第二章-双极型晶体管及放大电路1

1第二章

双极型晶体管及其放大电路

2BipolarJunctionTransistor缩写BJT简称晶体管或三极管双极型器件两种载流子（多子、少子）3ecb发射极基极集电极发射结集电结基区发射区集电区N+PNcbeNPNPNPcbe(a)NPN管的原理结构示意图(b)电路符号2-1双极型晶体管的工作原理basecollectoremitter4(c)平面管结构剖面图图2-1晶体管的结构与符号5

解释三个电极

发射极，基极，集电极发射极箭头方向是指发射结正偏时的电流方向三个区

发射区(重掺杂)，基区(很薄)，集电区（结面积大）两个PN结发射结(eb结),集电结(cb结)

6晶体管处于放大状态的工作条件①内部条件发射区重掺杂(故管子e、c极不能互换)基区很薄(几个

m)集电结面积大

②外部条件

发射结(eb结)正偏集电结(cb结)反偏

72-1-1放大状态下晶体管中载流子的传输过程CUceNPNbUBBRB图2―2晶体管内载流子的运动和各极电流RCC15V8cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN2-1-1放大状态下晶体管中载流子的传输过程图2―2晶体管内载流子的运动和各极电流9内部机理晶体管工作的内部机理：“非平衡载流子”的传输10①在发射结处以NPN为例。eb结正偏，扩散运动﹥漂移运动。发射区和基区多子（电子和空穴）的相互注入。但发射区（e区）高掺杂，向P区的多子扩散（电子）为主（IEn）,另有P区向N区的多子（空穴）扩散，故相互注入是不对称的。扩散(IEP)可忽略。以上构成了发射结电流的主体。11②在基区内基区很薄。一部分(N区扩散到P区的）不平衡载流子（电子）与基区内的空穴（多子）的复合运动（复合电流IBN

）。大多数不平衡载流子连续扩散到cb结边缘处。以上构成了基极电流（IBN）的主体。12③在集电结处集电结反偏。故漂移运动＞扩散运动。集电结（自建电场）对非平衡载流子（电子）的强烈吸引作用(收集作用）形成ICN。另外有基区和集电区本身的少子漂移（电子和空穴），形成反向饱和漏电流ICBO

。13非平衡载流子传输三步曲(以NPN为例)

①发射区向基区的多子注入

(扩散运动）为主②基区的复合和继续扩散③集电结对非平衡载流子的收集作用（漂移为主）

14偏置要求

对NPN管要求

UC＞UB＞UE

UCUEUB15偏置要求

对PNP管要求

UC＜UB＜UE

UCUEUB162-1-2电流分配关系bceIBICIEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN17晶体管主要功能:电流控制（currentcontrol）电流放大（currentamplify）

18

一、直流电流放大系数：一般共射极IBNIICNEN含义：基区每复合一个电子，就有β个电子扩散到集电区去。19共基极一般两者关系：IBNIICNEN20二、IC、IE、IB三者关系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN

若忽略ICBO，IEP,则212―2晶体管伏安特性曲线及参数全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。图2―3晶体管的三种基本接法（组态）(a)cebiBiC输出回路输入回路(b)ecbiBiEceiEiCb(c)(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极222―2―1晶体管共发射极特性曲线一、共发射极输出特性曲线测量电路共发射极输出特性曲线：输出电流iC与输出电压uCE的关系曲线(以iB为参变量)23图2―5共射输出特性曲线uCE/V5101501234饱和区截止区iB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBEIB＝40A

30A

20A

10A

0A

241.放大区发射结正偏，

集电结反偏（2）uCE

变化对

IC

的影响很小（恒流特性）（1）iB

对iC

的控制作用很强。用交流电流放大倍数来描述：在数值上近似等于

β问题：特性图中β=？即IC主要由IB决定，与输出环路的外电路无关。25基区宽度调制效应(厄尔利效应)cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICNuCE↑→c结反向电压↑→c结宽度↑→基区宽度↓→基区中电子与空穴复合的机会↓iC

↑→26基调效应表明：输出交流电阻rCE=ΔuCE/ΔiC<∞QUCEQUA(厄尔利电压)ICQ272.饱和区

发射结和集电结均处于正向偏置。由于集电结正偏，不利于集电极收集电子，ICN比放大区的ICN小。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC128（1）iB

一定时，饱和区iC

比放大区的小（2）UCE一定时

iB

增大，iC

基本不变（饱和区）临界饱和：UCE=UBE，即UCB=0（C结零偏）。IcCeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC129饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。（小功率Si管）

