第1章半导体二极管及其应用

模拟电子技术电子科学与工程学院主讲:杨恒新yanghx@2/1/20231模拟电子技术一、模拟电子技术课程是什么二、课程地位三、课程研究对象与教学内容四、课程安排与任务五、如何学习六、何谓学好七、课程成绩评定方法八、答疑时间、地点绪论2/1/20232模拟电子技术第1章晶体二极管及其基本电路1.1半导体物理基础知识1.1.0概述一、导体、绝缘体、半导体二、制造半导体器件的材料1.1.1本征半导体一、半导体中的载流子二、本征载流子浓度2/1/20233模拟电子技术1.1.2杂质半导体一、N型半导体（Negativetype）二、P型半导体（Positivetype）三、杂质半导体的载流子浓度2/1/20234模拟电子技术1.2PN结1.2.1ＰＮ结的形成1.2.2ＰＮ结的单向导电特性一、PＮ结加正向电压二、PＮ结加反向电压三、PN结电流方程1.2.3PN结的击穿特性一、齐纳击穿二、雪崩击穿2/1/20235模拟电子技术1.2.4PN结的电容特性一、势垒电容二、扩散电容2/1/20236模拟电子技术1.3.2二极管的主要参数一、直流电阻1.3半导体二极管及其基本电路1.3.1二极管特性曲线二、交流电阻三、最大整流电流I

F四、最大反向工作电压URM五、反向电流ＩＲ六、最高工作频率fM2/1/20237模拟电子技术1.3.4二极管基本应用电路一、二极管整流电路二、二极管限幅电路1.3.3半导体二极管模型一、理想模型

二、恒压降模型

三、折线模型

四、小信号模型

2/1/20238模拟电子技术1.4特殊二极管一、稳压二极管的特性二、稳压二极管的主要参数三、稳压二极管稳压电路1.4.1稳压二极管作业2/1/20239模拟电子技术一、模拟电子技术课程是什么模拟电子技术课程是一门研究模拟电子技术的基本规律，并注重实践应用的一门专业基础课。输出信号幅度大输出信号失真小放大1mV100mV2/1/202310模拟电子技术2/1/202311模拟电子技术二、课程地位1.是重要的专业基础课体现学历教育和大学基础的课。课时多，教学内容基本稳定。专业应用性质课。课时少，内容变化快。专业方向课，课时较多；内容相对稳定。按照在培养方案中的地位和作用，课程分为通识教育、专业教育、实践教育、创新拓展（自主学习）四大类模块。课程体系框架通识教育类专业教育类实践教育类创新拓展类专业基础课程专业课程2/1/202312模拟电子技术3.是强调硬件应用能力的工程类课程4.是工程师训练的基本入门课程5.是很多重点大学的考研课程2.是电气信息类、电子信息科学类专业的主干课程(1)当前社会对于硬件工程师（特别是具有设计开发

能力的工程师）需求量很大。(2)培养硬件工程师比较困难。(3)学好并掌握硬件本领将使你基础实，起点高，发

展大，受益无穷！2/1/202313模拟电子技术1.模拟信号与数字信号模拟信号：幅值连续、时间连续

数字信号：幅值离散、时间离散（通常变化时刻之间的间隔是均匀的）00110001010101三、课程研究对象与教学内容语言信号波形Dt0ut0t1t2t3D0D12/1/202314模拟电子技术2.电子电路的概念、分类及发展概念对弱电类信号进行产生、处理（如放大）、存储、传输，由各种元件互相连接而组成的物理实体。分类：数字电路、模拟电路线性电路（处理小信号）、非线性电路（处理大信号）模拟电路根据有源器件模型分为低频电路（处理低频信号）、高频电路（处理高频信号）模拟电路根据信号频率分为2/1/202315模拟电子技术发展电子管时代：晶体管时代：集成电路时代：1906年诞生电子三极管，之后出现无线电通信；1947年诞生晶体三极管；1958年出现集成电路，进入微电子时期；※0.35μm0.25μm0.18μm0.13μmLSI和VLSI时代※：(Pentium46703.80GHz)90nm(Core2Duo)65nm(Corei7)22nm2/1/202316模拟电子技术3.课程内容第1章半导体二极管及其应用第2章双极型晶体管及其放大电路第3章场效应晶体管及其放大电路第5章集成运算放大电路第6章反馈第4章放大器的频率响应和噪声第7章集成运算放大器的应用第8章功率放大电路第10章正弦波振荡电路第11章调制与解调器件模块系统放大频响反馈Multisim振荡调制与解调三极管二极管场效应管运放2/1/202317模拟电子技术4.教材[1]黄丽亚等编著.模拟电子技术基础.第2版.北京:机械工业出版社,2012[2]电子电路教研室.模拟电子电路B补充讲义(修订版).南京邮电大学校内印刷,20062/1/202318模拟电子技术5.参考书[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）(第五版).

