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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（0UUth），二极管上流经的电流为0mA，管子仍截止，此区 域称为死区，Uth称为死区电压（门坎电压）。当二极管承受正向电压小于某一数值时，还 不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区段二极管正向电流IF很小， 称为死区。死区电压的大小与二极管的材料有关，并受环境温度影响。 通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5 V，锗材料二
14、极管的死区电压约为0.2V。当正向电 压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二 极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管正向 导通压降UF。一般硅管的UF为0.7V，锗管的UF为0.3V。 (3).反向特性 二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。二极管外加反向电压 时，反向电流很小（I-IR），而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因 此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方 向一致， 只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电流IR极小，一般硅管的IR为几微
15、安以 下，锗管IR较大，为几十到几百微安。这时二极管反向截止。,第1章 二极管及其基本电路,(4).反向击穿特性 当反向电压增大到某一数值UBR时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大， 这种现象二极管反向击穿。击穿时对应的电压称为反向击穿电压。普通二极管发 生反向击穿后，造成二极管的永久性损坏，失去单向导电性。UBR为反向击穿电 压。利用二极管的反向击穿特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许 工作在反向击穿区。 (5).二极管的温度特性 二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明，随温度升高，二极管的正向压降会减小，正 向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/）
16、；温度升高，反 向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10，反向电流大约增加一倍。 图1.14所示为温度对二极管伏安特性的影响。,第9章 直流稳压电源,当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都 有一个共同的电路-电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的 电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样 式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系 统。通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种 复杂规范的电源供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。不过你可不 要小看了这个电池电源电路，比较新型的电路完全具备电池能量提醒、掉电 保护等高级功能。可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路就 不会有如此种类繁多的电子设备。由于电子技术的特性，电子设备对电源电 路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都 要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电 源(DC Regulated P