UCE(sat)=0.3V；（小功率Ge管）UCE(sat)=0.1V。

三个电极间的电压很小，管子完全导通，相当一个开关“闭合（Turnon）”。303.截止区发射结和集电结均处于反向偏置,三个电极均为反向电流，所以数值很小。

管子不通，相当于一个“开关”打开（Turnoff）。iB=-iCBO

（此时iE=0）以下称为截止区。工程上认为：iB=0以下即为截止区。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIENICNIBEO31

二、共发射极输入特性曲线32cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1图2―6共发射极输入特性曲线33（1）0<UCE<1时，随着

UCE增加，曲线右移，特别在0<UCE<UCE(SAT),即工作在饱和区时，移动量将更大一些。（2）UCE

>1时，进入放大区，曲线近似重合。34三、温度对晶体管特性曲线的影响T↑，uBE↓：T↑，ICBO↑：T↑，β

↑：352-2-2晶体管的主要参数

1、电流放大系数1.共射直流放大系数反映静态时集电极电流与基极电流之比。2.共射交流放大系数反映动态时的电流放大特性。由于ICBO、ICEO

很小，因此在以后的计算中，不必区分。364.共基交流放大系数3.共基直流放大系数由于ICBO、ICEO

很小，因此在以后的计算中，不必区分。372极间反向电流

极间反向电流是指管子各电极之间的反向漏电流参数。38①C、B间反向饱和漏电流

发射极开路时，集电极—基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。39②管子C、E间反向饱和漏电流基极开路时，集电极—发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。40③管子反向饱和漏电流硅管比锗管小。此值与本征激发有关。取决于温度特性（少子特性）。

414.极限参数使用时不应超过管子的极限参数值。否则使用时可能损坏。（1）反向击穿电压（2）集电极最大允许电流ICM留有一定的余量。ICM指β下降到额定值的2/3时的IC值42图2―7晶体管的安全工作区功耗线（3）集电极最大允许功耗PCM432―3晶体管工作状态分析及偏置电路

应用晶体管时，首先要将晶体管设置在合适的工作区间，如进行语音放大需将晶体管设置在放大区，如应用在数字电路，则晶体管工作在饱和区或截止区。

因此，如何设置和分析晶体管的工作状态是晶体管应用的一个关键。442―3―1晶体管的直流模型

由外电路偏置的晶体管，其各极直流电流和极间直流电压所对应的伏安特性曲线上的一个点。静态工作点（简称Q点）：

静态工作电压、电流。在下标再加个Q表示，如IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ

45(a)输入特性近似图2―8晶体管伏安特性曲线的折线近似uBE0iBUBE(on)0uCEiCUCE(sat)IB＝0(b)输出特性近似饱和区放大区截止区46(b)

图2―9晶体管三种状态的直流模型(a)截止状态模型；(b)放大状态模型；(c)饱和状态模型ebcβIBIBUBE(on)(a)ebc(c)ebcUBE(on)UCE(sat)47例1晶体管电路如图2―10(a)所示。若已知晶体管工作在放大状态，β=100，试计算晶体管的IBQ，ICQ和UCEQ。(a)电路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k48(b)直流等效电路图2―10晶体管直流电路分析eRBUBE(on)bIBQβIBQcICQUCCRC＋－UCEQUBB49

解因为UBB使e结正偏，UCC使c结反偏，所以晶体管可以工作在放大状态。这时用图2―9(b)的模型代替晶体管，便得到图2--10(b)所示的直流等效电路。由图可知故有50(a)电路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k例2：若UBB从零增加，说明晶体管的工作区间以及IBQ、ICQ、UCEQ的变化情况？当UBB从0~0.7V之间时，管子进入截止区。IBQ=ICQ≈0UCEQ≈UCC

分析：51(a)电路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k当UBB继续增大，发射结正偏，集电结反偏，管子进入放大区。随着IBQ的增大，ICQ=βIBQ也增大。UCEQ=UCC-ICQ×RC不断下降。52(a)电路ICQ＋－UCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k当UBB增大到UCEQ<UBEQ时，集电结正偏，管子进入饱和区。此时，IBQ的增加，不能引起ICQ的增加。UCEQ≈UCE（sat）≈0，ICQ≈UCC/RC。532―3―2晶体管工作状态分析RBUBBUEERERCUCC(a)电路UBB-UEE≤UBE(on)且UBB＜UCC，则晶体管截止1、首先判断晶体管是否截止：此时：IB=IC=IE=0，UBE=UBB-UEE，UCE=UCC-UEE。54RBUBBUEERERCUCC(a)电路2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：若UBB-UEE>UBE(on)则发射结正偏，下面关键是判断集电结是

