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1、 在自然界中，存在着各种各样的物理量，其中一类物理量的变化在时间上和数值上都是连续的，称为模拟量。例如温度、压力、交流电压等是典型的模拟量。表示模拟量的信号叫做模拟信号，人们为了改造和征服自然就学要多这些模拟量进行采集、处理和反馈，我们把传送、变换、处理模拟信号的电子电路称为模拟电路，大家熟悉的各种放大电路就是典型的模拟电路。 那么这些微弱的模拟量是怎样采集、放大和处理的呢？要用到什么样的材料和处理方法呢？ 上次课简单回顾3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.3 半导体二极管半导体二极管3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管特殊二极管3.2 PN结
2、的形成及特性结的形成及特性3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 半导体材料半导体材料 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体在自然界中，根据物质导电能力的差别，可在自然界中，根据物质导电能力的差别，可将它们划分为将它们划分为导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体。如：金属如：金属如：橡胶、陶瓷、塑如：橡胶、陶瓷、塑料和石英等等料和石英等等 3.1.1 半导体材料半导体材料典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。等。硅硅和和锗锗最最外外层层轨轨道道上上的的四四个个电电子子称为称为价电子价电子。硅
3、原子和锗原子的结构SiGe+4半导体的导电性能是由其原子结构决定的。半导体的导电性能是由其原子结构决定的。为方便起见，常表示如下： 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体本征半导体本本征征半半导导体体化化学学成成分分纯纯净净的的半半导导体体。它它在在物物理理结结构构上上呈呈单单晶体形态。晶体形态。空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而产生的自由电子和空穴对。产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴
4、的运动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。依次充填空穴来实现的。由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对词条： 本征半导体定义：定义：纯净的、不含其他杂质的半导体。纯净的、不含其他杂质的半导体。在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚其中，不能成为自由电子，此时本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。+4+4+4+4T=0K时本征半导体结构图： 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。温度升高后，比如室温下本征半导体结构图
5、+4+4+4+4自由电子空穴温度导致的本征激发+4+4+4+4这一现象称为本征激发，也称热激发。所谓本征激发，就是由于随机热振动致使共价键被打破而产生电子空穴对的过程。电子空穴对+4+4+4+4电子空穴对复合：与本征激发现象相反，即自由电子遇到空穴并填补空穴，从而使两者同时消失的现象。在一定温度下，本征激发在一定温度下，本征激发与复合这二者产生的电子与复合这二者产生的电子空穴对数目相等，达到空穴对数目相等，达到一种一种动态平衡动态平衡。+4+4+4+4电子空穴对注意：注意：在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，故在任何时候，本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的。E自由电子带负电荷，形
6、成电子流带负电荷，形成电子流两种载流子两种载流子空穴视为视为带正电荷，形成空穴流带正电荷，形成空穴流本征半导体的导电机制+4+4+4+4自由电子空穴电 子 流空 穴 流本征半导体中产生电流的根本原因：共价键中空穴的出现。空穴越多，载流子数目就越多，形成的电流就越大。自由电子带负电荷，形成电子流带负电荷，形成电子流E两种载流子两种载流子空穴视为视为带正电荷，形成空穴流带正电荷，形成空穴流+4+4+4+4自由电子空穴电 子 流空 穴 流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，在本征半导
7、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。掺入杂质的本征半导体主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为称为杂质半导体杂质半导体。 N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。半导体。 P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。半导体。在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为导体称为杂质半导体杂质半导体。因掺入杂质性质因掺入杂质性质不同，可分为：不同，可分为：空穴（空穴（P
8、）型半导体）型半导体电子（电子（N）型半导体）型半导体【Positive】【Negative】 1. N 1. N型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。 在在N N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原子它主要由杂质原子提供；提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, , 由热激发形成。由热
9、激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。v 多数载流子（多子）自由电子；v 少数载流子（少子）空穴。N型半导体的结构图+4+4+5+4在硅（或锗）的晶体中掺入少量在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，价杂质元素，如磷，砷等。如磷，砷等。N型半导体 多余的电子自由电子的来源：（1）本征激发产生（少量的）（2）掺入杂质元素后多余出来的（大量的）v 多数载流子（多子）自由电子；v 少数载流子（少子）空穴。N型半导体的结构图+4+4+5+4在硅（或锗）的晶体中掺入少量
10、在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，价杂质元素，如磷，砷等。如磷，砷等。多余的电子施主原子空穴的来源：只有本征激发产生（少量的）N型半导体 2. P 2. P型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因三价杂质原子因三价杂质原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电键时，缺少一个价电子而在共价键中留下子而在共价键中留下一个空穴。一个空穴。 在在P P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；它主要由掺杂形成；自自由由电子是少数载流子，电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获
