模拟电子技术 课件 第一章 半导体基础知识

模拟电子技术第1章半导体基础知识1.1半导体的基础知识 1.2半导体二极管 1.3半导体二极管应用电路1.4晶体三极管 1.5场效应管 1.6其他类型晶体管简介

1.1.1本征半导体导

体：容易导电绝缘体：不容易导电半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间

常用：硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs

核外有4个电子

半导体本征半导体杂质半导体

1.1.1本征半导体本征半导体：纯净的单晶半导体称为本征半导体。

在绝对零度且无光照射时，价电子不能摆脱共价键的束缚，这时本征半导体是不导电的。硅原子

锗原子

1.1.1本征半导体硅(锗)的晶格结构示意图共价键本征激发：成对产生自由电子和空穴有两种载流子导电：空穴带正电，电子带负电复合动态平衡温度一定时，自由电子—空穴对的浓度一定。温度升高或受光照时，载流子浓度增大常温下导电性能差

1.1.2杂质半导体杂质半导体：掺入其他物质。掺入五价杂质元素（如磷、砷、锑）

N型半导体

掺入三价杂质元素（如硼、铝、铟）

P型半导体

1.1.2杂质半导体N型半导体：自由电子多，整个半导体呈电中性。

杂质正离子不是载流子。晶格结构晶格结构P型半导体：空穴多，整个半导体呈电中性。

杂质负离子不是载流子。

1.1.2杂质半导体

导电性能主要取决于多子浓度。多子浓度主要由掺杂浓度决定，其值较大且稳定，故杂质半导体导电性能得到显著改善。 少子对杂质半导体导电性能也有影响，少子由本征激发产生，其大小随温度升高和光照而增大，故半导体器件对温度、光照敏感，在应用中要注意温度、光照对半导体器件及其电路性能的影响。

1.1.2杂质半导体

1.1.3

PN结及其特性扩散运动空间电荷区内电场阻碍扩散

动态平衡，形成PN结一、PN结的形成

1.1.3

PN结及其特性二、PN结的单向导电性Ｐ区接电源正极

Ｎ区接电源负极正偏导通Ｐ区接电源负极，

Ｎ区接电源正极反偏截止单向导电性正向电流IF

I扩散大反向饱和电流IR=I少子漂移很小

0

1.1.3

PN结及其特性PN结的伏安特性反向饱和电流常温下（T=300K）:UT=26mV三、PN结的反向击穿特性

1.1.3

PN结及其特性PN结未损坏，可逆。电击穿：热击穿：PN结烧毁，不可逆。

当加于PN结两端的反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为反向击穿。解决击穿问题：串接限流电阻模拟电子技术敬业创新勤奋求实模拟电子技术

1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构与类型1.2.2半导体二极管的伏安特性1.2.3半导体二极管的电阻

1.2.1半导体二极管的结构与类型P区---正极（或阳极）N区---负极（或阴极）箭头表示二极管导通时电流的方向。

1.2.1半导体二极管的结构与类型

平面型主要用于集成电路点接触型适用高频、小电流面接触型适用低频、大电流

1.2.1半导体二极管的结构与类型（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

（f）图1.2.2二极管结构和符号（a）普通二极管

（b）稳压二极管

（c）发光二极管

（d）光电二极管

（e）变容二极管

（f）贴片二极管

1.2.1半导体二极管的结构与类型

二极管正负极的识别

（1）箭头和靠近色环的一端为负极，有色点的一端为正极。（2）长脚为正极，短脚为负极。（3）万用表的二极管档，将两红、黑表笔接二极管两只引脚，显示0.2V~0.7V，则红表笔连接的是二极管正极。0.2V左右的是锗管，0.7V左右的是硅管。

1.2.1半导体二极管的结构与类型贴片二极管一般有缺口、横杠、白色双杠等，这些标记通常表示负极

1.2.2半导体二极管的伏安特性IS—反向饱和电流UT—温度电压当量常温下:

UT=26mV死区电压Uth导通电压U

D(on)(硅0.7V,锗0.2V)反偏截止反向击穿，反向击穿电压U(BR)单向导电，可作开关导通后具有恒压特性温度升高，正向特性左移，反向特性下移

1.2.3半导体二极管的电阻1.二极管静态电阻（也称直流电阻）

如二极管工作于直流电路中，所呈现的电阻称为直流电阻，常用RD表示：

二极管工作在正偏状态下呈现较小的直流电阻，且Q点越高，呈现的直流电阻越小；工作在反偏状态时其直流电阻很大，近似于开路。2.二极管动态电阻（也称交流电阻）

1.2.3半导体二极管的电阻

在同一工作点，二极管直流电阻比交流电阻大得多，且工作点越高，其直流电阻和交流电阻都越小。通常都很小，在近似工程估算中可以忽略。处的直流电阻和交流电阻。

图1.2.6例1.2.2

1.2.3半导体二极管的电阻【例1.2.2】二极管特性曲线如图1.2.6所示，试求：（1）工作点（2）工作点

处的直流电阻和交流电阻；【例1.2.2】解：（1）在

处直流电阻交流电阻（2）在

处直流电阻交流电阻【例1.2.2】

在同一工作点，二极管直流电阻比交流电阻大得多，且工作点越高，其直流电阻和交流电阻都越小。根据二极管伏安特性方程（1.2.1）可求得

（1.2.4）与静态工作点有关，越大，越小。通常都很小，在近似工程估算中可以忽略。讲了一节课的二极管它到底有啥用呢？敬业创新勤奋求实模拟电子技术

1.3半导体二极管应用电路1.3.1半导体二极管直流电路分析1.3.2

半导体二极管交流电路分析及仿真1.3.3

含二极管电路既有直流信号源也有交流信

号源1.3.4二极管稳压电路1.3.5其他类型二极管简介

1.3.1半导体二极管直流电路分析工程中常采用近似的分析方法

正偏导通相当于一个电源（电压为二极管导通电压，硅管约为

0.7V，锗管约0.2V）。发光二极管的导通电压与所用的材料有关，不同颜色导通电压不同。

理想情况下，二极管正偏导通相当于开关闭合，其两端电压近似为

0，反偏时相当于开关断开，电流为零，反向击穿电压为无穷大。

1.3.1半导体二极管直流电路分析

在分析计算时，应先判断二极管是否导通，然后再选择合适的模型进行计算。

断开二极管，观察或计算加在二极管正负极的电压，如正偏电压大于或等于导通电压，则二极管导通；若反偏或正偏电压小于导通电压，则二极管截止。

【例1.3.1】如图1.3.2（a）所示硅二极管和电阻组成的串联电路，（1）计算UD、UR和ID？；（2）U=0.3V，请问二极管是否导通？这时UD、UR和ID又等于多少？（3）如果将二极管正负极反着接，UD、UR和ID又等于多少？

1.3.1半导体二极管直流电路分析（1）计算UD、UR和ID？断开二极管

大于硅二极管的导通电压0.7V，二极管导通后等效为0.7V的恒压源UD=0.7V

【例1.3.1】（2）如果U=0.3V，移除二极管后其两端电压小于硅二极管的导通电压，二极管截止。（3）如果将二极管正负极反着接，电流方向与二极管箭头符号方向相反，二极管反偏截止，二极管等效于开路。

1.3.1【例1.3.2】【例1.3.2】如图1.3.4（a）所示硅二极管和红色发光二极管串联电路，红色二极管的导通电压为1.8V.试求UO和ID。

解：由于电流方向与二极管箭头的方向一致，两个二极管都是正偏，且U=10V（>0.7V+1.8V），两个二极管均导通，【例1.3.3】如图1.3.5（a）所示硅二极管和绿色发光二极管并联，绿色发光二极管的导通电压为2V，试求电阻R=2kΩ两端电压UO。

1.3.1【例1.3.3】解：硅二极管导通，两端电压0.7V，无法达到绿色发光二极管的导通电压，所以发光二极管截止。

蓝色发光二极管正偏导通，红色发光二极管反偏，两端电压大于它的反向击穿电压3V，红色发光二极管两端电压锁定在3V，3V电压加在蓝色发光二极管两端不足以使其导通，所以实际上两个发光二极管都处于截止状态，都不发光。但红色发光二极管中有反向击穿电流，蓝色发光二极管中也有很小的正向电流。

1.3.1【例1.3.3】【例1.3.4】图1.3.7所示的二极管电路中，设VD1和VD2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压6V的不同组合时，求输出电压UO的值。

1.3.1【例1.3.4】输入电压二极管工作状态输出电压UAUBVD1VD2UO00正偏导通正偏导通006V正偏导通反偏截止06V0反偏截止正偏导通06V6V正偏导通正偏导通6V“与门”电路，当输入有低电压（0V），输出就是低电压（0V），只有当输入均为高电压（6V）时，输出才为高电压（6V）。1.3.2半导体二极管交流电路分析及仿真1.整流电路（1）半波整流电路

常用于开关电源、直流升压电路的设计，也常用于阻性负载的功率调节，比如电烙铁、电饭煲、电热毯、电吹风等电器两个档位的调节。1.3.2半导体二极管交流电路分析及仿真（2）桥式整流电路二极管不同引脚相连接输入电压，相同引脚相连接负载1.3.2半导体二极管交流电路分析及仿真（2）桥式整流电路正半周，VD1和VD3导通，VD2和VD4截止负半周，VD2和VD4导通，VD1和VD3截止1.3.2半导体二极管交流电路分析及仿真减小输出脉动，提高整流效率。1.3.2半导体二极管交流电路分析及仿真+uo

RL~

两个二极管不同引脚连在一起的接头接输入电压，相同引脚连在一起的接头接负载，不要接错。1.3.2半导体二极管交流电路分析及仿真2.