正偏还是反偏。55若假定为放大状态：则直流等效电路如图2-11(b)所示，RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)βIB图2-11(b)放大状态下的等效电路56∵UBB-UEE-UBE(on)=IBQRB+(1+β)IBQRE则晶体管处于放大状态；则晶体管处于饱和状态；∴57

图2―11晶体管直流分析的一般性电路RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)(c)饱和状态下的等效电路UCE(sat)58晶体管处于饱和状态时：59例2晶体管电路及其输入电压ui的波形如图2--12(a),(b)所示。已知β=50，试求ui作用下输出电压uo的值，并画出波形图。R33kUCC5VRB39kui＋－＋－uo(a)电路60

图2―12例题2电路及ui,uo波形图05tuo/V0.3(c)uo波形图03tui/V(b)ui波形图R33kUCC5VRB39kui＋－＋－uoβ=5061

解:当ui=0时，UBE=0，则晶体管截止。此时，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5VR33kUCC5VRB39kui＋－＋－uo当ui

=3V时，晶体管导通且有62

而集电极电流为因为R33kUCC5VRB39kui＋－＋－uoICQ=βIBQ=50×0.06=3mAUCEQ=UCC-ICQ×R3=5-3×3=-4V<0.7V所以晶体管处于饱和。63uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3Vuo波形如图2―12(c)所示。R33kUCC5VRB39kui＋－＋－uo

ICQ=ICE(sat)=64补充例题1电路补充例题1晶体管电路如下图所示。已知β=100，试判断晶体管的工作状态。5VRBUBBRERCUCC500KΩ1KΩ2KΩ12V651.先判断晶体管是否处于截止状态：∴晶体管不处于截止状态；2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：∵UBB-UBE(on)=IBQRB+(1+β)IBQRE66∴晶体管处于放大状态；67补充例题2电路补充例题2晶体管电路如下图所示。已知β=100，试判断晶体管的工作状态。5VRBUBBRCUCC50KΩ2KΩ12V681.先判断晶体管是否处于截止状态：∴晶体管不处于截止状态；2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：∵UBB-UBE(on)=IBQRB69∴晶体管不可能处于放大区，而应工作在饱和区7071OpAmpSlewrate(orrisetime)

Themaximumrateofchangeoftheoutputofanopampisknownastheslewrate(inunitsofV/s)

Theslewrateaffectsallsignals-notjustsquarewavesForexample,athighenoughfrequencies,asinewaveinputisconvertedtoatriangularwaveoutputduetolimitedslewratesquarewaveinput72Slewrateexample

Consideraninvertingamplifier,gainA=10,builtusinganopampwithaslewrateofS0=1V/μs.InputasinusoidwithanamplitudeofVi=1Vandafrequency,ω.

Forasinusoid,theslewratelimitisoftheformAViω<S0.Wecanthereforeavoidthisnon-linearbehaviourbydecreasingthefrequency(ω)loweringtheAmplifiergain(A)lowertheinputsignalamplitude(Vi)Typicalvalues:741C:0.5V/μs,LF356:50V/μs,LH0063C:6000V/μs,73作业2.12.62.77474AmplifiersConvertaweaksignalintoahigherpowersignalTypicaldevicesusedinamplifiers:TransistorsOperationalAmplifiers7575TransistorsTypicallycomposedof3siliconlayersin“N”and“P”material7676TransistorOperationTransistorsoperatelikeafaucet,withthebaseofthetransistorcontrollingtheflowofcurrentbetweenthecollectorandemitter77电子电路数字电路模拟电路低频电路（处理低频信号）高频电路（处理高频信号）电子电路分类电子电路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）78内容简介第一章晶体二极管及其基本电路第二章双极型晶体管及其放大电路第三章场效应管及其基本电路第五章集成运算放大器电路第六章反馈第四章频率响应第七章集成运放的应用第八章功率放大电路第九章直流稳压电源79

课程地位与课程体系

是重要的学科基础课

是电子信息类专业的主干课程是强调硬件应用能力的工程类课程

是工程师训练的基本入门课程

是很多重点大学的考研课程很重要!80掌握硬件本领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。培养硬件工程师比较困难。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！

很有用!81这门课的特点

涉及相关知识较多：高等数学、电路分析、信号与系统等曾有人戏称模拟电子电路为“魔鬼电路”，简称“魔电”。很难学!82学习方法“过四关”基本器件关电路构成工程近似关分析方法EDA应用关设计能力实验动手关实践应用83

