《模拟电子技术基础》任英玉第1章半导体二极管及其应用电路

1.

课程特点：(1)该课程是电子技术方面的入门性质的技术基础课。基础理论课往往强调理论的完整性和逻辑严密性，技术课则要突出主要矛盾，往往采用近似的方法。如果片面追求数学上的严密，那么必然使问题复杂化，甚至无法解决。分析时采用近似等效的方法；为直观形象分析问题，教学中常采用图解法；本课程内容广泛，线路众多，应注意掌握规律；在学习中应树立工程意识，学会处理工程问题的方法。模拟电子技术基础1.

课程特点：(1

)该课程是电子技术方面的入门性质的技术基础课。(2)电路理论课程是重要的基础课。电路课程往往只讨论线性元件、线性电路；电子技术则主要讨论非线性元件及其电路：模拟电子技术基础数字电子技术基础传感器技术单片机原理及应用微型计算机原理及应用检测技术自动控制原理高等数学大学物理电路理论模拟电子

技术基础后

续

课

程先

修

课

程模拟电子技术基础戴维南定理诺顿定理正弦交流电路

谐振电路滤波电路线性电路动态过

程的时域分析叠加原理

基尔霍夫定理模拟电子技术基础电路基础理论非正弦周期电路其它定理等1.

课程特点：(1)该课程是电子技术方面的入门性质的技术基础课。(2)电路理论课程是重要的基础课。(3

)本课程具有系统性、实践性、先进性、工程应用性：要重视定性分析。要重视实验技能的培养和训练。要掌握反映现代电工电子技术的发展水平。采用的是“定量计算、定性分析、实验调整”相结合的分析方法。模拟电子技术基础天津大学电子技术课程组

编任英玉

主编

机械工业出版社清华大学电子学教研组编童诗白华成英主编

高等教育出版社华中科技大学电子技术课程组

编张林

陈大钦

主编

高等教育出版社2.学习资料1.模拟电子技术基础2.模拟电子技术基础3.模拟电子技术基础模拟电子技术基础3.电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上·

47年贝尔实验室制成第一只晶体管·

58年

集成电路·

69年

大规模集成电路·

75年

超大规模集成电路第一片集成电路只有4个晶体管，而97年一片集成电路上有40亿个晶体管。模拟电子技术基础信号的执行功率放大A/D

转

换第4章功率放大电路第9章直流稳压电源模拟电子技术基础4.电子系统简介信号的获取信号的处理信号的加工2双极型三极管及其放大电路3场效应管及其放大电路5集成运算放大器及其单元电路6负反馈放大电路7集成运算放大器的应用8信号产生电路5集成运算放大器及其单元电路6负反馈放大电路7集成运算放大器的应用8信号产生电路电子信息系统的供电电源隔离

、

滤波

、放大、阻抗变换运算

、转换、比较传感器

接收器电子器件1.半导体二极管2.双极型三极管3.场效应管电力系统及自动化检测技术与自动化装置电子科学与技术生物医学工程光电信息与工程测控技术与仪器信息与通讯工程模拟电子技术基础电子电路1.电压放大电路2.功率放大电路3.集成运算放大器4.负反馈放大电路5.信号处理电路6.信号产生电路7.直流稳压电源数字电子技术高频电子线路单片机原理及应用微型计算机原理及应用信号与系统自动控制原理传感器技术电子系统5.

课程内容模拟电子技

术基

础对相关学

科的

支撑后续课程电子技术就其器件及电子线路所处理、放大和变换的信号而言可分为：模拟电路：处理模拟信号的电子电路。模拟信号：时间上和幅值上均是连续变化的信号。如：正弦波、三角波、调幅波、阻尼振荡波、指数衰减波数字电路：它的结构是以二值数字逻辑为基础的，其工作信号是离散的数字信号。数字信号：随时间离散变化的信号。

如：矩形波或方波uo

t

0

t模拟电子技术基础6.学习本课程的意义数字时代还要学习模拟电路?手机的触屏；电脑的CPU的温度监控；各种电子设备的电源；人类的视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉；模拟电子技术基础导

体

：价电子容易失去，在外电场作用下易产生定向移动，形成电流。

如：铜、铁、镁、钾等金属元素等低价元素。半

导

体

：导电性介于导体与绝缘体之间的物质为半导体。如：硅、锗等元素。绝

缘

体

：价电子受原子核的束缚力很强，不易导电。如：惰性气体、橡胶等。1.1

半导体基础知识1.1.1

半导体特性

PN结及其特性

1.1.

