第2章放大器基本原理第1節(jié)晶體二極管

《電子電路學(xué)》參考書：1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)，童詩白,華成英主編出版社:高等教育出版社ISBN:97870401892232、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第5版），閻石

主編出版社:高等教育出版社ISBN:9787302152019第二章放大器基本原理1、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)及導(dǎo)電性2、PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?、半導(dǎo)體二極管的電壓電流特性4、半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用5、穩(wěn)壓二極管第一節(jié)半導(dǎo)體二極管一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。物質(zhì)的導(dǎo)電特性取決于原子結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體:可在電場作用下流動(dòng)自由電荷的物體。金屬和合金一般都是導(dǎo)體，如金、銀、銅、鐵、鋁、鎢、鎳鉻等。絕緣體:不容易導(dǎo)電的物體叫絕緣體。如惰性氣體、橡膠、陶瓷等。半導(dǎo)體:導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。

半導(dǎo)體在室溫下電阻率約在10-5～107?m之間。氖鋁硅1.1導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體表述：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為

本征半導(dǎo)體?；瘜W(xué)成分純凈的半導(dǎo)體；物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體結(jié)構(gòu)。1.2本征半導(dǎo)體1.3.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電方式

鍺和硅的原子結(jié)構(gòu)硅單晶中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子數(shù)都是四個(gè)。把硅或鍺材料制成單晶體時(shí)，原子組成金剛石晶體結(jié)構(gòu)，每個(gè)原子周圍有四個(gè)最鄰近的原子。這四個(gè)原子處于正四面體的頂角上，任一頂角上的原子和中心原子各貢獻(xiàn)一個(gè)價(jià)電子為這兩個(gè)原子所共有，并形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。硅晶體結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)(1)

自由電子和空穴的形成當(dāng)本征半導(dǎo)體受熱或光照時(shí)，使其共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得足夠的能量后，電子脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子(帶負(fù)電)，共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為“空穴”。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)(熱“激發(fā)”)?？昭ü矁r(jià)鍵共用電子對(duì)束縛電子自由電子自由電子與空穴成對(duì)出現(xiàn)，二者數(shù)目相等。(2)本征半導(dǎo)體中電流的形成電子電流：自由電子作定向運(yùn)動(dòng)所形成的電流；空穴電流：由于空穴的存在，價(jià)電子將按一定的方向依次填補(bǔ)空穴，就好像空穴在運(yùn)動(dòng)。而空穴運(yùn)動(dòng)的方向與價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的方向相反，因此空穴運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)?？昭ㄗ杂呻娮颖菊靼雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖空穴空穴本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：1.自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。本征半導(dǎo)體的載流子

自由電子空穴導(dǎo)體的載流子：自由電子載流子：運(yùn)載電荷的粒子自由電子在運(yùn)動(dòng)的過程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。在一定溫度下，本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子和復(fù)合的載流子，最終會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，使本征半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度處于某一熱平衡值。溫度升高→熱運(yùn)動(dòng)加劇→載流子濃度升高→導(dǎo)電性增強(qiáng)溫度下降→導(dǎo)電性減弱1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。由此制造出人們所期望的各種性能的半導(dǎo)體器件。根據(jù)摻入的雜質(zhì)元素的種類，可以分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。控制摻入的雜質(zhì)元素的濃度，可以控制雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在硅(或鍺)的晶體中摻入少量的五價(jià)元素(如磷元素)，原來晶體中的某些硅原子位置將被雜質(zhì)原子代替。磷原子最外層有5個(gè)價(jià)電子，其中4個(gè)與硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子，使得半導(dǎo)體中的自由電子數(shù)目大量增加，于是有：

自由電子數(shù)＞＞空穴數(shù)多數(shù)載流子少數(shù)載流子1.4.1

N型半導(dǎo)體磷原子的結(jié)構(gòu)硅晶體摻磷后出現(xiàn)自由電子磷原子成為不能移動(dòng)的帶正電的離子。表述：以自由電子導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體雜質(zhì)原子（磷原子）中的空位由于釋放出了電子，成為不能移動(dòng)的帶正電的離子。自由電子施主原子在硅或鍺的晶體中摻入少量的三價(jià)元素(如硼元素)，原來晶體中的某些硅原子被硼原子代替。硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)空位（空位為電中性）。硅原子的外層電子填補(bǔ)空位時(shí)，共價(jià)鍵中產(chǎn)生空穴。于是在半導(dǎo)體中就形成了大量空穴。自由電子數(shù)＜＜空穴數(shù)少數(shù)載流子多數(shù)載流子1.4.2P型半導(dǎo)體