以电阻串、并联为例来进行说明

a若两电阻R1

、R2

串联，如果R1>>R2（一般R1大十倍以上即可），则可忽略R2

。即：R=R1+R2≈R1

。①、近似计算（估算）84b、若两电阻R1

、R2

并联，如果R1>>R2（R1大十倍以上即可），则可忽略R1

。即：R=R1||R2≈R2

。85②、交、直流源同时出现在电路中时，采用叠加原理vO=vo2+VO1求vo2的过程称为动态分析求VO1的过程称为静态分析最后利用叠加原理得直流等效电路交流等效电路86例一：电路如下图，求vOvo=vo1+vo2=es第一步：静态分析vo2=es画直流等效电路，求vo1vo1=0V第二步：动态分析画交流等效电路，求vo287例二：电路如下图，求VO1

、VO2第一步：静态分析画直流等效电路，求Vo1’、Vo2’第二步：动态分析画交流等效电路，求vo2、vo288③、非线性元件有条件的线性化。可将非线性电路化为线性电路。

二极管的特性

三极管的特性IC

VCE

I

V

89考试成绩评定平时30%期末70%901孙肖子等编,模拟电子技术基础,西安:西安电子科技大学出版社,2001.2康华光主编．电子技术基础（模拟部分，第四版），北京：高等教育出版社，1988．3谢嘉奎主编．电子线路（线性部分，第四版），北京：高等教育出版社，1999．参考书91第一章晶体二极管及其基本电路1-1半导体物理基础知识导体σ>104s/cm半导体σ在10-9～104s/cm间绝缘体σ<10-9s/cm物质半导体的特性：1．导电能力介于导体和绝缘体之间；2．导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。92硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）１-１-１本征半导体93+14284+3228184硅原子（Silicon）锗原子（Germanium）图1

硅和锗原子结构图94+4图1-1硅和锗原子结构简化模型核电子(最外层)95+4+4+4+4共价键价电子图1-2单晶硅和锗共价键结构示意图96说明1、共价键：相邻两个原子中的价电子作为共用电子对而形成的相互作用力。2、单晶硅：原子按一定的间隔排列成有规律的空间点阵结构。通常共价键的电子受到所属原子核的吸引，是不能自由移动的。——束缚电子，不能参与导电。3、本征半导体：纯净的（未掺杂）单晶半导体称为本征半导体。97绝对零度（-273OC）时晶体中无自由电子——相当于绝缘体。载流子(Carrier)指半导体结构中获得运动能量的带电粒子。有温度环境就有载流子——本征激发一、半导体中的载流子

——自由电子和空穴98+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子图1-3本征激发产生电子和空穴在一定的温度下，或者受到光照时，使价电子获得一定的额外能量，一部分价电子就能够冲破共价键的束缚变成自由电子——本征激发99空穴的运动：1、空穴的运动可以看成一个带正电荷的粒子的运动。2、一个空穴的运动实际上是许多价电子（不是自由电子）作相反运动的结果。但是一个空穴运动所引起的电流的大小只与空穴的多少有关，与多少个价电子运动无关。3、若没有空穴，价电子不会运动，即使互换位置也不会带来电荷的迁移。100结论在半导体中，有两种载流子：自由电子（负电荷）和空穴（正电荷）。在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的。101二、本征载流子浓度复合：由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合。与本征激发是相反的过程。一分为二本征激发

复合合二为一载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。102本征载流子浓度：式中：ni、pi——分别表示电子和空穴的浓度（㎝-3）；

T——为热力学温度（K）；

EG0为T=0K（-273oC）时的禁带宽度（硅为1.21eV，锗为0.78eV）；

k为玻尔兹曼常数（8.63×10-6V/K）；A0为与半导体材料有关的常数（硅为3.87×1016㎝-3·，锗为1.76×1016㎝-3·）。103说明随着T的增加，载流子浓度按指数规律增加。——对温度非常敏感。在T=300K的室温下，本征硅（锗）的载流子浓度=1.43×1010㎝-3（2.38×1013㎝-3），本征硅（锗）的原子密度=5×1022㎝-3

（4.4×1022㎝-3）。 相比之下，室温下只有极少数原子的价电子(三万亿分之一)受激发产生电子、空穴对。104结论

本征半导体的导电能力是很弱的；本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大，所以其导电性能对温度的变化很敏感。1051-1-2杂质半导体（掺杂半导体）

在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂质），会使其导电性能发生显著变化。————杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体。106一、N型半导体