北京：高等教育出版社,2006[2]华成英童诗白.模拟电子技术基础（第四版）.

北京：高等教育出版社,2006[3]谢嘉奎.电子线路（线性部分）(第四版）.

北京：高等教育出版社,1999（2004年印刷）[4]谢嘉奎.电子线路（非线性部分）(第四版）.

北京：高等教育出版社,1999（2004年印刷）2/1/202319模拟电子技术四、课程安排与任务2.掌握常用半导体器件和典型模拟集成电路的特性与参数；3.系统地掌握电子线路的基本概念、组成、基本原

理、性能特点和掌握各类放大器、频率响应、

反馈、振荡器、调制解调电路的基本分析方法

和工程估算方法；

1.二学期课(32学时*2、2学分*2)，实验课另有安排，单独设课。2/1/202320模拟电子技术五、如何学习1.“爱好”和“志向”很重要！“兴趣是最好的老师”。2.入门时可能会遇到一些困难。注意不断改进、总结和调整、提高。基本器件关叠加近似关组装调试关EDA应用关3.学习方法“过四关”4.分立为基础，集成是重点，分立为集成服务电路构成（会看）分析方法（会算）实践应用（会调）设计开发（会选）2/1/202321模拟电子技术1.掌握电子技术的硬件理论（理论）;六、何谓学好？七、课程成绩评定方法八、答疑时间、地点2.掌握电子技术的应用实践能力（实践）;周5上午12:30-13:20教3-5172/1/202322模拟电子技术第一章晶体二极管及其基本电路（1）了解本征半导体、杂质半导体和PN结的形成及其特性。（2）掌握晶体二极管的特性和主要参数。（3）掌握普通二极管、稳压二极管构成的基本电路的组成、工作原理及分析方法。2/1/202323模拟电子技术1.1半导体物理基础知识1.1.0概述一、导体、绝缘体、半导体1.导体(Conductor)：σ>104s·cm-12.绝缘体(Insulator)：σ<10-10s·cm-13.半导体(Semiconductor)：σ在10-9～103s·cm-1间注：σ为电导率如铝、金、钨、铜等金属，镍铬等合金。如二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等。如硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓等。2/1/202324模拟电子技术二、制造半导体器件的材料+14284硅原子（Silicon）锗原子（Germanium）图1.1.1硅和锗原子结构图和简化模型半导体器件是导体、半导体和绝缘体的有机组合体。+4惯性核(InertIonicCore)价电子(ValenceElectron)半导体是构成当代微电子的基础材料。+32218482/1/202325模拟电子技术一、半导体中的载流子1.1.1本征半导体(IntrinsicSemiconductor)纯净的半导体，称为本征半导体。在绝对零度(-273℃)和没有外界影响时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。晶体中无载流子。载流子(Carrier)：获得运动能量的带电粒子。2/1/202326模拟电子技术二、本征载流子浓度

