第01章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)歡迎學(xué)習(xí)康少棟343574504@課程性質(zhì)考試課，3學(xué)分，48學(xué)時，1~12周*平時成績（作業(yè)，考勤）30%，

期末成績70%實驗0.5學(xué)分（公共課部負(fù)責(zé)），7~15or8-16周硬件：模電、數(shù)電、微機原理

軟件：OS，網(wǎng)絡(luò)……目錄第一章二極管第二章三極管第三章場效應(yīng)管第四章功放第五章集成運放第六章反饋第七章集成運放的應(yīng)用第八章直流穩(wěn)壓電源

第一章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識PN結(jié)半導(dǎo)體二極管

1.導(dǎo)體：電阻率

<10-4

·cm的物質(zhì)。如銅、銀、鋁等金屬材料。

2.絕緣體：電阻率

>109·

cm物質(zhì)。如橡膠、塑料等。

3.半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的物質(zhì)。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用的主要材料是硅(Si)和鍺(Ge)。半導(dǎo)體導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。

§1-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

半導(dǎo)體的特性本征半導(dǎo)體：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的鍺、硅、硒下一節(jié)上一頁下一頁返回半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：純凈的半導(dǎo)體中摻入微量某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。

當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱、光敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體現(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（價電子）都是四個(4價元素)。GeSi硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。硅原子結(jié)構(gòu)圖硅原子結(jié)構(gòu)(a)硅的原子結(jié)構(gòu)圖最外層電子稱價電子

價電子鍺原子也是4價元素

4價元素的原子常常用+4電荷的正離子和周圍4個價電子表示。+4(b)簡化模型硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4離子核

本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。

當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。

可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象—復(fù)合在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對1.當(dāng)半導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，半導(dǎo)體中沒有自由電子,所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。

2.當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有極少數(shù)的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。3.自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。空穴運動相當(dāng)于正電荷的運動

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理+4+4+4+4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理自由電子空穴束縛電子

可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖所示。激發(fā)復(fù)合本征激發(fā)和復(fù)合的過程本征激發(fā)與復(fù)合

在半導(dǎo)體中，同時存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點，也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時,半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流:1、自由電子作定向運動所形成的電子電流,2、應(yīng)被原子核束縛的價電子(注意,不是自由電子）遞補空穴所形成的空穴電流。

自由電子和空穴都成為載流子。

本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，同時又不斷地復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達到動態(tài)平衡，于是半導(dǎo)體中的載流子（自由電子和空穴）邊維持一定數(shù)目。溫度越高，載流子數(shù)目越多，導(dǎo)電性能也就越好。所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能的影響很大。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一個電子變?yōu)樨?fù)離子空穴雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻入少量雜質(zhì)的半導(dǎo)體下一節(jié)上一頁下一頁返回多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對1.N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對2.P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與溫度無關(guān)總結(jié)1、N型半導(dǎo)體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，本征半導(dǎo)體中受激發(fā)產(chǎn)生的電子只占少數(shù)。N型半導(dǎo)體中空穴是少子，少子的移動也能形成電流，由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。2、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。內(nèi)電場E因多子濃度差形成內(nèi)電場多子的擴散空間電荷區(qū)

阻止多子擴散，促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴散電流少子漂移電流耗盡層

1.PN結(jié)的形成

§1-2PN結(jié)少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散

又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層動態(tài)平衡：擴散電流＝漂移電流總電流＝0勢壘UO硅0.5V鍺0.1V

因濃度差

多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

PN結(jié)的形成過程當(dāng)漂移運動與擴散運動達到動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)便穩(wěn)定下來，PN結(jié)形成。1、空間電荷區(qū)中沒有載流子，所以電阻率很高。“耗盡層”2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）?！白钃鯇印?、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場推動P中的電子和N中的空穴（都是少子）向?qū)Ψ竭\動（漂移運動）。請注意2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。

外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。

外電場加強內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關(guān)。

PN結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?.PN結(jié)的伏安特性曲線及表達式

根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏IF（多子擴散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結(jié)電擊穿——可逆

根據(jù)理論分析：u為PN結(jié)兩端的電壓降i為流過PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q

，稱為溫度的電壓當(dāng)量其中k為玻耳茲曼常數(shù)

1.38×10－23q

為電子電荷量1.6×10－9T為熱力學(xué)溫度，對于室溫（相當(dāng)T=300K）則有UT=26mV。當(dāng)u>0u>>UT時當(dāng)u<0|u|>>|UT

|時4.PN結(jié)的電容效應(yīng)

當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，即PN結(jié)中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。

(1)勢壘電容CB(2)擴散電容CD

當(dāng)外加正向電壓不同時，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。電容效應(yīng)在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來極間電容（結(jié)電容）

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓(電場)的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba5、PN結(jié)的形成過程、主要特性、主要特性的描述方式

二極管=PN結(jié)+管殼+引線NP結(jié)構(gòu)符號陽極+陰極-

§1-3半導(dǎo)體二極管

二極管=一個PN結(jié)+管殼+引線NP結(jié)構(gòu)符號陽極+陰極-半導(dǎo)體二極管

的幾種常用結(jié)構(gòu)二極管的一般符號

二極管的符號發(fā)光二極管

穩(wěn)壓二極管

光電二極管

變?nèi)荻O管

隧道二極管

溫度效應(yīng)二極管

to雙向擊穿二極管

磁敏二極管

體效應(yīng)二極管

雙向二極管

交流開關(guān)二極管

二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：(1)點接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型G，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。半導(dǎo)體二極管圖片