图1-4N型半导体原子结构示意图+4+5+4+4键外电子束缚电子施主原子107说明在本征硅（锗）中掺入少量的五价元素（如：磷、砷、锑等）就得到N型半导体。杂质原子顶替硅原子，多一个电子位于共价键之外，受原子的束缚力很弱，很容易激发成为自由电子。几乎一个杂质原子能提供一个自由电子，从而自由电子数大大增加。——施主杂质。由于自由电子的浓度增加，与空穴（本征激发产生的）复合的机会也增加，因此空穴浓度相应减少。108在N型半导体中： 自由电子——多数载流子，简称多子； 空穴——少数载流子，简称少子。答：N型半导体是电中性的。虽然自由电子数远大于空穴数，但由于施主正离子的存在，使正、负电荷数相等，即自由电子数=空穴数+施主正离子

问题：N型半导体是带正电还是带负电？109

图1-5P型半导体原子结构示意图受主原子空位+4+3+4+4束缚电子二、P型半导体（Positivetype）110

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；P型半导体是电中性的。空穴数=自由电子数+受主负离子111三、杂质半导体的载流子浓度多子的浓度 在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数远大于本征激发的载流子数。

结论：多子的浓度主要由掺杂浓度决定。少子的浓度 少子主要由本征激发产生，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。112结论：在热平衡下，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，多子nn与少子pn有113对P型半导体，多子pp与少子np有114小结1.本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一种载流子少。2.多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。1151-1-3半导体中的电流

在导体中，载流子只有一种：自由电子。在电场作用下，产生定向的漂移运动形成漂移电流。在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。电场作用下的漂移电流两种类型的电流浓度差导致的扩散电流116IpIn一、漂移电流总电流：1、定义：在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流。117①载流子浓度2.漂移电流大小取决于②外加电场强度③迁移速度二、扩散电流

在半导体工作中，扩散运动是比漂移运动更为重要的导电机理。金属导体是不具有这种电流的，正是由于扩散电流特性，才能够将它做成电子器件。118平衡载流子浓度：一般的本征半导体在温度不变、无光照或其他激发下，载流子浓度分布均匀。非平衡载流子浓度：若一端注入载流子或用光线照射该端。则该端的载流子浓度增加。119图1―6半导体中载流子的浓度分布120扩散电流大小主要取决于该处载流子浓度差（即浓度梯度）。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。121思考题与习题导体、半导体和绝缘体的区别？说明半导体材料的特性及其应用解释本征半导体、杂质半导体的区别？解释N型半导体与P型半导体的区别？为什么说这两种半导体仍然对外呈电中性？解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何种因素决定的？解释漂移电流和扩散电流的构成？1221-2PN结

PN结是半导体器件的核心，可以构成一个二极管。PN

本征硅的一边做成P型半导体，一边做成N型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物理层。——PN结123+++++++++++++++PN（a）空穴和电子的扩散1-2-1ＰＮ结的形成

由于扩散运动，使接触面附近的空穴和电子形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域称为空间电荷区（耗尽层），即PN结。124PN空间电荷区内电场UB（b）平衡时的PN结图1-7PN结的形成+++++++++++++++125PN结形成“三步曲”（1）多数载流子的扩散运动。（2）空间电荷区的形成促进少子的漂移运动，阻止多子的扩散运动。（3）扩散运动与漂移运动的动态平衡。PN结又称为势垒区、阻挡层。PN结很窄（几个到几十个

m)。空间电荷区（耗尽层）126问题：达到动态平衡时，在PN结流过的总电流为多少，方向是什么？如下图，多子的扩散电流方向为从左到右，少子的漂移电流方向从右到左。两者在动态平衡时，大小相等，而方向相反，所以流过PN结的总电流为零。

多子扩散电流方向少子漂移电流方向PN多子少子多子少子127对称PN结：如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结不对称PN结：如果一边掺杂浓度大（重掺杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），此耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，这样的PN结称为不对称结128问题：为什么PN结伸向轻掺杂区？答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的排列稀疏，重掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的排列紧密。两边电荷量相等，所以会伸向轻掺杂区。129PN耗尽区内电场UB

-U图1-9正向偏置的PN结+-ERU+++++++++++++++1-2-2ＰＮ结的单向导电特性130PN结加正向电压外加的正向电压大部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低阻性，有较大的正偏电流。131图1-10反向偏置的PN结ERPN耗尽区内电场UB

+U-+U+++++++++++++++二、PＮ结加反向电压132PN结加反向电压外加的反向电压大部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。PN结呈现高阻性。在一定的温度条件下，由本征激发决定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，这个电流也称为反向饱和电流。

133

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。结论：PN结具有单向导电性。134三、PN结电流方程图1-11PN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(10-15A)。UT=KT/q,温度电压当量，135PN结伏安特性由上式当u为正时