削波电路（1）二极管与负载串联，负载输出1.3.2半导体二极管交流电路分析及仿真（2）二极管与负载串联，含二极管支路输出【例1.3.6】图1.3.20所示电路，设二极管是理想二极管，输入是幅度为20V的三角波，画出输出电压uO的波形。解：当uI≤4V时，二极管导通，uO=4V;

当uI>4V时，二极管截止，uO=uI。1.3.2半导体二极管交流电路分析及仿真【例1.3.7】分析如图1.3.22（a）所示的硅二极管电路，导通压降为0.7V。（1）画出电压传输特性曲线；（2）已知uI=20sinωt，画出uI和uO的波形。解：①当uI≥12.7V时，VD1管导通，VD2管截止，uO=12.7V②当-5.7V<uI<12.7V，VD1管和VD2管均截止，uO=uI③uI<-5.7V，VD1管截止，VD2管导通，uO=-5.7V1.3.2半导体二极管交流电路分析及仿真3.钳位电路（ClamperCircuit）由电容C、二极管VD及电阻R构成的电路正半周时，二极管导通，uO=0；负半周，二极管截止，uO=-2U1.3.3有直流信号源也有交流信号源

【例1.3.8】如图1.3.24（a）所示含硅二极管电路，设输入信号为uI=5sinωt，试画出输出电压uO波形。解：（1）恒压源单独作用

(a)

(b)

(c)

(d)

(a)电路图

(b)直流电源单独作用电路图

(c)直流电源单独作用二极管导通(d)交流电源单独作用二极管交流电阻为（2）交流信号源ui单独作用时1.3.2【例1.3.8】（3）根据叠加原理可得输出电压1.3.4二极管稳压电路正常情况下稳压管工作在反向击穿区【例1.3.9】如图1.3.27所示稳压电路中，已知稳压管参数为UZ=12V，IZ=5mA，允许通过的最大电流IZM=50mA。（1）试分析稳压管稳压原理；（2）若UI=5V，RL=R=1kΩ，求UO；（3）若UI=30V，其允许变化量为±5V，IO的变化范围为0～20mA，试选择限流电阻R的阻值与功率。1.3.4二极管稳压电路【例1.3.9】解：（1）对任何稳压电路，应该从两个方面考虑其稳压特性，一是输入电压UI波动，另一方面是负载RL变化。UI增大，RL不变时UI不变，RL增大（2）当UI=5V

时，稳压管反偏截止【例1.3.9】（3）当UI=30V时，只要R值合适，电路可稳压工作。R值应使IDZ≤IZMR值应使IDZ≥IZ

应根据460Ω<R<520

Ω选取电阻R的值，取R=500

Ω，R上的最大功耗为【例1.3.9】考虑一定的安全裕量，可选用500Ω、2W的电阻。1.3.5其他类型二极管简介1.发光二极管

当正偏导通时，光亮度随电流增大而增强，电源可以是直流、交流或脉冲信号。1.3.5其他类型二极管简介2.光电二极管

使用时应注意光电二极管PN结反偏，在光信号照射下，反向电流随光照强度的增加而上升（这时的反向电流称为光电流），由发光二极管和光电二极管可构成具有三只引脚或四只引脚的光电耦合器。

光电耦合器是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透光的管壳内，多用于抗干扰电路、逻辑电路、模/数转换、长线传输、过流保护及高压控制，可实现远距离非直接控制。3.变容二极管1.3.5其他类型二极管简介

当在二极管两端加上反向偏压时，会产生电容效应，通常变容二极管的电容量随反向偏压增大而减小。

除了上面讲的这几种二极管之外，还有隧道二极管、磁敏二极管、温度效应二极管、双向击穿二极管、交流开关二极管、体效应二极管、肖特基二极管等。小小元件用途广一、基础与核心应用（基于单向导电性）1.整

流功能：将交流电转换为直流电。原理：利用单向导电性，只保留交流电的正半周（或负半周），截掉另一半，得到脉动的直流电。实例：各种电源适配器内都有整流桥将来自插座的交流电变成直流电。2.反向保护/防反接功能：防止因电源正负极接反而烧毁电路。原理：将二极管正向串联在电路中。电源正确连接，二极管导通，电路正常工作；当电源反接时，二极管截止，电路中没有电流，保护了后级的精密元件。实例：汽车电子产品、电池供电的设备中很常见。3.检