ni,pi分别表示自由电子(FreeElectron)和空穴(Hole)的浓度(cm–3)；A0为常数，Si(Ge):3.87(1.76)×1016cm-3·K-3/2；EG0为T=0K时的禁带宽度，Si(Ge):1.21(0.78)eV；k为波尔兹曼常数(8.63×10-6V/K)；2/1/202327模拟电子技术本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大，所以半导体的导电性能对温度非常敏感。室温下，本征半导体的导电能力很弱。室温下：硅（Si)原子密度为载流子密度为本征载流子浓度讨论2/1/202328模拟电子技术1.1.2杂质半导体(ImpuritySemiconductor)一、N型半导体（Negativetype）在本征硅（或锗）中，掺入少量的五价元素（磷、砷等），就得到N型半导体。室温时，几乎全部杂质原子都能提供一个自由电子。多子(Majority)（多数载流子）：自由电子；少子(Minority)（少数载流子）：空穴；多子浓度nn≈Nd（施主杂质浓度）2/1/202329模拟电子技术二、P型半导体（Positivetype）在本征硅（或锗）中，掺入少量的三价元素（硼、铝等），就得到P型半导体。室温时，几乎全部杂质原子都能提供一个空穴。多子（多数载流子）：空穴；少子（少数载流子）：自由电子；多子浓度pp≈Na（受主杂质浓度）2/1/202330模拟电子技术三、杂质半导体的载流子浓度在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。对N型半导体对P型半导体2/1/202331模拟电子技术杂质半导体类型多子少子多子浓度少子浓度载流子浓度与温度关系N型半导体P型半导体杂质半导体载流子小结自由电子空穴空穴自由电子nn≈Ndpp≈Na温度变化对多子浓度影响很小；对少子浓度影响很大。2/1/202332模拟电子技术1.2PN结1.2.1ＰＮ结的形成平衡时，多子扩散与少子漂移达到平衡，即扩散过去多少多子，就有多少少子漂移过来。开始扩散运动占优势；内电场形成，阻止多子扩散，但引起少子漂移；2/1/202333模拟电子技术1.2.2ＰＮ结的单向导电特性一、PＮ结加正向电压外加电场，多子被强行推向耗尽区，中和部分正、负离子使耗尽区变窄，内电场削弱。由于内电场减弱，有利于多子的扩散，多子源源不断扩散到对方，形成扩散电流，通过回路形成正向电流．由于UB较小，因此只需较小的外加电压U，就能产生很大的正向电流2/1/202334模拟电子技术外加电场强行将多子推离耗尽区，使耗尽区变宽，内电场增强。内电场增强，多子扩散很难进行，而有利于少子的漂移。越过界面的少子通过回路形成反向(漂移)电流，反向电流很小。外加电压增大时，反向电流基本不增加。二、PＮ结加反向电压2/1/202335模拟电子技术这种现象称之为PN结的单向导电特性。综上所述，PN结加正向电压时，电流很大并随外加电压有明显变化（正向导通），而加反向电压时，电流很小，且不随外加电压变化（反向截止）。2/1/202336模拟电子技术三、PN结电流方程图1.2.5PN结的伏安特性当T=300K(室温)时,UT=26mV。iu0-U(BR)IS为反向饱和电流。UT=KT/q,温度电压当量2/1/202337模拟电子技术当u

比UT大3倍时即呈现指数变化。当u<0时,且|u|比UT大3倍时PN结电流方程讨论2/1/202338模拟电子技术Δu/ΔT≈-(2~2.5)mV/℃iu0TT-U(BR)当温度T变化时PN结电流方程讨论2/1/202339模拟电子技术1.2.3PN结的击穿特性当反向电压超过U(BR)后，|u|稍有增加时，反向电流急剧增大，这种现象称为PN结反向击穿(Breakdown)。iu0-U(BR)2/1/202340模拟电子技术重掺杂耗尽区很窄强电场将中性原子的价电子直接拉出共价键产生大量电子、空穴对反向电流增大。一、齐纳击穿(ZenerBreakdown)PN耗尽区+++++++++++++++外电场2/1/202341模拟电子技术轻掺杂耗尽区较宽少子动能增大碰撞中性原子产生电子、空穴对连锁反应产生大量电子、空穴对反向电流剧增。二、雪崩击穿(AvalancheMultiplication)PN耗尽区+++++++++++++++外电场2/1/202342模拟电子技术一般来说，对硅材料的PN结，UBR>7V时为雪崩击穿；UBR<5V时为齐纳击穿；UBR介于5~7V时，两种击穿都有。2/1/202343模拟电子技术1.2.4PN结的电容特性一、势垒电容(BarrierCapacitance)PN耗尽区+++++++++++++++外电场2/1/202344模拟电子技术1.2.4PN结的电容特性外加电压变化，耗尽区的宽度变化，则耗尽区中的正负离子数目变化，即存储的电荷量变化。一、势垒电容(BarrierCapacitance)PN+++++++++++++++外电场2/1/202345模拟电子技术1.2.4PN结的电容特性偏置电压变化非平衡少子的浓度分布曲线变化非平衡少子变化电荷变化二、扩散电容(DiffusionCapacitance)2/1/202346模拟电子技术Cj=CT+CD结论Cj≈CD，其值通常为几十至几百pF；Cj≈CT,其值通常为几至几十pF。因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。正偏时以CD为主，反偏时以CT为主，（如：变容二极管）2/1/202347模拟电子技术1.3半导体二极管及其基本电路PN结加上电极引线和管壳就形成半导体二极管。图1.3.1半导体二极管结构示意图及电路符号P区N区正极负极（a）结构示意图（b）电路符号PN正极负极2/1/202348模拟电子技术1.3.1二极管特性曲线二极管特性曲线与PN结基本相同，略有差异。图1.3.2硅二极管伏安特性曲线