PN结外加正电压时，流过电流为正电压的e指数关系。当u为负时

PN结外加负电压时流过电流为饱和漏电流。1361-2-5PN结的温度特性一、反映在伏安特性上为：温度升高，正向特性向左移，反向特性向下移。1.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/℃2.温度每升高10℃，反向饱和电流IS增大一倍。137

硅管：UD(on)=0.7V。锗管：UD(on)=0.3Viu0TT-U(BR)导通电压UD(on)UD(on)1381-2-3PN结的击穿特性当对PN结外加反向电压超过一定的限度，PN结会从反向截止发展到反向击穿。反向击穿破坏了PN结的单向导电特性。利用此原理可以制成稳压管。

U(BR)称为PN结的击穿电压。有两种击穿机理：雪崩击穿和齐纳击穿。139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。雪崩击穿重掺杂

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.齐纳击穿140击穿种类掺杂情况耗尽层宽度击穿机理雪崩击穿轻掺杂宽因为耗尽层宽，使加速的少子撞击耗尽区的中性原子，产生电子、空穴对，反复作用使载流子数目迅速增加齐纳击穿重掺杂窄较窄的耗尽区有很强的电场，强电场使耗尽区的价电子被直接拉出共价键，产生电子、空穴对。雪崩击穿和齐纳击穿的比较141问题：为什么轻掺杂的PN结不易出现齐纳击穿？相反重掺杂为什么不易出现雪崩击穿？答：因为轻掺杂的耗尽层宽，正负离子分布稀疏，电场强度不够强，不足以拉出价电子。而重掺杂的耗尽层窄使少子的加速时间短，少子的动能不足以撞击中性原子，产生电子空穴对。142一般来说，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。143击穿的可逆性电击穿是可逆的（可恢复，当有限流电阻时）。电击穿后如无限流措施，将发生热击穿现象。热击穿会破坏PN结结构（烧坏）热击穿是不可逆的。1441-2-4PN结的电容特性PN结的耗尽区与平板电容器相似，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CT145多子扩散

在对方区形成非平衡少子的浓度分布曲线

偏置电压变化

分布曲线变化

非平衡少子变化

电荷变化。二、扩散电容CD146图1―12P区少子浓度分布曲线147结电容Cj=CT+CD结论因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。

正偏时以扩散电容CD为主，Cj≈CD

，其值通常为几十至几百pF；

反偏时以势垒电容CT为主，Cj

≈CT,其值通常为几至几十pF。（如：变容二极管）1481-3晶体二极管及其基本电路PN结加上电极引线和管壳就形成晶体二极管。图1-13晶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1491-3-1二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1-14二极管伏安特性曲线

i/mAu/V(

A)0102030-5-10-0.50.5硅

二

极

管150一、正向特性硅:UD(on)=0.7V；1.导通电压或死区电压2.曲线分段：锗:UD(on)=0.3V。3.小功率二极管正常工作的电流范围内，管压降变化比较小。指数段（小电流时）、直线段（大电流时）。一般硅：0.6~0.8V，锗：0.1~0.3V。

i/mAu/V(

A)0102030-5-10-0.50.5硅

二

极

管151二、反向特性2.小功率二极管的反向电流很小。一般硅管<0.1

A，锗管<几十微安。1.反向电压加大时，反向电流也略有增大。

i/mAu/V(

A)0102030-5-10-0.50.5硅

二

极

管1521-3-2二极管的主要参数一、直流电阻图1-15二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。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。1531.正向电阻：几百欧姆；反向电阻：几百千欧姆；2.Q点不同，测出的电阻也不同；结论因此，PN结具有单向导电特性。154二、交流电阻二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)下的电压微变量与电流微变量之比。iu0Q

i

u(b)交流电阻rDrD

的几何意义:Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。155与IDQ成反比，并与温度有关。156例：已知D为Si二极管，流过D的直流电流ID=10mA，交流电压有效值

U=10mV，求室温下流过D的交流电流有效值

I=?10VDR0.93KΩUID解：交流电阻交流电流有效值为：157三、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。158六、最高工作频率fM※

需要指出，手册中给出的一般为典型值，需要时应通过实际测量得到准确值。工作频率超过f

M时，二极管的单向导电性能变坏。159对电子线路进行分析(定量分析)时,电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效表示，这称为：“建模”。计算机辅助分析计算要使用管子的模型。一、二极管的大信号等效电路1-3-3晶体二极管模型160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，化为线性电路非线性近似线性

i/mAu/V(

A)0102030-5-10-0.50.5硅

二

极

管161图1-16二极管特性的折线近似及电路模型硅管：UD(on)＝０.7V锗管：UD(on)＝０.3ViA1uBUD(on)C0（a)折线近似特性U<UD(on)U

