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1、模拟电子技术基础,第1章 二极管及其基本电路,第1章 二极管及其基本电路,学习重点： PN结的基本知识 半导体二极管的结构、伏安特性、应用电路。 学习内容: PN结的基本知识、半导体二极管、半导体二极管。,第1章 二极管及其基本电路,1.1 半导体基础理论知识 半导体材料（semiconductor material） 导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。 元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。硅（Si）和锗（Ge）是主要的半导体材料，其中硅（Si）是占据了90以上的半
2、导体材料份额。硅和锗材料在电子、冶金、化工、军事、航天等领域有广泛的用途。,第1章 二极管及其基本电路,本征半导体 本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%， 常称“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。 本征激发 （热激）：当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增 高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。 本征半导体的原子结构及共价键 共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。 图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。,第1章 二极管及其基本电路,本征半导体的两种载
3、流子 温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键 成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。 本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。 图1.1所示为本征激发所产生的电子空穴对。,图1.1 本征激发产生电子空穴对,第1章 二极管及其基本电路,N型和P型杂质半导体 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。掺入杂质后的本征半导 体称为杂质半导体。 1、N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称 电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导
4、体原子中的价电子 形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电 子。N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴 是少数载流子, 由热激发形成。如图1.2所示。,第1章 二极管及其基本电路,N型半导体,图1.2 N型半导体的共价键结构,第1章 二极管及其基本电路,P型半导体 本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成 P型半导体，也 称为空穴型半导体。因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个 价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中空穴是多数载流子， 主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获 电子，使杂质原子成为负离子。三价
5、杂质 因而也称为受主杂质。P型半 导体的结构示意图如图1.3所示。,图1.3 P型半导体共价键结构,第1章 二极管及其基本电路,PN结的行成及其单向导电性 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体， 在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结。 半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。 载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。 在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将 会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。 形成如下物理过程: 因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区内电场内电 场促使少子漂移, 内电场阻止多子扩散
6、。最后多子扩散和少子的漂移达到动 态平衡。 如图1.4所示。,第1章 二极管及其基本电路,图1.4 P型和N型半导体交界处载流子的扩散,第1章 二极管及其基本电路,由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原 来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的 离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.5所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗 了，因此又称空间电荷区为耗尽层。,图1.5 PN结的形成,第1章 二极管及其基本电路,PN结单向导电性 PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从 P 区流到 N 区， PN结呈低
7、 阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使PN结中：P 区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；P区的电位低于N 区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 PN结加正向电压时的导电情况 PN结加正向电压时的导电情况如图1.6所示。外加的正向电压有一部分降 落在PN 结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。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。,第1章 二极管及其基本电路,图1.6 PN结加正向电压时的导电情况,第1章 二极管及其基本电路,PN结加反向电压时的导电情况 PN结加反向电压时的导
