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1、模拟电子模拟电子电路电路B黄丽亚黄丽亚1两种信号两种信号v模拟信号模拟信号Analogsignalv数字信号数字信号Digitalsignal2模拟信号模拟信号v是连续的、平滑的周期或非周期函数信是连续的、平滑的周期或非周期函数信号。号。v如语音（音频）信号、图像（视频）信如语音（音频）信号、图像（视频）信号、模拟温度、压力的物理量检测信号号、模拟温度、压力的物理量检测信号等。等。3数字信号数字信号v是间断的、离散的瞬时值周期或非周期是间断的、离散的瞬时值周期或非周期函数信号函数信号v如开关信号、脉冲信号、计算机编码信如开关信号、脉冲信号、计算机编码信号等号等。4两种电路两种电路v模拟电路模拟
2、电路Analogcircuitv数字电路数字电路Digitalcircuit5课程地位与课程体系课程地位与课程体系v是重要的学科基础课是重要的学科基础课v是电子信息类专业的主干课程是电子信息类专业的主干课程v是强调硬件应用能力的工程类课程是强调硬件应用能力的工程类课程v是工程师训练的基本入门课程是工程师训练的基本入门课程v是很多重点大学的考研课程是很多重点大学的考研课程6我对学好电子电路的定义我对学好电子电路的定义v主要学习和掌握电子技术的硬件知识和主要学习和掌握电子技术的硬件知识和应用实践能力应用实践能力v学好用好电子电路是电子工程师所应具学好用好电子电路是电子工程师所应具备的备的“基本功基
3、本功”和和“看家本领看家本领”7掌握硬件本领掌握硬件本领v当前社会对于硬件工程师（特别是具有当前社会对于硬件工程师（特别是具有设计开发能力的工程师）需求量很大。设计开发能力的工程师）需求量很大。v培养硬件工程师比较困难。培养硬件工程师比较困难。v学好并掌握硬件本领将使你基础实，起学好并掌握硬件本领将使你基础实，起点高，发展大，受益无穷！点高，发展大，受益无穷！8这门课的特点这门课的特点v涉及相关知识较多：高等数学、电路分涉及相关知识较多：高等数学、电路分析、信号与系统等析、信号与系统等v曾有人戏称模拟电子电路为曾有人戏称模拟电子电路为“魔鬼电路魔鬼电路”，简称，简称“魔电魔电”。9怎样学好这门
4、课怎样学好这门课v强调自学能力，注意学习方法。强调自学能力，注意学习方法。v入门时可能会遇到一些困难。入门时可能会遇到一些困难。v注意不断改进、总结和调整、提高。注意不断改进、总结和调整、提高。10学习方法学习方法“过四关过四关”v基本器件关基本器件关-电路构成电路构成v工程近似关工程近似关-分析方法分析方法v实验动手关实验动手关-实践应用实践应用vEDA应用关应用关-设计能力设计能力11几点建议：几点建议：v“爱好爱好”和和“志向志向”很重要！很重要！“兴趣是最好的老师兴趣是最好的老师”v学习主观能动性是学好这门课的学习主观能动性是学好这门课的“关键关键”。“让我学让我学”和和“我要学我要学
5、”v教学相长教学相长“教师是启发和引导者教师是启发和引导者”“好学生不是教出来的好学生不是教出来的”12考试成绩评定考试成绩评定v平时平时10%v期中期中20%v期末期末70%13教材教材孙肖子孙肖子等编等编,模拟电子技术基础模拟电子技术基础,西安西安:西安电子西安电子科技大学出版社科技大学出版社,2001.参考书参考书1康华光主编电子技术基础（模拟部分，第四康华光主编电子技术基础（模拟部分，第四版），北京：高等教育出版社，版），北京：高等教育出版社，19882谢嘉奎主编电子线路（线性部分，第四版），谢嘉奎主编电子线路（线性部分，第四版），北京：高等教育出版社，北京：高等教育出版社，19991
6、4电子电路电子电路数字电路数字电路模拟电路模拟电路低频电路（处理低频信号）低频电路（处理低频信号）高频电路（处理高频信号）高频电路（处理高频信号）电路分类电路分类电子电路电子电路数字电路数字电路模拟电路模拟电路线性电路（处理小信号）线性电路（处理小信号）非线性电路（处理大信号）非线性电路（处理大信号）15第一章第一章晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路1-1半导体物理基础知识半导体物理基础知识导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体物质物质半导体的特性：半导体的特性：1导电能力介于导体和绝缘体之间；导电能力介于导体和绝缘体之间；2导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而导电能力随温度、光照或掺入某