UD(on)12UD(on)rD(on)（b)近似电路模型162图1-16二极管特性的折线近似及电路模型iA′uBUD(on)C0（a)折线近似特性U<UD(on)U

UD(on)12UD(on)（c)简化电路模型163图1-16二极管特性的折线近似及电路模型iA2uB0C0（a)折线近似特性U<0U

012（d)理想电路模型164二极管大信号模型以上三种电路模型(近似、简化、理想)均为二极管线性化模型。对不同电路模型可在不同需求时采用。

165一、二极管整流电路

把交流电转变为直流电称为“整流”。反之称为“逆变”。整流交流电直流电逆变

1-3-4二极管基本应用电路166图1-17二极管半波整流电路及波形tui0

uot0(b)输入、输出波形关系VRLuiuo(a)电路

二极管近似为理想模型

思考：二极管近似为简化模型的电路输出？167uit010V0.7V168二、二极管限幅电路又称为：“削波电路”。能够把输入电压变化范围加以限制，常用于波形变换和整形。169图1-20二极管上限幅电路及波形

(b)

输入、输出波形关系t0

uo/V2.7-5t

ui/V0-55(a)电路E2VVRuiuo

二极管近似为简化模型170判别原则：ui-E

UD(ON)

时,V导通，否则截止。①当u

i≥2.7V,V导通，uo=E+0.7=2.7V②当u

i<2.7V时,V截止，即开路，uo=u

i。即：E2VVRuiuo171三、二极管电平选择电路能够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。172输入数字量时为与逻辑。5V1731.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1-3-5稳压二极管及稳压电路174图1-21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175二、稳压二极管主要参数稳压电压UZ额定功耗Pz稳定电流Iz动态电阻rz温度系数

176稳压电压UZ指管子长期稳定时的工作电压值。177额定功耗Pz

与材料、结构、工艺有关。使用时不允许超过此值。178稳定电流Iz稳压二极管正常工作时的参考电流。IZmin<IZ<IZmax,如果电流小于IZmin时，不能稳压，大于IZmax时，容易烧坏管子。i/mAu/V

IZmax0-UZ

IZmin(b)伏安特性曲线179动态电阻rz是在击穿状态下,管子两端电压变化量与电流变化量的比值。反映在特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。一般为几欧姆到几十欧姆（越小越好）。i/mAu/V

IZmax0-UZ

IZmin(b)伏安特性曲线180温度系数

指管子稳定电压受温度影响的程度。＞7V是正温系数(雪崩击穿)；＜5V是负温系数(齐纳击穿)；5～7V温度系数最小。181所谓稳压指当Ui、RL变化时，UO保持恒定。图1-22稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUo三、稳压二极管稳压电路稳压原理：若Ui不变，RL↓→Iz↓→IL↑→UO基本不变；

若RL不变，Ui↑→Iz↑→UR↑→UO基本不变182限流电阻R的选择：选择R的限制条件：当Ui、RL变化时，Iz应满足Izmin<Iz<Izmax

设外界条件为:Uimin<Ui<Uimax；RLmin<RL<RLmax

图1-22稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUo183图1-22稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUo分析过程： 根据电路：Iz何时取最大值？——ui=Uimax，RL=RLmax184图1-22稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUo185图1-22稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUoIz何时取最小值？——ui=Uimin，RL=RLmin186Rmin