硼原子的結(jié)構(gòu)硅晶體摻硼后出現(xiàn)空穴空位硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。P型半導(dǎo)體表述：以空穴導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體，稱為空穴半導(dǎo)體或

P型半導(dǎo)體。雜質(zhì)原子（硼原子）中的空位由于接受了電子，成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子?？昭ㄊ苤髟佣嘧拥臐舛热Q于摻入的雜質(zhì)元素的濃度，受溫度影響很?。簧僮拥臐舛热Q于溫度(熱“激發(fā)”)。N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子：自由電子少數(shù)載流子：空穴P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子：空穴少數(shù)載流子：自由電子二、

PN結(jié)的形成PN結(jié)的形成過程

空間電荷區(qū)++++++++++++++++NP內(nèi)電場U0PN結(jié)平衡狀態(tài)下的電位分布綜上可簡述為：多子擴(kuò)散形成PN結(jié)產(chǎn)生內(nèi)電場

U0減少多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加大少子漂移運(yùn)動(dòng)漂移及擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成穩(wěn)定的PN結(jié)PN結(jié)的形成過程PN結(jié)加正向電壓空間電荷區(qū)變窄多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)↑少子漂移運(yùn)動(dòng)↓形成正向電流IF↑

PN結(jié)導(dǎo)通（

PN

結(jié)呈現(xiàn)

R↓)2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦詢?nèi)電場

↓加正向電壓(1)PN結(jié)加正向電壓IFNP內(nèi)電場U0U0-UF外電場(2)PN結(jié)加反向電壓PN結(jié)加反向電壓加反向電壓內(nèi)電場↑空間電荷區(qū)變寬多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)↓少子漂移運(yùn)動(dòng)↑反向電流IR↓

PN結(jié)截止（

PN

結(jié)反向R↑)NPU0IR內(nèi)電場U0+UF外電場1.PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?.加正向電壓PN結(jié)導(dǎo)通

較大的正向電流

PN結(jié)電阻很低。3.加反向電壓PN結(jié)截止

很小的反向電流漂移

PN結(jié)電阻很高。*

結(jié)論：

二極管加正向電壓導(dǎo)通時(shí)，管壓降很?。ü韫埽?.7V，鍺管0.3V），可以近似看作是一個(gè)閉合的開關(guān)。

二極管加反向電壓時(shí)截止，截止后反向電流幾乎不隨反向電壓的增大而增大，且反向電流很?。╪A級(jí)），可以近似看作是一個(gè)斷打開的開關(guān)。3.1基本結(jié)構(gòu)與符號(hào)基本結(jié)構(gòu)：二極管按結(jié)構(gòu)分有：點(diǎn)接觸型、面接觸型及平面型。(1)點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)示意圖三、半導(dǎo)體二極管及其特性(2)面接觸型二極管面接觸型平面型(3)平面型二極管平面二極管，采用擴(kuò)散法制成，用于大功率整流和開關(guān)管。二極管的電路符號(hào)3.2、

PN結(jié)的電壓與電流關(guān)系3.1PN結(jié)的U-I關(guān)系式

式中：

IS—反向飽和電流

UT—

熱電壓，UT=kT/q，當(dāng)T=300K時(shí)，UT≈26mV。REiuNPPN結(jié)PN結(jié)的U-I特性

∴當(dāng)u=0時(shí)，i=0；當(dāng)u>0，且u>>UT時(shí)，當(dāng)u<0，且│u│>>UT時(shí)，

i≈-IS

，PN結(jié)反向截止。PN結(jié)的伏安特性曲線IS:反向飽和電流，越小越好開啟電壓開啟電壓（死區(qū)電壓）,是由于外加電場很小，還不足以克服內(nèi)電場的阻礙作用。此時(shí)多子的擴(kuò)散還受到抑制作用，因此不能形成電流。3.3溫度特性：

二極管的特性對(duì)溫度很敏感,溫度升高,正向特性曲線向左移,反向特性曲線向下移。為什么？3.4反向擊穿特性

當(dāng)反向電壓超過反向擊穿電壓UB時(shí)，反向電流將急劇增大，而PN結(jié)的反向電壓值卻變化不大，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。