7、些杂质而发生显著变化。发生显著变化。16+14284+3228 18 4硅原子（硅原子（Silicon）锗原子（锗原子（Germanium）图图1硅和锗原子结构图硅和锗原子结构图硅（硅（Si）、）、锗（锗（Ge）和）和砷化镓（砷化镓（GaAs）-本征半导体本征半导体17+4图图1-1硅和锗硅和锗原子结构简化模型原子结构简化模型惯性核惯性核电子电子18+4+4+4+4共共价价键键价价电电子子图图1-2单晶硅和锗共价键结构示意图单晶硅和锗共价键结构示意图19说明：说明：1、共价键共价键：相邻两个原子中的价电子作为共用：相邻两个原子中的价电子作为共用电子对而形成的相互作用力。电子对而形成的相互作用力
8、。2、单晶硅单晶硅：原子按一定的间隔排列成有规律的：原子按一定的间隔排列成有规律的空间点阵结构。通常共价键的电子受到所属原子空间点阵结构。通常共价键的电子受到所属原子核的吸引，是不能自由移动的。核的吸引，是不能自由移动的。束缚电子，束缚电子，不能参与导电。不能参与导电。3、本征半导体：本征半导体：纯净的（未掺杂）单晶半导体纯净的（未掺杂）单晶半导体称为本征半导体。称为本征半导体。20v绝对零度（绝对零度（-273OC）时晶体中无自由电）时晶体中无自由电子子相当于相当于绝缘体绝缘体。v载流子载流子(Carrier) (Carrier) 指半导体结构中获得指半导体结构中获得运动能量的带电粒子。运动
9、能量的带电粒子。v有温度环境就有载流子有温度环境就有载流子本征激发本征激发一、半导体中的载流子一、半导体中的载流子自由电子和空穴自由电子和空穴21+4+4+4+4自自由由电电子子空空穴穴束束缚缚电电子子图图1-3本本征征激激发发产产生生电电子子和和空空穴穴在一定的温度下，或者受到光照时，使价电子获得一在一定的温度下，或者受到光照时，使价电子获得一定的额外能量，一部分价电子就能够冲破共价键的束定的额外能量，一部分价电子就能够冲破共价键的束缚变成自由电子缚变成自由电子本征激发本征激发22注意：注意：1、空穴的运动可以看成一个带正电荷的粒子的运动。、空穴的运动可以看成一个带正电荷的粒子的运动。2、一
10、个空穴的运动实际上是许多价电子（不是自由、一个空穴的运动实际上是许多价电子（不是自由电子）作相反运动的结果。但是一个空穴运动所引电子）作相反运动的结果。但是一个空穴运动所引起的电流的大小只与空穴的多少有关，与多少个价起的电流的大小只与空穴的多少有关，与多少个价电子运动无关。电子运动无关。3、若没有空穴，价电子不会运动，即使互换位置也、若没有空穴，价电子不会运动，即使互换位置也不会带来电荷的迁移。不会带来电荷的迁移。23结论结论v在半导体中，有在半导体中，有两种两种载流子：载流子：自由电子自由电子（负（负电荷）和电荷）和空穴空穴（正电荷）。（正电荷）。v在本征半导体中，自由电子和空穴是在本征半导
11、体中，自由电子和空穴是成对成对出出现的。现的。24二、本征载流子浓度二、本征载流子浓度v复合：复合：由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合。与本征激发是对电子、空穴，这一过程称为复合。与本征激发是相反的过程。相反的过程。一分为二一分为二本征激发本征激发复复合合合二为一合二为一v载流子浓度：载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越多。载流子浓度越大，复合的机会就越多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空在一定温度下，当没有其它能量存
12、在时，电子、空穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状态，使本穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。征半导体中载流子的浓度一定。25本征载流子浓度：本征载流子浓度：式中：式中：ni、pi 分别表示电子和空穴的浓度（分别表示电子和空穴的浓度（-3）；）；T为热力学温度（为热力学温度（K）；）； EG0为为T=0K（-273oC）时的禁带宽度（硅为时的禁带宽度（硅为1.21eV，锗为锗为0.78eV）；）；k为玻尔兹曼常数（为玻尔兹曼常数（8.6310-6V/K）；）；A0为与半导体材料有关的常数（硅为为与半导体材料有关的常数（硅为3.871016-3，锗为锗为1.7