<R<Rmax因此，可得限流电阻的取值范围是：图1-22稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUo1871-6习题讲解V2导通，V1截止，UO＝5V。二极管等效为理想模型V1导通，V2截止，UO=0V。V1导通，V2导通UO=1.98V。1881-7在图P1-7所示的电路中，设二极管为理想二极管。当输入电压ui由0逐渐增加到10V时，试画出输出电压ui与uO的关系曲线。1891901-10稳压二极管电路如图P1-10所示，已知稳压管的UZ=6V，限流电阻R=100Ω。(1)当RL=200Ω时，稳压管的IZ=?UO=?(2)当RL=50Ω时，稳压管的IZ=?UO=?191解：（1）（2）192作业1-11-31-41-71-91-10193小结2.PN结是现代半导体器件的基础。它具有单向导电性、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。194195KristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002AnalogElectronicsTutorialSeriesDIODES196TableofContentsKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Whatarediodesmadeoutof?____________________slide3N-typematerial_________________________________slide4P-typematerial_________________________________slide5Thepnjunction_________________________________slides6-7Thebiasedpnjunction___________________________slides8-9Propertiesofdiodes_____________________________slides10-11DiodeCircuitModels____________________________slides12-16TheQPoint____________________________________slides17-18DynamicResistance_____________________________slides19-20Typesofdiodesandtheiruses___________________slides21-24Sources_______________________________________slide25197WhatAreDiodesMadeOutOf?KristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Silicon(Si)andGermanium(Ge)arethetwomostcommonsingleelementsthatareusedtomakeDiodes.AcompoundthatiscommonlyusedisGalliumArsenide(GaAs),especiallyinthecaseofLEDsbecauseofit’slargebandgap.SiliconandGermaniumarebothgroup4elements,meaningtheyhave4valenceelectrons.Theirstructureallowsthemtogrowinashapecalledthediamondlattice.Galliumisagroup3elementwhileArsenideisagroup5element.Whenputtogetherasacompound,GaAscreatesazincblendlatticestructure.Inboththediamondlatticeandzincblendlattice,eachatomsharesitsvalenceelectronswithitsfourclosestneighbors.Thissharingofelectronsiswhatultimatelyallowsdiodestobebuild.Whendopantsfromgroups3or5(inmostcases)areaddedtoSi,GeorGaAsitchangesthepropertiesofthematerialsoweareabletomaketheP-andN-typematerialsthatbecomethediode.Si+4Si+4Si+4Si+4Si+4Si+4Si+4Si+4Si+4Thediagramaboveshowsthe2DstructureoftheSicrystal.Thelightgreenlinesrepresenttheelectronicbondsmadewhenthevalenceelectronsareshared.EachSiatomsharesoneelectronwitheachofitsfourclosestneighborssothatitsvalencebandwillhaveafull8electrons.198N-TypeMaterialKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002N-TypeMaterial:Whenextravalenceelectronsareintroducedintoamaterialsuchassiliconann-typematerialisproduced.Theextravalenceelectronsareintroducedbyputtingimpuritiesordopantsintothesilicon.Thedopantsusedtocreateann-typematerialareGroupVelements.ThemostcommonlyuseddopantsfromGroupVarearsenic,antimonyandphosphorus.The2DdiagramtotheleftshowstheextraelectronthatwillbepresentwhenaGroupVdopantisintroducedtoamaterialsuchassilicon.Thisextraelectronisverymobile.+4+4+5+4+4+4+4+4+4199P-TypeMaterialKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002P-TypeMaterial:P-typematerialisproducedwhenthedopantthatisintroducedisfromGroupIII.GroupIIIelementshaveonly3valenceelectronsandthereforethereisanelectronmissing.Thiscreatesahole(h+),orapositivechargethatcanmovearoundinthematerial.CommonlyusedGroupIIIdopantsarealuminum,boron,andgallium.The2DdiagramtotheleftshowstheholethatwillbepresentwhenaGroupIIIdopantisintroducedtoamaterialsuchassilicon.Thisholeisquitemobileinthesamewaytheextraelectronismobileinan-typematerial.+4+4+3+4+4+4+4+4+4200ThePNJunctionKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002SteadyState1Pn

------------------------------++++++++++++++++++++++++++++++NaNdMetallurgicalJunctionSpaceChargeRegionionizedacceptorsionizeddonorsE-Field++__h+drifth+diffusione-diffusione-drift==201ThePNJunctionSteadyStateKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Pn

--------------------++++++++++++++++++++NaNdMetallurgicalJunctionSpaceChargeRegionionizedacceptorsionizeddonorsE-Field++__h+drifth+diffusione-diffusione-drift====Whennoexternalsourceisconnectedtothepnjunction,diffusionanddriftbalanceeachotheroutforboththeholesandelectronsSpaceChargeRegion:

Alsocalledthedepletionregion.Thisregionincludesthenetpositivelyandnegativelychargedregions.Thespacechargeregiondoesnothaveanyfreecarriers.ThewidthofthespacechargeregionisdenotedbyWinpnjunctionformula’s.MetallurgicalJunction:

Theinterfacewherethep-andn-typematerialsmeet.Na&Nd:

Representtheamountofnegativeandpositivedopinginnumberofcarrierspercentimetercubed.Usuallyintherangeof1015to1020.202TheBiasedPNJunctionKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Pn+_AppliedElectricFieldMetalContact“OhmicContact”(Rs~0)+_VappliedIThepnjunctionisconsideredbiasedwhenanexternalvoltageisapplied.Therearetwotypesofbiasing:ForwardbiasandRever