i/mAu/V(A)0102030-5-10-0.50.5特性曲线是描述器件性能的图形表示。硅:0.7VUD(on)锗:0.25V指数段直线段小功率管正常工作电压硅：0.6~0.8V锗：0.2~0.3V锗管：小于几十微安硅管：小于0.1A2/1/202349模拟电子技术1.3.2二极管的主要参数一、直流电阻（静态电阻）图1.3.3二极管电阻的几何意义IDUDQ1RD=UD/IDRD的几何意义：iu0Q2(a)直流电阻RDQ点到原点直线斜率的倒数。规律RD不是恒定的，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压的增大而增大。参数是描述器件性能的技术指标。2/1/202350模拟电子技术1.正向电阻：几百欧姆；反向电阻：几百千欧姆；2.Q点（quiescent）（直流工作点、静态工作点）不同，测出的电阻也不同；如：用万用表欧姆档的不同档位（×10、×100、×1K等）测得的阻值是不同的。结论因此，PN结具有单向导电特性。2/1/202351模拟电子技术二、交流电阻（动态电阻）二极管在其工作状态(I

DQ,UDQ)下的电压微变量与电流微变量之比。rD的几何意义为Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。iu0Qiu(b)交流电阻rD图1.3.3二极管电阻的几何意义2/1/202352模拟电子技术rD=rj+rs

------PN结电阻

rs------体电阻+引线接触电阻更确切地讲，二极管交流电阻2/1/202353模拟电子技术例1.3.1已知D为Si二极管，流过D的直流电流ID=10mA，交流电压U=10mV，求流过D的交流电流I=?10VDR0.93KUID解：二极管交流电阻为所以交流电流为2/1/202354模拟电子技术三、最大整流电流IF四、最大反向工作电压URM五、反向电流IR允许通过的最大正向平均电流。通常取U(BR)的一半，超过U(BR)容易发生反向击穿未击穿时的反向电流。IR越小，单向导电性能越好六、最高工作频率fM工作频率超过f

M时，二极管的单向导电性能变坏。2/1/202355模拟电子技术1.3.3半导体二极管模型由于二极管的非线性特性，当电路加入二极管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二极管的应用条件作合理近似，得到相应的等效电路，化为线性电路。对电子线路进行定量分析时,电路中的实际器件用相应的电路模型来等效表示，称为“建模”。2/1/202356模拟电子技术iu0一、理想模型

图1.3.5理想二极管模型

（a)伏安特性（b)电路模型U<01（c)符号U022/1/202357模拟电子技术iu0图1.3.6恒压降模型

UD(on)（a)伏安特性UUD(on)（b)电路模型2UD(on)二、恒压降模型

U<UD(on)1UD(on)（c)符号UD(on)硅:UD(on)=0.7V锗:UD(on)=0.25V2/1/202358模拟电子技术图1.3.7折线模型UD(on)iu0（a)伏安特性U<UD(on)（b)

电路模型1UD(on)rD(on)三、折线模型

UUD(on)（c)符号2UD(on)rD(on)UD(on)rD(on)2/1/202359模拟电子技术四、小信号模型

图1.3.8二极管的交流小信号等效模型

2UD(on)rD(on)UD(on)rD(on)rD(on)+-△U△IIDUDQiu0△U△I（a）伏安曲线（b）电路模型2/1/202360模拟电子技术1.在大信号应用中如何选择二极管的等效模型？以上四种等效电路模型(理想模型

、恒压降模型

、折线模型、小信号模型)均为二极管近似模型(线性化模型)。对不同电路模型可在不同需求时采用。思考题：2.在小信号应用中如何选择二极管的等效模型？3.叙述二极管的死区电压、工作电压范围、导通电压的含义及数值。2/1/202361模拟电子技术一、二极管整流电路图1.3.9二极管半波整流电路及波形tui0

uot0(b)输入、输出波形关系1.3.4二极管基本应用电路VRLuiuo(a)电路iu02/1/202362模拟电子技术二、二极管限幅电路图1.3.11二极管上限幅电路及波形t

ui/V0

(b)输入、输出波形关系t0

uo/V2.7-5-55(a)电路E2VDRuiuou

i≥E+UD(ON)

D导通，否则截止。iuUD(on)02.72/1/202363模拟电子技术1.稳压二极管的正向特性、反向特性与普通二极管基本相同，区别仅在于反向击穿时，特性曲线更加陡峭。2.稳压管在反向击穿后，能通过调节自身电流，实现稳定电压的功能。，电压几乎不变，为-UZ。即当一、稳压二极管的特性1.4.1稳压二极管1.4特殊二极管2/1/202364模拟电子技术二、稳压二极管的主要参数1.稳定电压UZ2.额定功耗PZ击穿后流过管子的电流为规定值时，管子两端的电压值。由管子温升所限定的参数，使用时不允许超过此值。3.稳定电流IZ4.动态电阻rZ5.温度系数α在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。表示单位温度变化引起稳压值的相对变化量。一般为几欧姆到几十欧姆（越小越好）。2/1/202365模拟电子技术例上图为稳压二极管稳压电路，即当Ui和RL变化时，输出UO保持不变。试问：该稳压电路要能够稳定工作，对限流电阻R有何要求。图1.4.2稳压二极管稳压电路R