13、61016-3）。）。26说明说明v随着随着T的增加，载流子浓度按指数规律增加。的增加，载流子浓度按指数规律增加。对温度非常敏感对温度非常敏感。在在T=300K的室温下，的室温下，本征硅（锗）的载流子浓度本征硅（锗）的载流子浓度=1.431010-3（2.381013-3），），本征硅（锗）的原子密度本征硅（锗）的原子密度=51022-3（4.41022-3）。）。相比之下，室温下只有极少数原子的价电子相比之下，室温下只有极少数原子的价电子(三三万亿分之一万亿分之一)受激发产生电子、空穴对。受激发产生电子、空穴对。27结论结论 v本征半导体的导电能力是很弱的；本征半导体的导电能力是很弱的；v本
14、征载流子浓度随温度升高近似按指数规律本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大，所以其导电性能对温度的变化很敏感。增大，所以其导电性能对温度的变化很敏感。281-1-2杂质半导体（掺杂半导体）杂质半导体（掺杂半导体） v在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂质）在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂质），会使其导电性能发生显著变化。，会使其导电性能发生显著变化。杂质半导体杂质半导体。v根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。29一、一、N型半导体型半导体图图1-4N型型半导体原子结构示意图半导体原子结构示意图+4+5+4+
15、4键键外外电电子子束缚电子束缚电子施主原子施主原子30说明说明v在本征硅（锗）中掺入少量的五价元素（如：磷、在本征硅（锗）中掺入少量的五价元素（如：磷、砷、锑等）就得到砷、锑等）就得到N型半导体。型半导体。v杂质原子顶替硅原子，多一个电子位于共价键之外，杂质原子顶替硅原子，多一个电子位于共价键之外，受原子的束缚力很弱，很容易激发成为自由电子。受原子的束缚力很弱，很容易激发成为自由电子。v几乎一个杂质原子能提供一个自由电子，从而自由几乎一个杂质原子能提供一个自由电子，从而自由电子数大大增加。电子数大大增加。施主杂质。施主杂质。v由于自由电子的浓度增加，与空穴（本征激发产生由于自由电子的浓度增加，
16、与空穴（本征激发产生的）复合的机会也增加，因此空穴浓度相应减少。的）复合的机会也增加，因此空穴浓度相应减少。31在在N型半导体中：型半导体中：自由电子自由电子多数载流子，简称多子；多数载流子，简称多子；空穴空穴少数载流子，简称少子。少数载流子，简称少子。答：答：N型半导体是电中性的。虽然自由电子数型半导体是电中性的。虽然自由电子数远大于空穴数，但由于施主正离子的存在，远大于空穴数，但由于施主正离子的存在，使正、负电荷数相等，即使正、负电荷数相等，即自由电子数自由电子数=空空穴穴数数+施主正离子施主正离子问题问题：N型半导体是带正电还是带负电？型半导体是带正电还是带负电？32图图1-5P型半导体
17、原子结构示意图型半导体原子结构示意图受主原子受主原子空空位位+4+3+4+4束缚电子束缚电子二、二、P型半导体（型半导体（Positivetype）33在本征硅（或锗）中，掺入少量的三价元在本征硅（或锗）中，掺入少量的三价元素（硼素（硼、铝等），就得到铝等），就得到P型半导体型半导体。室温时，几乎全部杂质原子都能提供一个空室温时，几乎全部杂质原子都能提供一个空穴穴。多子多子（多数载流子）：（多数载流子）：空穴；空穴；少子少子（少数载流子）：（少数载流子）：自由电子；自由电子；P型半导体是型半导体是电中性的。电中性的。空空穴穴数数=自由电子数自由电子数+受主负离子受主负离子34三、杂质半导体的载
18、流子浓度三、杂质半导体的载流子浓度v多子的浓度多子的浓度在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数远大于本征激发的载流子数。远大于本征激发的载流子数。结论：结论：多子的浓度主要由掺杂浓度决定。多子的浓度主要由掺杂浓度决定。v少子的浓度少子的浓度少子主要由本征激发产生，因掺杂不同，会少子主要由本征激发产生，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。随多子浓度的变化而变化。35结论结论：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。的平方。 对对N型半导体，多子型半导体，多子n