波功能：从高频信号中提取有用的低频信号（如音频信号）原理：与整流类似实例：调幅收音机利用二极管检波从接收的无线电波中还原出声音信号4.续流/飞轮

功能：保护电路中的开关元件免受感应电动势冲击

原理：当流过继电器、电机、电感等的电流突然被切断时，会产生一个很高的反向感应电动势。并联在负载两端的续流二极管为其提供一个放电回路，吸收这个尖峰电压，防止击穿开关管

实例：驱动继电器、电机、电磁阀的电路中必不可少5.隔

离功能：实现电路之间的电气隔离，防止相互干扰原理：利用反向截止特性实例：在电源电路中，当有多个电源供电时，可以用二极

管来防止电流从一个电源倒流到另一个电源敬业创新勤奋求实模拟电子技术

1.4

晶体三极管1.4.1晶体管的结构及类型 1.4.2晶体管的伏安特性曲线

1.4.3晶体管的极限参数

1.4.1晶体管的结构及类型NPN型管子的结构和符号

PNP型管子的结构和符号

三个掺杂区：发射区（掺杂浓度很高）、基区（薄且掺杂浓度很低）、

集电区（掺杂浓度低面积大）。三个电极：发射极E、基极B、集电极C。两个PN结：发射结、集电结。三种工作状态：放大状态（发射结正偏导通，集电结反偏）、饱和状态（发射结正偏导通，集电结正偏）、截止状态（发射结零偏或反偏、集电结反偏）。1.4.1晶体管的结构及类型1.4.1晶体管的结构及类型1.放大状态（发射结正偏导通，集电结反偏）几个重要的关系式1.4.1晶体管的结构及类型2.饱和状态（发射结正偏导通，集电结正偏）

在饱和状态时，晶体管失去IB对IC的控制能力，IC主要受UCE控制，C、E之间压降很小，等效为

C、E间开关合上，对硅管，锗管UCES称为集电极与发射极之间的饱和压降。1.4.1晶体管的结构及类型3.截止状态（发射结零偏或反偏、集电结反偏）

当发射结电压小于开启电压，集电结反偏，晶体管处于截止状态，

IB、IC、和

IE近似为零，等效为

C、E间开关断开。

放大和饱和都属于导通状态，当UCE=UBE时，管子工作于临界饱和状态；当UCE>UBE时，NPN型管工作于放大状态；UCE<UBE时，NPN型管工作于饱和状态。放大和临界饱和时管子有电流放大作用，饱和和截止时晶体管没有电流放大作用。1.4.2晶体管的伏安特性曲线1.输入特性曲线输入特性描述当为某一常数时，输入电流

与

间的关系

增大，曲线右移，而时，输入特性曲线基本重合。1.4.2晶体管的伏安特性曲线2.输出特性曲线为某一常数时，与之间的关系（1）放大区：且，具有电流放大作用。（2）饱和区：且，不具有电流放大作用。但临界饱和时，，仍具有电流放大作用。（3）截止区：，1.4.2晶体管的伏安特性曲线

PNP型管工作电压极性的接法和电流流向均与NPN型管相反。

当温度升高时，导通电压减小，输入特性曲线左移，输出特性曲线上移。

温度每升高1oC，导通电压减小2~2.5mV，电流放大倍数增大0.5%~1%。1.4.3晶体管的极限参数

当晶体管工作点位于

的区域时，管子能正常工作，该区域成为安全工作区。

【例1.4.1】已知某放大器中晶体管电极电位分别为U1=3.5V，U2=2.8V，U3=12V，试确定B、E、C极，并判断是NPN型管还是PNP型管，是硅管还是锗管。解：电位值位于中间的必为基极B，故3.5V对应基极。由

可知2.8V对应发射极E，则12V对应集电极C，所以为NPN型硅管。敬业创新勤奋求实模拟电子技术

1.5场效应管1.5.1场效应管分类 1.5.2场效应管结构、符号、特性曲线及

各电极电流

1.5.1场效应管分类

不管哪种类型的场效应管，都有三个电极，即栅极G（Gate）、源极S（Source）和漏极D（Drain）。

场效应管输入阻抗非常高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强，制造工艺简单，占用面积小，便于控制，功耗小，因此在集成电路中得到了广泛应用。1.5.2结构、符号、特性曲线及各电极电流1.结型场效应管（简称JFET)

结型场效应管中间存在导电沟道，只有一种载流子参与导电，属于耗尽型。利用栅极和源极间电压

控制输出电流

漏极电流和源极电流相等，即

。各种场效应管结构、符号、特性曲线及各电极电流各种场效应管电压极性及工作于放大区的