雪崩擊穿：反向電壓較高時(shí)(U>6V)，PN結(jié)中內(nèi)電場較強(qiáng)，參加漂移的少子受到加速，與中性原子相碰，使價(jià)電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，它們也被加速。形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，載流子濃度驟增，反向電流隨之增大。3.5綜述：

4）當(dāng)時(shí)，若

uD

＞

UBR

，則D

反向擊穿燒壞。3）當(dāng)時(shí)，且

uD

＜

UBR

，有IR≈0，則D

截止；2）當(dāng)時(shí)，且

uD＞Uth

，則D導(dǎo)通；1）二極管的U-I特性為非線性；鍺二極管的伏安特性正向特性反向特性二極管動(dòng)態(tài)電阻rd練習(xí)題

選擇填空1.N型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子是()；P型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是()。

A.自由電子B.空穴C.中子D.質(zhì)子2.擴(kuò)散電流的大小由()決定；漂移電流的大小由()決定.A.電子B.空穴C.摻雜濃度D.溫度3.二極管兩端加正向電壓時(shí)，它的動(dòng)態(tài)電阻隨正向電流增加而()；

A.增大B.減小C.不變BBCDB3.6其他二極管發(fā)光二極管（LightEmittingDiode）光電二極管（Photo-Diode）

1.額定整流電流IF

表述：二極管工作與半波整流電路中，長期運(yùn)行所允許通過的電流平均值。2.正向工作電壓UF

表述：二極管工作與半波整流電路中，流過額定整流電流時(shí)，管子的電壓平均值。3.最高反向工作電壓UR

表述：保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。4.反向電流IR

表述：指室溫下二極管加上規(guī)定的反向工作峰值電壓時(shí)所對(duì)應(yīng)的反向電流。5.反向擊穿電壓UBR

表述：使二極管反向被擊穿所對(duì)應(yīng)的反向峰值電壓。3.7二極管主要參數(shù)

利用它的單向?qū)щ娦?，主要用?/p>

1.整流：將交流變換為直流；

2.檢波：從高頻載波中檢出調(diào)制信號(hào)；

3.限幅：將輸出電壓的幅度限制在一定范圍內(nèi)；

4.箝位及隔離；

5.元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。四、二極管的應(yīng)用例1.在整流電路中的應(yīng)用：將交流變換為直流；工作過程分析：*當(dāng)u2

＞0(正半周)，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止。

i1的通路是a→D1→RL→D3→b

;i1i2*當(dāng)u2

＜0(負(fù)半周)，D2、D4

導(dǎo)通，D1、D3

截止。

i2

的通路是b→D2→RL→D4→a

;橋式整流電路輸入的是正弦交流信號(hào)，輸出加載在負(fù)載RL上的是脈動(dòng)的直流電壓和電流例2電路如圖所示，已知ui＝10sinωt(v)，試畫出ui與uO的波形。設(shè)二極管正向?qū)妷嚎珊雎圆挥?jì)。

例3.限幅（削波）作用電路如圖所示，求uo及畫出波形，忽略二極管導(dǎo)通壓降。解：1）當(dāng)ui

＞E時(shí)，D導(dǎo)通；∴uo=UD

+E≈E

2)當(dāng)ui

＜E時(shí),D截止，∴uo=ui3)

畫出波形限幅電路當(dāng)ui

＞E時(shí)，D導(dǎo)通；uo=UD+E=E（忽略導(dǎo)通壓降，UD=0）

當(dāng)ui

＜E時(shí),D截止，uo=ui限幅電路例4、電路如圖所示，已知ui＝5sinωt(V)，二極管導(dǎo)通電壓UD＝0.7V。試畫出ui與uO的波形，并標(biāo)出幅值。例5二極管用于電壓箝位D1、D2的導(dǎo)通壓降均為0.7V0.7V0.7V0.7V3.7V五、穩(wěn)壓二極管分析：穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。1）OA段:當(dāng)0＜U＜UZ

時(shí)，IZ很小；2）AB段:當(dāng)

U≥UZ

時(shí)，IZ很大，雖△IZ變化范圍很大，但穩(wěn)壓管兩端的電壓△UZ變化很小；體現(xiàn)了穩(wěn)壓特性。5.1伏安特性穩(wěn)定電壓

UZ

：DZ在正常工作下管子兩端的電壓，也就是

它的反向擊穿電壓。穩(wěn)定電流IZ

：DZ在穩(wěn)定電壓下工作時(shí)管子中的工作電流。