低频教材第1章

电子线路Ⅰ教师:徐宏宇何慧

电子工程系一、课程内容：

半导体基础知识半导体器件：晶体二极管、三极管、场效应管、运算放大器机理模型应用分析放大器性能分析其他实用电路分析（运算电路、电源电路等）二、课程特点：1、工程性强

2、入门较难

3、实践环节要求高三、教学要求参考书：谢嘉奎：电子线路（线形部分）高等教育出版社童诗白：模拟电子技术基础张凤言：电子电路基础高等教育出版社第一章晶体二极管及其基本电路本章需要学习掌握的知识1掌握半导体物理基础知识2PN结的基本特性3晶体二极管及其基本电路1-1半导体的基本知识

在物理学中,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。半导体:导电能力(电阻率)介于导体和绝缘体之间典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。

本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。1-1-1本征半导体

本征半导体——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99.9999999%，常称为“九个9”。

这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。外加能量高（温度越高），电子空穴对越多。与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对稳敏特性自由电子带负电荷电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－＋总电流载流子空穴带正电荷空穴流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。导电机制

在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。一

N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。

1–1–2杂质半导体

N型半导体多余电子磷原子硅原子多子---多数载流子——自由电子少子---少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.

P型半导体1–1–3半导体中的电流一、漂移电流

在电场作用下，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。内电场E

因多子浓度差

形成内电场

多子的扩散

空间电荷区

阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层1-2PN结及其特性

1-2-1PN结的形成

少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0势垒(区)UB硅0.5V锗0.1V1-2-2PN结的单向导电性一加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流

二加反向电压——电源正极接N区，负极接P区

外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流ISPN

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IS基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IS与温度有关。

结论：PN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电流，呈现低电阻，PN结导通；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流(µa)，呈现高电阻，PN结截止。理论分析：PN结(二极管)电流方程:u为PN结两端的电压降i为流过PN结的电流IS为反向饱和电流UT=kT/q

称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数

1.38×10－23q

为电子电荷量1.6×10－9T为热力学温度对于室温（相当T=300K）则有UT=26mV。当u>0u>>UT时当u<0|u|>>|UT

|时三PN结电流方程和伏安特性曲线

根据电流方程，PN结的伏安特性曲线如图正偏IF（多子扩散）IS（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿热击穿——烧坏PN结电击穿——可逆1–2–3PN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

二、齐纳击穿(场致击穿）

内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层1-2-4PN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地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。CT为几个到几十个PF

(1)势垒电容CT(2)扩散电容CD

当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。CD

为几十到几百PF。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）CJ=

CT+

CD伏安特性上：温度升高，正向特性左移，反向特性下移具体变化规律是：温度每升高10℃，反向饱和电流IS增大一倍。如果温度为T1时，IS=IS1；温度为T2时，IS=IS2，则

保持正向电流不变时，温度每升高1℃，结电压减小约2~2.5mV，即

Δu/ΔT≈-(2~2.5)mV/℃1–2–5PN结的温度敏感特性1-3半导体二极管及其基本电路二极管=PN结+管壳+引线NP结构符号正极+负极-

二极管按结构分三大类：(1)点接触型二极管

PN结面积小，结电容小，用于检波等高频电路。(3)平面型二极管

用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。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：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。

1-3-1半导体二极管的V—A特性曲线

硅：0.5~0.6V

锗：

0.1~0.2V(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压UD(ON)击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗硅：0.7V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一、直流电阻RD定义为：二极管两端所加直流电压UD与流过它的直流电流ID之比，即RD不是恒定值，正向的RD随工作电流增大而减小反向的RD随反向电压增大而增大二、交流电阻rD

rD定义为：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即

三、最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。四、最大反向工作电压URM=UBR/2

二极管允许施加的最大反向电压电压。五、反向电流IR

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(nA)级；锗管在微安(

A)级。

六、最高工作频率fM1-3-3二极管的模型及近似分析计算例：IR10VE1kΩD—非线性器件iuRLC—线性器件1、二极管特性的折线近似及电路模型导通压降二极管的V—A特性DU2、串联电压源模型UD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V。3、理想二极管模型正偏反偏导通压降二极管的V—A特性二极管的近似分析计算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串联电压源模型测量值9.32mA相对误差理想二极管模型RI10VE1kΩ相对误差0.7V

1–3–4二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、限幅及电平选择等功能。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。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范围加以限制的电路，用于波形变换和整形。限幅电路的传输特性例：二极管构成的限幅电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，输入信号为ui。

(1)若ui为4V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I和输出电压uo解：（1）采用理想模型分析。

采用理想二极管串联电压源模型分析。（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）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型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：①采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V

②采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。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路，称为电平选择电路。当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数稳定电压1-3-5稳压二极管及稳压电路

一、稳压二极管特性应用在反向击穿区的特殊二极管正向同二极管反偏电压≥UZ

反向击穿＋UZ－限流电阻二、稳压二极管的主要

参数

(1)稳定电压UZ(4)动态电阻rZ

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。

rZ=

U

/

I

rZ愈小