11、电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质。三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。+4+4+3+4P型半导体的结构图在硅（或锗）的晶体中掺入少量在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如价杂质元素，如硼、镓等。硼、镓等。P型半导体 空穴v 多数载流子（多子）空穴；v 少数载流子（少子）自由电子。空穴的来源：（1）本征激发产生（少量的）（2）掺入杂质元素后多余出来的（大量的）+4+4+3+4P型半导体的结构图在硅（或锗）的晶体中掺入少量在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如价杂质元素，如硼、镓等。硼、镓等。空穴受主原子v 多数载流子（多子）空穴；v 少数载流子（少子）自由电子。
12、自由电子的来源：只有本征激发产生（少量的）P型半导体 杂质半导体的示意表示方法 +P型半导体型半导体N型半导体型半导体少子浓度只与温度有关多子浓度主要受掺入杂质浓度的影响负离子空穴正离子自由电子 +P型半导体型半导体N型半导体型半导体负离子空穴正离子自由电子注意：半导体中的正负电荷数是相等的，其作用相互抵消，因此对外保持电中性。杂质半导体的示意表示方法 3. 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下响，一些典型的数据如下: : T=300 K室温下室温下
13、,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自由电子、空穴自由电子、空穴 N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质end3.2 PN结的形成及特性结的
14、形成及特性 PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结的反向击穿结的反向击穿 PN结的电容效应结的电容效应 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散漂移运动：漂移运动： 在电场作用引起的载流子的运动称为在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动漂移运动。扩散运动：扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散扩散运动运动。 3.2.2 PN结的形成结的形成 3.2.2 PN结的形成结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, ,分别形成分别形成N
15、 N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半型半导体和导体和P P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后, ,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 对于对于P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为
16、PNPN结结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 (1) PN(1) PN结加正向电压时结加正向电压时 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区
17、的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 (2) PN(2) PN结加反向电压时结加反向电压时 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，所加反向电压的大小无关，这个电流这个电流也称为也称为反向饱和电流反向饱和电流。 归纳： PNPN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流扩散电流
18、，呈现低电阻，呈现低电阻， PNPN结结导通导通； PNPN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流漂移电流，呈现高电阻，呈现高电阻， PNPN结结截止截止。在于它的耗尽层的存在，且其宽度随外加电压而变化。关 键这就是PN结的单向导电性。 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 (3) PN(3) PN结结V V- -I I 特性表达式特性表达式其中其中PNPN结的伏安特性结的伏安特性I IS S 反向饱和电流反向饱和电流V VT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T T=300K=300K） 3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 当
19、当PNPN结的反向电压结的反向电压增加到一定数值时，反增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为PNPN结的结的反向反向击穿。击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应(1) (1) 扩散电容扩散电容C CD D扩散电容示意图扩散电容示意图 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 (2) (2) 势垒电容势垒电容C CB Bend小节：半导体中有两种载流子：电子和空穴。载流子有两种运动方式：扩散运动和漂移运动。本征激发使半导体中产生电子-空穴对，但它们的数目很少，并与
20、温度有密切关系。在纯半导体中掺入不同的有用杂质，可分别形成P型和N型两种杂质半导体。它们是各种半导体器件的基本材料。PN结是各种半导体器件的基本结构，如二极管由一个PN结加引线组成。因此，掌握PN结的特性对于了解和使用各种半导体器件有着十分重要的意义。PN结的重要特性是单向导电性。3.3 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的主要参数二极管的主要参数3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PNPN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、
21、面接触型点接触型、面接触型两大两大类。类。(1) (1) 点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电路。变频等高频电路。（a）面接触型）面接触型 （b）集成电路中的平面型）集成电路中的平面型 （c）代表符号）代表符号(2) (2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN PN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型几种常见二极管实物图触发二极管触发二极管开关二极管开关二极管 3.3.2 二极管的伏安特性二极管