19、n与少子与少子pn有有36对对P型半导体，多子型半导体，多子pp与少子与少子np有有37小结小结1.本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一种载流子少。种载流子少。2.多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。381-1-3半导体中的电流半导体中的电流在导体中，载流子只有一种：自由电子。在导体中，
20、载流子只有一种：自由电子。在电场作用下，产生定向的漂移运动形成漂移电在电场作用下，产生定向的漂移运动形成漂移电流。流。在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。电场作用下的电场作用下的漂移电流漂移电流两种类型的电流两种类型的电流浓度差导致的浓度差导致的扩散电流扩散电流39IpIn一、漂移电流一、漂移电流总电流：总电流：1、定义：、定义：在电场作用下，半导体中的载流子作在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流。定向飘移运动而形成的电流。40载流子浓度载流子浓度2.漂移电流漂移电流大小大小取决于取决于外加电场强度外加电场强度迁移速度迁移速度二、
21、扩散电流二、扩散电流在半导体工作中，扩散运动是比漂移运动在半导体工作中，扩散运动是比漂移运动更为重要的导电机理。金属导体是不具有这种更为重要的导电机理。金属导体是不具有这种电流的，正是由于扩散电流特性，才能够将它电流的，正是由于扩散电流特性，才能够将它做成电子器件。做成电子器件。41平衡载流子浓度：平衡载流子浓度：一般的本征半导体在温度不一般的本征半导体在温度不变、无光照或其他激发下，载流子浓度分布均变、无光照或其他激发下，载流子浓度分布均匀。匀。非平衡载流子浓度：非平衡载流子浓度：若一端注入载流子或用光若一端注入载流子或用光线照射该端。则该端的载流子浓度增加。线照射该端。则该端的载流子浓度增
22、加。42图图16半导体中载流子的浓度分布半导体中载流子的浓度分布43扩散电流扩散电流大小大小主要取决于该处载流子浓度主要取决于该处载流子浓度差（即浓度梯度）。差（即浓度梯度）。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关浓度值无关。44思考题与习题思考题与习题v导体、半导体和绝缘体的区别和在电子线路以导体、半导体和绝缘体的区别和在电子线路以及集成电路制造中的作用？及集成电路制造中的作用？v说明半导体材料的特性及其应用说明半导体材料的特性及其应用v解释本征半导体、杂质半导体的区别？解释本征半导体、杂质半导体的区别？v解释解释N型半导体与型半导体与P型半导体的
23、区别？型半导体的区别？v为什么说这两种半导体仍然对外呈电中性？为什么说这两种半导体仍然对外呈电中性？v解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何种因素决定的？种因素决定的？v解释漂移电流和扩散电流的构成？解释漂移电流和扩散电流的构成？451-2PN结结PN结是半导体器件的核心，可以构成一结是半导体器件的核心，可以构成一个二极管。个二极管。PN本征硅的一边做成本征硅的一边做成P型半导体，一边做成型半导体，一边做成N型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物理型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物理层。层。PN结结46+PN（a）空穴和电子的扩散空穴和电子的扩散1-2
24、-1结的形成结的形成由于扩散运动，使接触面附近的空穴和电子由于扩散运动，使接触面附近的空穴和电子形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域称为空间电荷区（耗尽层），即称为空间电荷区（耗尽层），即PN结。结。47PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UB（b）平衡时的平衡时的PN结结图图1-7PN结的形成结的形成+48vPN结形成结形成“三步曲三步曲”（1）多数载流子的）多数载流子的扩散运动。扩散运动。（2）空间电荷区空间电荷区的形成的形成促进促进少子的少子的漂漂移运动移运动，阻止阻止多子的多子的扩散运动扩散运动。（3）扩散运动与漂移运动的）扩散运动与漂移
