极管的电流ID。iDR10VU1k解：解：根据根据KVLKVL方程，求出方程，求出i iD D 做出二极管的负载线。做出二极管的负载线。解：解：根据根据KVLKVL方程，求出方程，求出 做出二极管的负载线。做出二极

27、管的负载线。二、简化模型分析法二、简化模型分析法iuDU+-uiDUDU2.恒压降模型恒压降模型（理想二极管串上导通管压降）（理想二极管串上导通管压降）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 0.2V。1.理想模型理想模型ui正偏正偏反偏反偏-+iu导通压降导通压降二极管的二极管的VI特性特性-+iuiu0例：例：由硅由硅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 ui为为4V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计算电流模型计算电流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。 采用恒压降模型分析。采用恒压降模