2

本征半导体

半导体二极管

1.1.3杂质半导体

特殊二极管第1章半导体二极管及其应用电路根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分导体、绝缘体和半导体。1.1半导体基础知识IA0H氢1079意定同位系的质量配(批指卡度最大的网He?氦4.0028Ⅱ

A原子序数-元素荐梦住色燕放射性元彩元素名称性的是人造元和19K钾39.098位数放针

性网

位

率的

城外围电子的构活号画可能的构明

内数报为放射性元素

族秘载金

属非金属稀有气体过渡元素注1、相对原子质量录自1997年国相号原子质量表，以”℃=12为易准，光的相对原子质量超过五

位有效数字时取五位有效数字。2、商品L的和矿草子质量范国为6.94-699.3.总定元来列有天然丰度的同位素：天然故针性元率和人路无系网位率的选列与国际租动草子质禁表的有关文破一放。ⅢAIVAVAVIAVIA锂69414Be铍9022碳7N氮氧599919氟890810Ne9FA氖20160相对原了族限然号

最长与命H位表的P

15

31磷o97a11Na钠20012Mg镁24306Al

27铝26982Si

硅308616S硫206617CI氯

373545318Ar氩39948ⅢBIVBVBVIBVIBVⅢIBⅡ

B19K钾

03909820Ca“钙400783c45钪4495022Ti

9钛478723V钒3

524

“Cr铬5100

r425Mn锰549086Sr

5.84527Co钴5890328Ni镍cm³29Cu铜6354030Zn锌53931Ga镓oz32Ge锗233As砷42234

碧789635Br溴799036Kr氪强50942638037Rb铷部85468S锶876239Y钇的2锆9122441Nb铌62906542gMo钼959443锝“(98144Ru

;。钌1010745Rh3铑029146Pd钯1064247Ag

黑银107874849In铟148250Sn银19712锡187151Sb锑5le

碲12012212453

田I碘tzeso⁵54,Xe氙13129Cd镉1241690276055Cs

133

铯229757-71La-Lu镧

系72Hf铪178403钽1008

=741W12186钨

183

1838Re鳖铼r186216:锇愿122俄19023103铱92278Pt铂1950Au"

197

金967H9汞2005081TI铊2043882Pb⁶铅27207283Bi200铋2089084Po

z第针t(210)85At86Rn复氡(222砹(2109t87Fr288Ra镭(22689-103Ac-Lr钢

系104Rf21鲈(26t105Db2钳2821063Sg禧(263)107Bh铍264108Hs2黑2651109Mt锾266110Uun2(209)111Uun2(272112Uub(27钫

223九硒Se4488e1.1半导体基础知识镧

系57La

巡镧138958Ce3812铈1401259Pr141镨40.91N钕

1451442461Pm钷a(145)m钐

14915036

r63151Eu链151664

7265Tb'

159钺15430

r66Dy;镝ar1525067Ho"钬16490

ar

璐愚16726r69Tm16970Yb镱271.Lu镥176铥16898”173047497钢

系89Ac钢ra2znh钍220491

23Pa²镁231.04srr铀re238.0093Npz镖ru(237)94PUm244)95Am钼243)96Cm铜roG4797Bk

240错(247)98锏25199Es镶252100Fm锁

(25727101,Md钉(258)102No诺

269299103Lr铑2860r67(260”(252)铒Er钆Gd元

素

周

期

表请各位教师安善保管，使用后及时

送还实验室。2007年明

制作0:20unnuD4LS5046625z山92鼎3呕

露营衣3

U9

F钚8

O医窝铁79w6端硅原子结构模型

锗原子结构模型

原子结构简化模型回顾以往的知识：(

1

)

硅

(Si)

和锗

(Ge)

是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。(2)它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。(3)共价键中的价电子为这些原子所共有，在空间形成排列有序的晶体。1.1半导体基础知识价电子1.1半导体基础知识典型的半导体材料有：元素半导体：

硅

(Si)

和锗

(Ge)化合物半导体：

砷化镓(GaAs)(a)硅晶体的空间排列

(b)共价键结构平面示意图硅原子空间排列及共价键结构平面示意图半导体与导体结构上的共同点和不同点1.1.1半导体的特性原子结构简化模型1.1.2本征半导体本征半导体是一种完全纯净、结构完整的半导体晶体。出现自由电子和空穴导电粒子自

由电子1.1半导体基础知识在绝对零度(0K)下，所有

价电子都被原子核束缚在

共价健上，而不能自由运

动

，所以相当于绝缘体。稳定的结构无杂质空

穴价电子挣脱共价键的

束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中

留有一个空位置，称为空穴本征激发：当温度升高或受到光的照射时，价电子获得能量，有的价电子可以成为自由电子。这一现象称为本征激发，也

称热激发。1.1半导体基础知识共价键自

由

电子空

穴+4+4+4本征半导体特点：自由电子浓度=空穴浓度叫自由电子空穴对激发和复合的概念1.