半導(dǎo)體二極管的V—A特性曲線

硅：0.5V

鍺：

0.1V(1)正向特性導(dǎo)通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR實驗曲線：uEiVmAuEiVuA鍺硅：0.7V鍺：0.3V伏安特性(與PN結(jié)一樣，具有單向?qū)щ娦?UI死區(qū)（開啟UON）電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通電壓降:硅管0.6~0.8V,鍺管0.1~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)

死區(qū)電壓正向反向外電場不足以克服內(nèi)電場,電流很小外電場不足以克服內(nèi)電場,電流很小(1)正向特性uEiVmA(2)反向特性uEiVuA特點：非線性PN–+PN+–UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.1~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)

死區(qū)電壓正向反向當(dāng)外加電壓大于死區(qū)電壓內(nèi)電場被大大減削弱,電流增加很快。UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)

死區(qū)電壓反向

由于少子的漂移運動形成很小的反向電流,且U<U(BR)在內(nèi),其大小基恒定,稱反向飽和電流,其隨溫度變化很大。

二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓UBR———

二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。

(3)反向電流IR——

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。主要參數(shù)1）最大整流電流IF二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2）最高反向工作電壓UR3）反向電流IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。4)最高工作頻率fM

在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)管子所用的場合，按其所承受的最高反向電壓、最大正向平均電流、工作頻率、環(huán)境溫度等條件，選擇滿足要求的二極管。二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）時，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰極接正）時，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。PN–+PN+–總結(jié)

二極管的等效電路

1.

將伏安特性折線化理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時UD＝0截止時IS＝0導(dǎo)通時UD＝Uon截止時IS＝0導(dǎo)通時i與u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！理想模型恒壓降模型折線模型Q越高，rd越小。

當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用小信號作用靜態(tài)電流2.

微變等效電路(低頻交流小信號作用下的等效電路)

二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.8V鍺0.1~0.3V

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)極性。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止

若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當(dāng)于斷開。電路如圖，求：UAB

解：V陽

=－6V，例1：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。

在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–

二極管的鉗位作用是指利用二極管正向?qū)▔航迪鄬Ψ€(wěn)定，且數(shù)值較小(有時可近似為零)的特點，來限制電路中某點的電位。V陽>V陰，二極管導(dǎo)通。1、若忽略二極管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V。2、若考慮二極管壓降，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V。V陰=－12V，兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。解：1、V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=？V，UD2=？V.二極管都導(dǎo)通？截止？，UAB=?例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB

在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。

BD16V12V3kAD2UAB+–2、∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。解：理想模型：

，加在二極管陽極的電位高于加在二極管陰極的電位，二極管導(dǎo)通。例3電路如圖所示，，。試分別用理想模型和恒壓降模型，求解電路的和的值。

，加在二極管陽極的電位高于加在二極管陰極的電位，二極管導(dǎo)通。解：恒壓降模型：例4電路如圖所示，假設(shè)圖中的二極管是理想的，試判斷二極管是否導(dǎo)通，并求出相應(yīng)的輸出電壓。解：①二極管D導(dǎo)通，輸出電壓。②二極管D截止，輸出電壓。b.V＝5V時，判斷出二極管D導(dǎo)通,直流電流為c.V=10V時，1.V＝2V、5V、10V時二極管中的直流電流各為多少？a.V＝2V時，判斷出二極管D導(dǎo)通,直流電流為二極管導(dǎo)通電壓UD

為0.6V,UT=26mV二極管基本應(yīng)用電路二極管在低頻和高頻以及數(shù)字電路均有廣泛的應(yīng)用。以下主要介紹二極管在低頻電路的幾種應(yīng)用。二極管幾種基本應(yīng)用整流電路限幅電路電平選擇電路（1）工作原理u2的正半周，D導(dǎo)通，A→D→RL→B，uO=u2

。u2的負(fù)半周，D截止，承受反向電壓，為u2；uO=0。基本應(yīng)用電路1、整流電路

整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娮饔?，將交流電變成直流電的電路。半波整流電路改變電路及二極管的接入方式,可得不同波形?；緫?yīng)用電路全波整流電路

牢記全波整流電路下列2個電路特征：（1）一組全波整流電路中使用兩只整流二極管；（2）電源變壓器次級線圈必須有中心抽頭。⒉二極管限幅電路又稱為：“削波電路”,能夠把輸入電壓變化范圍加以限制，常用于波形變換和整形。例：二極管構(gòu)成的限幅電路如圖所示，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入信號為ui。

(1)若ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、理想二極管串聯(lián)電壓源模型計算電流I和輸出電壓uo解：（1）采用理想模型分析。

采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。（2）如果ui為幅度±4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。解：①采用理想二極管模型分析。波形如圖所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V

②采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析，波形如圖所示。(二極管陽極電位)ui<8V，已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––二極管D截止，可看作開路,uo=ui.(二極管陽極電位)u