22、的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性 3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数(1) (1) 最大整流电流最大整流电流I IF F(2) (2) 反向击穿电压反向击穿电压V VBRBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压V VRMRM(3) (3) 反向电流反向电流I IR R(4) (4) 正向压降正向压降V VF F(5) (5) 极间电容极间电容C CJ J（C CB B、 C CD D ）end3.4 二极管基
23、本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V V - -I I 特性曲线。特性曲线。例例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已
24、知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电阻和电阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD 。 解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 即即 是一条斜率为是一条斜率为-1/R的直线，称为的直线，称为负载负载线线 Q的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的点称为电路的工作点工作点 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特性的等效模型。管特性的等
25、效模型。（1 1）理想模型）理想模型 （a a）V V- -I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模（2 2）恒压降模型）恒压降模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 （3 3）折线模型）折线模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V- -I
26、 I 特性的建模特性的建模（4 4）小信号模型）小信号模型vs =0 时时, Q点称为静态工作点点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。vs =Vmsin t 时（时（VmVT 。 （a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（1 1）整流电路）整流电路（a）电路图）电路图 （b）vs和和vo的波形的波形2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（2 2）静态工作情况分析）静态工作情况分析理想模型理想模型（R=10k ） 当当VDD=10V 时，时，恒压模
27、型恒压模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）设设当当VDD=1V 时，时， （自看）（自看）（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习惯画法 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（3 3）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当和恒压降模型求解，当vI = 6sin t V时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压vO的波形。的波形。 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（4 4）开关电路）开关
28、电路电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值的电压值解：解： 先断开先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位， 即即O点为点为0V。 则接则接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接阴，接阴极的电位为极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。end2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（6 6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析图示电路中，图示电路中，VDD = 5V，R = 5k ，恒
29、压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sin t V。（1）求输出电压）求输出电压vO的交流量和总量；（的交流量和总量；（2）绘出）绘出vO的波形。的波形。 直流通路、交流通路、静态、动态等直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。概念，在放大电路的分析中非常重要。3.5 特殊二极管特殊二极管 齐纳二极管齐纳二极管( (稳压二极管稳压二极管) )1.1.符号及稳压特性符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。电击穿状态。(1) 稳定电压稳定电压VZ(2
30、) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作在规定的稳压管反向工作电流电流IZ下，所对应的反向工作下，所对应的反向工作电压。电压。rZ = VZ / IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2. 稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数 齐纳二极管齐纳二极管3. 稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO =VZ 齐纳二极管齐纳二极管3.5.2 变容二极管变容二极管（a）符号）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）结电容与电压的关系（纵坐
31、标为对数刻度） 3.5.3 肖特基二极管肖特基二极管（a）符号）符号 （b）正向）正向V-I特性特性3.5.4 光电子器件光电子器件1. 光电二极管光电二极管 （a）符号）符号 （b）电路模型）电路模型 （c）特性曲线）特性曲线 3.5.4 光电子器件光电子器件2. 发光二极管发光二极管符号符号光电传输系统光电传输系统 3.5.4 光电子器件光电子器件3. 激光二极管激光二极管（a）物理结构）物理结构 （b）符号）符号 end本章主要内容1.介绍半导体的基本知识；2.半导体器件的核心环节PN结的形成及其特性；3.简介半导体二极管的结构及主要参数；4.半导体二极管的几种常用等效电路及其应用；5.简介几种特殊二极管（除“稳压管”外均作为一般了解内容）1、 掌握以下基本概念：半导体材料的特点、空 穴、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏；2、 了解PN结的形成过程及半导体二极管的单向导电性；3、 掌握半导体二极管的伏安特性及其电路的分析方法；4、 正确理解半导体二极管的主要参数；5、 掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项，了解选管的一般原则。