1半导体基础知识本征激发和复合的过程N

型半导体特点：多子是自由电子，它由杂质原子和热激发提供；少子是空穴，由热激发形成。杂质原子失去电子变成杂质正离子五价杂质原子称为施主杂质1.1.3杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。1.N

型半导体

磷

(P)多子1.1半导体基础知识发生的物理过程：掺杂激发热激发自

由

电子施主

原子+4+4硼

(B)P型半导体特点：空穴是多子，由掺杂激发和热激发形成；电子是少子，

由热激发形成。三价杂质原子变成杂质负离子，三价杂质原子称为受主杂质。1.1.3杂质半导体2、P

型半导体多数载流子从内部结构特点综合分析本征半导体和杂质半导体1.1半导体基础知识空

位+3受主原子空空+4+4共价键N

型半导体惯性核硅或锗的共价键结构硼原子变成杂质负离子；多子是空穴，少子是自由电子。复习与总结你所了解的半导体材料的特点是什么?你所了解的杂质半导体是什么?1.1

半导体基础知识磷原子变成杂质正离子；多子是自由电子，少子是空穴。P

型半导体1.2.1

PN结的形成在一块本征半导体两侧P区

N区P

型半导体(

P

区)P区

N区硼原子变成杂质负离子；多子是空穴，少子是自由电子。两侧的杂质浓度不同?生N

型半导体

(

N

区

)磷原子变成杂质正离子；多子是自由电子，少子是空穴。1.2

PN结及其特性1.2.1

PN

结的形成1.多子的扩散运动N

区自由电子浓度大，空穴浓度小P区空穴浓度大，自由电子浓度小2.少子的漂移运动漂移运动是少子顺着内电场的运动空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移二内电场阻止多子扩散P区

N区由杂质离子形成空间电荷区因浓度差多子的扩散运动一P区++N区++·

PN结·

空间电荷区·

内电

场·

阻

挡

层·

势垒层1.2.1

PN

结的形成杂质负离子；多子是空穴，少子是自由电子。杂质正离子；多子是自由电子，少子是空穴。不能移动的杂质正离子和杂质负离子形成的空间电荷区为PN

结。少子的漂移运动多子的扩散运动P区

：

N

区：PN

结外加正向电压内外电场方向相反

外电场削弱内电场PN

结变薄多子的扩散运动占优势表现为电流很大，电阻很小1.单向导电性(1)PN

结外加正向电压时的导电情况P

区接电源的正极，N

区接负极，为外加正向电压，即正偏。1.2.2

PN

结的特性RPN

结加正向电压时PN

结外加反向电压内外电场方向一致PN结变厚少数载流子的漂移运动占优势

RPN结加反向电压时在一定的温度条件下，热激发的少子浓度是一定的，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，这个电