25、运动的动态平衡动态平衡。vPN结又称为结又称为势垒区、阻挡层势垒区、阻挡层。vPN结很窄结很窄（几个到几十个（几个到几十个 m)。空间电荷区（耗尽层）空间电荷区（耗尽层）49问题问题：达到动态平衡时，在：达到动态平衡时，在PN结流过的总电流为结流过的总电流为多少，方向是什么？多少，方向是什么？如下图，多子的扩散电流方向为从左到右，少子如下图，多子的扩散电流方向为从左到右，少子的漂移电流方向从右到左。两者在动态平衡时，的漂移电流方向从右到左。两者在动态平衡时，大小相等，而方向相反，所以流过大小相等，而方向相反，所以流过PN结的总电流结的总电流为零。为零。 多子扩散电流方向多子扩散电流方向少子漂移
26、电流方向少子漂移电流方向PN多子多子少子少子多子多子少子少子50对称对称PN结：结：如果如果P区和区和N区的掺杂浓度相同，区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结则耗尽区相对界面对称，称为对称结不对称不对称PN结结：如果一边掺杂浓度大（重掺：如果一边掺杂浓度大（重掺杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），此耗杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），此耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，这样的尽区主要伸向轻掺杂区一边，这样的PN结称为不对称结结称为不对称结51问题：问题：为什么为什么PN结伸向轻掺杂区？结伸向轻掺杂区？答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的排列稀疏
27、，重掺杂区的施主正离子（或受主负离排列稀疏，重掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的排列紧密。如上图，两边电荷量相等，所子）的排列紧密。如上图，两边电荷量相等，所以会伸向轻掺杂区。以会伸向轻掺杂区。52PN耗尽耗尽区区内电场内电场UB-U图图1-9正向偏置的正向偏置的PN结结+ +- -ERU+1-2-2结的单向导电特性结的单向导电特性53PN结加正向电压结加正向电压v外加的正向电压大部分降落在外加的正向电压大部分降落在PN结区，方向结区，方向与与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。结内电场方向相反，削弱了内电场。v于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散
28、电流加大。扩散电流远大于漂移电流，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。可忽略漂移电流的影响。vPN结呈现低阻性，有较大的正偏电流。结呈现低阻性，有较大的正偏电流。54图图1-10反向偏置的反向偏置的PN结结ERPN耗尽耗尽区区内电场内电场UB+U- -+ +U+二、二、P结加反向电压结加反向电压55PN结加反向电压结加反向电压v外加的反向电压大部分降落在外加的反向电压大部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。结内电场方向相同，加强了内电场。v内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此
29、时减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。vPN结呈现结呈现高阻性高阻性。v在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度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，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本是一定的，故少子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，这个电流也称为上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反反向饱和电流向饱和电流。 56PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；大的正向扩散电流；PN结加反向电