ILIZDZ

RLUiUo三、稳压二极管稳压电路当RL不变时：Ui

↑IR

↑IR

IZ↑↑

IL≈C当Ui不变时：RL

↑IR

↓

IZ↑↑

IL

↓↓2/1/202366模拟电子技术rZUZR

ILIZDZ

RLUiUoR

ILIZ

RLUiUo2/1/202367模拟电子技术解：当Ui,RL变化时，Ｄz中电流IZ应满足图1.4.2稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUo何时IZ最小？何时IZ最大？2/1/202368模拟电子技术即1.当Ui=Uimin,RL=RLmin时,IZ最小，此时应有R

ILIZVZ

RLUiUo2/1/202369模拟电子技术2.当Ui=Umax,RL=RLmax时,IZ最大，此时应有即R

ILIZVZ

RLUiUo2/1/202370模拟电子技术Rmin<R<Rmax因此，可得限流电阻的取值范围是：2/1/202371模拟电子技术小结2.PN结是现代半导体器件的基础。它具有单向导电特性、击穿特性和电容特性。1.N型半导体中，电子是多子，空穴是少子；P型半导体中，空穴是多子，电子是少子；多子浓度由掺杂浓度决定，少子浓度很小且随温度的变化而变化。3.半导体二极管由一个PN结构成，大信号应用时表现为开关特性。4.利用PN结的击穿特性可制作稳压二极管。用稳压二极管构成稳压电路时，首先应保证稳压管反向击穿，另外必须串接限流电阻。2/1/202372模拟电子技术作业12/1/202373模拟电子技术+4+4+4+4价电子图1.1.2单晶硅和锗共价键结构示意图共价键(CovalentBond)2/1/202374模拟电子技术+4+4+4+4束缚电子图1.1.3本征激发产生电子和空穴自由电子（带正电）电子载流子（带负电）空穴空穴载流子本征激发复合空穴在晶格中的移动.avi2/1/202375模拟电子技术图1.1.4N型半导体原子结构示意图+4+5+4+4键外电子束缚电子(Doneratom)施主原子2/1/202376模拟电子技术图1.1.5P型半导体原子结构示意图空位+4+3+4+4束缚电子(Acceptoratom)受主原子2/1/202377模拟电子技术+++++++++++++++PN（a）空穴和电子的扩散图1.2.1PN结的形成PN结的形成过程.avi2/1/202378模拟电子技术PN内电场（b）平衡时的PN结图1.2.1PN结的形成+++++++++++++++PN结又称空间电荷区、耗尽区、阻挡区、势垒区内建电位差UB对Ge材料UB=0.2～0.3V；对Si材料UB=0.6～0.8V；（几个到几十个m)2/1/202379模拟电子技术PN耗尽区内电场UB

-U图1.2.3正向偏置的PN结+-ERU+++++++++++++++外电场扩散运动＞漂移运动PN结加正向电压时的导电情况.avi2/1/202380模拟电子技术图1.2.4反向偏置的PN结ERPN耗尽区内电场UB

+U-+U+++++++++++++++外电场扩散运动＜漂移运动PN结加反向电压时的导电情况.avi2/1/202381模拟电子技术图1.2.6P区少子浓度分布曲线2/1/202382模拟电子技术图1.4.1稳压二极管及其特性曲线(a)电路符号i/mAu/V

IZmax0-UZ

IZmin(b)伏安特性曲线2/1/202383模拟电子技术总评成绩计算方法2.平时0.3，期末0.7；

1.考试（笔试），闭卷；2/1/202384模拟电子技术分立元件图片双极型晶体三极管2/1/202385模拟电子技术分立元件图片双极型晶体三极管发光二极管检波二极管电阻2/1/202386模拟电子技术分立元件图片印刷电路板2/1/202387模拟电子技术分立元件图片电解电容瓷片电容稳压二极管电阻2/1/202388模拟电子技术1.电子器件Electronicdevice有源器件：三极管(Transistor)、集成电路（IC）等无源器件：电阻（R）、电容（C）、电感（L）等外特性（管子参数、特性曲线），近似模型。2.电子电路（线路）Electroniccircuit

电路结构、电路原理、近似分析。2/1/202389模拟电子技术电