流称为反向饱和电流。(2)PN

结外加反向电压时的导电情况N区接电源的正极，P区接负极，称为外加反向电压，即反偏。1.2

PN

结的特性表现为电流很小，电阻很大q为电子电量；T=300K

时，UT=26mV伏安特性曲线分为四个部分：(1)u<UoN(2)u>UoN,

正向导通区(3)反向饱和区(4)反向击穿区-150-100-50

0.81.2-10ona-20Si

Ge1.2

PN

结的特性1.PN

结的单向导电性UT为温度的电压当量2.PN

结的伏安特性Is为反向饱和电流雪崩击穿：低掺杂的PN

结中(碰撞共价键中的价电子，成为电子空穴对)齐纳击穿：高掺杂的PN

结中(共价键中的价电子获得能量，成为电子空穴对)1.2

PN

结的特性1.PN

结的单向导电性2.PN

结的伏安特性i/mAU/V00.4电击穿：可逆的热击穿：不可逆3.PN结的击穿特性-150-100-50-10-204.PN

结的电容效应(1)势垒电容当PN

结正偏电压增大或反偏电压减小空间电荷量减小耗尽层变窄u相当于势垒区放电1.PN

结的单向导电性2.PN

结的伏安特性3.PN

结的击穿特性P

Nu势垒电容示意图总

结

：1.PN

结的势垒电容是描述势垒区的空间电荷量随电压变化而产生的电容效应。2.PN

结反偏时，势垒电容的作用明显。1.2.1

PN

结的特性4.PN

结的电容效应(1)势垒电容

PN

结的电容效应是影响半导体器件(2)扩散电容

最高工作频率的根本原因。当外加正偏电压增大时多子扩散在对方中性区成为非平衡少子结区边界附近少子浓度梯度最高相当于电容的充电过程总

结

：1.扩散电容是描述势垒区外侧的非平衡少子积累引起的电容效应。2.正偏时，扩散电容的作用明显。1.2.2

PN

结的特性1.PN

结的单向导电性

2.PN

结的伏安特性3.PN

结的击穿特性扩散电容示意图③而温度升高时，反向特性曲线下移。温度变化对反向特性的影响更为明显。①PN结对环境温度的变化很敏感，表现为其伏安特性曲线将发生变化。

?②它的变化趋势是温度升高时，

正向特性曲线左移。1.2.2

PN

结的特性1.PN

结的单向导电性

2.PN

结的伏安特性3.PN

结的击穿特性4.PN

结的电容效应i/mA00.4

0.81.2

-10-205.PN

结的温度特性-150-100-50U/V?分为多子的扩散运动和少子的漂移运动运动的结果，载流子成为非平衡少子空间电荷区是由不能移动的杂质正负离子构成的区域。掺杂浓度与空间电荷区的宽窄关系是怎样的?掺杂浓度越大，

PN结由正偏到反偏经历的过渡过程时间越长，掺杂浓度越大，

PN结由反偏到正偏经历的过渡过程时间越长。1.2PN结及其特性载流子是能够运动的，复习与总结内电场1.3.1

二极管的结构二极管符号在

PN

结上加上引线和封装，就成为一个二极管。阳极正极阴极负极二极管按结构有点接触型，面接触型和平面型三大类。UDPN

结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。金属触丝负极引线外壳N型锗片(a)点接触型1.3

半导体二极管(1)点接触型二极管正极引线二极管符号(3)平面型二极管UD用于高频整流和开关电路中。正极引线SiO₂N型硅

P型硅(2)面接触型二极管正极引线铝合金小球P型硅N型硅金锑合金

底座负极引线(b)

面接触型1.3

半导体二极管PN

结面积大，用于工频大电流整流电路。负极引线(c)

平

面

型1.2.3

半导体二极管二极管符号iDUD半导体二极管图片一用数字代表同类型器件的不同用字母代表半导体器件的类型型号，P

代表普通管用字母代表半导体器件的材料，A

代表N

型

Ge,B代表P型Ge,C

代表N型Si,D代表N型Si-2代表二极管，3代表三极管在仿真软件Multisim

软件中二极管1N4001

系列，

“1N”

就是一个PN结的意思。国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP91.2.3

半导体二极管二极管的型号

二极管符号k

为玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/Kq

为电子电荷量，q=1.6×10-19CT

为热力学温度对于室温T=300K,

则有

UT=26mV1.3.2二极管的伏安特性₀=I.(e%-1)1.3

半导体二极管Is是为反向饱和电流UD为二极管两端的电压降

Ur=kT/q

温度的电压当量二极管符号(1)正向特性当

u>0

即处于正向特性区域，分为两段：当

0<u<Uth

时，正向电流为零，Uth称为死区电压。当

up>Uth

时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。硅二极管的死区电压(阈值电压)Uth=0.5V左右，锗二极管的死区电压(阈值电压)Uth=0.1V左右。1.3

半导体二极管ip/mA20151010.20.40.6

upV—20—ip/μA(a)硅二极管2CP10

的伏安特性

(b)

锗二极管2AP15

的伏安特性

二极管伏安特性二极管符号当UBR<UD<0

时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化

而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流。当

UD≥UBR时，反向电流急剧增加，

UBR称为反向击穿电压。1.3

半导体二极管当

UD<0时，即处于反向特性区域，分两个区域：(a)硅二极管2CP10的伏安特性

(b)锗二极管2AP15的伏安特性

二极管伏安特性(2)反向特性二极管符号为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。(3)最大反向工作电压URM1.3

半导体二极管1.3.3二极管的主要参数

二极管符号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。UD(2)反向击穿电压UBR半导体二极管的参数是其选用依据，