8、电情况如图1.7所示。外加的反向电压有一部 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 内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于 漂移电流本身就很小，PN结呈现高阻性。这样的反接电压使N区和P区中 的少数载流子更容易产生漂移运动，因此在这种情况下，PN结内的电流 由起支配地位的漂移电流所决定。漂移电流的方向与扩散电流相反，表 现在外电路上有一个流入N区的反向电流，它是由少数载流子的漂移运动 形成的。由于少数载流子的浓度很小，所以是很微弱的，一般硅管为微 安数量级。由于很小，所以 PN
9、结在反向偏置时，呈现出一个阻值很大的 电阻，此时可认为它基本上是不导电的，称PN结截止。PN结加正向电压 时，电阻值很小，PN结导通；加反相电压时，电阻值很大，PN结截止， 这就是它的单向导电性，PN结的单相导电性关键在于它的耗尽区的存 在，且其宽度随外加电压而变化。,第1章 二极管及其基本电路,图1.7 PN结外加反向电压,第1章 二极管及其基本电路,PN结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB； 二是扩散电容CD。 势垒电容CB。 势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发 生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中
10、存储的电 荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图1.8。 图1.8 势垒电容示意图,第1章 二极管及其基本电路,（2）扩散电容CD。 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正 偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向 电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多 子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类 似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图1.9所示。当外加正向电 压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积 的多子的浓度梯度分布也不相同，这就相当电容的充
11、放电过程。势垒电 容和扩散电容均是非线性电容。,第1章 二极管及其基本电路,图1.9 扩散电容示意图,第1章 二极管及其基本电路,二极管及其特性 二极管的结构和类型 接在二极管P区的引出线称二极管的阳极，接在N区的引出线称二极管的 阴极。二极管有许多类型。从工艺上分，有点接触型和面接触型；按用 途分，有整流管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管和开关二极管 等。图1.10为不同结构的二极管。 图1.10不同结构的二极管,第1章 二极管及其基本电路,图1.11所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的 方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。 A K 图1
12、.11 二极管的符号 常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检 波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形 各异，图1.12所示为几种常见的二极管外形及实物。 图1.12 几种常见的二极管外形及实物,第1章 二极管及其基本电路,二极管的特性 (1).二极管伏安特性 二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。理 论分析指出，半导体二极管电流I与端电压U之间的关系可表示为1.1式。 1.1 此式称为理想二极管电流方程。式中，IR称为反向饱和电流，UT称为温度的电压当量，常 温下UT26 m
13、V。实际的二极管伏安特性曲线如图所示。图1.13中，实线对应硅材料二极 管，虚线对应锗材料二极管。,第1章 二极管及其基本电路,(2).正向特性 二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。如图2.15所示，当二 极管所加正向电压比较小时（0U0时:二极管导通，忽略二极管正向压降，uo=u2;(2)、u2u2 VD1，VD3截止, C向RL放电, uo（uc）按指数规律下降，四个二极管仍 然截止。 (c)当uo（uc） b点时，|u2|=|uo|, u2 过了b点VD2、VD4导 通 C再次充电uo=|u2| (d)当u2达到峰值后VD2、VD4截止 C向RL充放电, 电容如此
14、反复充 放电，输出波形如图9.12所示。,第9章 直流稳压电源,(3)、由于二极管截止期间C向RL放电缓慢，使 Uo（av）的脉动减少，波 形平滑了许多，Uo（av）提高，当RL=，为了取得良好的滤波效果， 一般取，T为交流电源的周期,此时：Uo（av）1.2U2 (4)、二极管的导通角小于，所以C充电的瞬间电流放大，为了保护二 极管，常在滤波电容前串接一个小的电阻。工程上选择二极管的条件： IFM=（23）Io（av）。 电容滤波电路简单，输出电压平均值Uo较高，脉动较小，但是二极管中 有较大的冲击电流。因此，电容滤波电路一般适用于输出电压较高、负 载电流较小并且变化也较小的场合。 其他滤波
15、电路 1、RC型滤波电路 图9.13所示是RC型滤波器。 图中C1电容两端电压中的直流分量， 有很小一 部分降落在R上，其余部分加到了负载电阻RL上；而电压中的交流脉动，大部分 被滤波电容C2衰减掉，只有很小的一部分加到负载电阻RL上。 此种电路的滤波 效果虽好一些， 但电阻上要消耗功率， 所以只适用于负载电流较小的场合。,第9章 直流稳压电源,2、LC型滤波器 图9.14所示是LC型滤波电路。可见只是将RC型滤波器中的R用电感L做了替 换。由于电感具有阻交流通直流的作用，因此在增加了电感滤波的基础上，此种 电路的滤波效果更好，而且L上无直流功率损耗，所以一般用在负载电流较大和 电源频率较高的
16、场合。缺点是电感的体积大，使电路看起来笨重。 3、电感滤波电路 图9.15所示电路是电感滤波电路，它主要适用于负载功率较大即负载电流很大 的情况。电感滤波电路输出电压平均值Uo的大小一般按经验公式计算：Uo=0.9U2,第9章 直流稳压电源,第9章 直流稳压电源,4、LC型滤波电路 图9.16所示电路为LC型滤波电路,多用于较大功率电源中(而且当电流很大时 仅用一电感器与负载相连)。,第9章 直流稳压电源,9.3稳压电路 当电路中起稳压调整作用的晶体管或集成块中的电压（或电流）为连续变化时， 此电路称为线性稳压电路。 稳压电源类型: (1)稳压管稳压电路,这种电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电 压，不作为电源使用。 (2)线性稳压电路,这是本节讨论的重点。 (3)开关型稳压电路，这种效率较高，目前用的也比较多。 稳压电路的作用： 整流滤波电路的输出电压和理想的直流电源还有相当的距离，