在实际应用中不容忽视。(1)最大整流电流Ip在室温下，在规定的反向电压下，

一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)

级；锗二

极管在微安(uA)级。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。硅二极管约0.6～0.8V;

锗二极管约0.2～0.3V。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。ra与工作电流的大小有关，

ra=UT/lD1.3

半导体二极管(5)正向压降Up(4)反向电流IR(6)动态电阻

ra二极管符号温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃,正向压降U(Up)

大约减小

2mV,

即具有负的温度系数。温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加。1.3

半导体二极管二极管符号二极管的温度特性UD₁>UD₂ip/mA▲iD+

uDol

up/V(a)伏安特性

(b)

电压与电流参考方向ip>0,uD=0ip=0,up<0(c)

正向导通时

(d)

反向截止时

理想模型1.3

半导体二极管ip/mA②

①-40-30-20-100

0.20.40.60.8-20-30-40ip/μAip/mA201510-60

-40-200.20.40.6

-10—20——30—ip/μA1.3.4

二极管的模型及分析方法(a)硅二极管2CP10的伏安特性

(b)

锗二极管2AP15的伏安特性

二极管伏安特性二极管符号1.

理想模型up/Vup/V-10④③151.3.4

二极管的模型及分析方法2.恒压降模型ip/mA1.3

半导体二极管ip/mA2015

②③

10

①30-20--100.20.40.60.8

zbV-20-30-40ip/μAipmA201510-60

-200.20.40.6

-10—30—40-ip/μA(b)锗二极管2AP15的伏安特性(a)

伏

安

特

性

(b)

恒压降模型

二极管恒压降等效模型ip>0

up=Um正向导通时u=Umip=0反向截止时ub<Um二极管符号(a)硅二极管2CP10的伏安特性upVVm二极管伏安特性upV-40④1.3.4

二极管的模型及分析方法

二极管符号

3.折线模型1.3

半导体二极管正向导通时ub=Uh

反向截止时

uD<Uh(b)

折

线

模

型

的

等

效电

路(a)

伏安特

性折

线

模型(a)硅二极管2CP10的伏安特性

(b)锗二极管2AP15的伏安特性二极管伏安特性1.3

半导体二极管ip/mA201510-60

400.20.40.6

-10—20—ip/μA(a)小信号作用下的电压、电流变化

(c)高频小信号等效电路

交流小信号模型1.3.4

二极管的模型及分析方法(a)

硅二极管2CP10的伏安特性

(b)锗二极管2AP15的伏安特性

二极管伏安特性4.交流小信号模型二极管符号(b)低频小信号等效电路upVi₂/mAIz是指稳压管工作在稳压状态时的参考电流。(3)额定功率PzMU₂0

PzM

是指稳压管稳压值Vz与最大工作电流Izmax的乘积。使用时不允许超过此值。IzIzmax1.4.1

稳压二极管利用PN

结反向击穿特性，通过特殊工艺制造而成。符号(1)稳定电压

Uz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。(2)稳定电流

Iz1.4

特殊二极管(4)动态电阻动态电阻是指它的反向特性上求rz,rz

愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。rz=

△Uz/△Iz(5)温度系数α流过稳压管的电流是稳定电流I时，温度每变化1℃,稳定电压的相对变化量i₂/mA0IZzmin

u₂NIzIzmax1.4特殊二极管稳定电压的温度系数越小，稳压管的稳定性越好。(用百分数表示),即：U₂④发光二极管的工作电流一般为几毫安至十几毫安之间。发光的颜色通常有红、黄、蓝、绿、橙、紫、白色等。如手机背光灯、液晶显示器背光灯和照明等

领域，最大的优点就是省电。③它与普通二极管一样，它的管芯也是由一个PN结构成，具有单向导电性。其发光强度与工作电流有关，工作电流越大，发光强度越强。1.4.2

发光二极管发光二极管

(LED)

的特点：①发光二极管属于化合物类半导体。②发光二极管是将电能直接转换为光能并发射出去，属于电流驱动型半导体器件。1.4

特殊二极管是由砷化镓、磷化镓等化合物制成的。当管子通以电流时会发出光来。符号②光耦中的发光器件通常是发光二极管，而光电接

收器件可有光电二极管(光敏二极管)、光电三极

管(光敏三极管)、光电电阻(光敏电阻)等。1.4.4

光敏二极管

符号也叫光电二极管，是将光信号转换为电信号的常用器件。①光耦由发光器件和光电接收器件组成合并使用，以光作为媒介传递信号的电→光→

电转换器件。1