30、压时，呈现结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。高电阻，具有很小的反向漂移电流。结论：结论：PN结具有单向导电性结具有单向导电性。57三、三、PN结电流方程结电流方程图图1-11PN结的伏安特性结的伏安特性当当T=300K(室温室温)时时,UT=26mV。iu0TT- -U( (BR) )IS为反向饱和电流为反向饱和电流(10-15A)。UT=K T/q,温度电压当量，温度电压当量，58PN结伏安特性结伏安特性由上式由上式v当当u u为正时为正时PN结外加正电压时，流过电流为正电压结外加正电压时，流过电流为正电压的的e指数关系。指数关系。v当当u u为负时为负时PN结外加负电压时
31、流过电流为饱和漏电结外加负电压时流过电流为饱和漏电流流。591-2-5PN结的温度特性结的温度特性一、一、反映在伏安特性上为：反映在伏安特性上为：温度升高，正向温度升高，正向特性向左移，反向特性向下移。特性向左移，反向特性向下移。1.保持正向电流不变时，温保持正向电流不变时，温度每升高度每升高1，结电，结电压减小约压减小约22.5mV，即即u/T-(22.5)mV/2.温度每升高温度每升高10，反向饱和电流，反向饱和电流IS增大一倍。增大一倍。60硅管：硅管：UD(on)=0.7V。锗管：锗管：UD(on)=0.3Viu0TT- -U( (BR) )导通电压导通电压UD(on)UD(on)61
32、1-2-3 PN PN结的击穿特性结的击穿特性 v当对当对PN结结外加反向电压超过一定的限度，外加反向电压超过一定的限度，PN结会从反向截止发展到反向击穿。结会从反向截止发展到反向击穿。v反向击穿破坏了反向击穿破坏了PNPN结的单向导电特性结的单向导电特性。v利用此原理可以制成利用此原理可以制成稳压管稳压管。v U(BR)称为称为PN结的击穿电压。结的击穿电压。v有两种击穿机理：有两种击穿机理：雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿。齐纳击穿。62击穿穿种种类掺杂情情况况耗尽耗尽层宽度度击穿机理穿机理雪崩雪崩击穿穿轻掺杂宽因因为耗尽耗尽层宽，使加速的少子，使加速的少子撞撞击耗尽区的中性原子，耗尽区的中性
33、原子，产生生电子、空穴子、空穴对，反复作用使，反复作用使载流子数目迅速增加流子数目迅速增加齐纳击穿穿重重掺杂窄窄较窄的耗尽区有很窄的耗尽区有很强强的的电场，强强电场使耗尽区的价使耗尽区的价电子被直子被直接拉出共价接拉出共价键，产生生电子、空子、空穴穴对。雪崩击穿和齐纳击穿的雪崩击穿和齐纳击穿的比较比较63问题：问题：为什么轻掺杂的为什么轻掺杂的PN结不易出现齐纳击穿结不易出现齐纳击穿？相反重掺杂为什么不易出现雪崩击穿？相反重掺杂为什么不易出现雪崩击穿？答：答：因为轻掺杂的耗尽层宽，正负离子分布稀因为轻掺杂的耗尽层宽，正负离子分布稀疏，电场强度不够强，不足以拉出价电子。而疏，电场强度不够强，不足
34、以拉出价电子。而重掺杂的耗尽层窄使少子的加速时间短，少子重掺杂的耗尽层窄使少子的加速时间短，少子的动能不足以撞击中性原子，产生电子空穴对。的动能不足以撞击中性原子，产生电子空穴对。64一般来说，对硅材料的一般来说，对硅材料的PN结，结，UBR7V时为雪崩击穿；时为雪崩击穿；UBR5V时为时为齐纳击穿；齐纳击穿；UBR介于介于57V时，两种击穿都有。时，两种击穿都有。65击穿的可逆性击穿的可逆性v电击穿是电击穿是可逆的可逆的（可恢复，当有限流电阻时）（可恢复，当有限流电阻时）。v电击穿后如无限流措施，将发生热击穿电击穿后如无限流措施，将发生热击穿现象。现象。v热击穿会破坏热击穿会破坏PNPN结结
35、构（烧坏）结结构（烧坏）v热击穿是热击穿是 不可逆不可逆 的。的。661-2-4PN结的电容特性结的电容特性PN结的耗尽区与平板电容器相似，外加电压变结的耗尽区与平板电容器相似，外加电压变化，耗尽区的宽度变化，则耗尽区中的正负离子化，耗尽区的宽度变化，则耗尽区中的正负离子数目变化，即存储的电荷量变化。数目变化，即存储的电荷量变化。一、一、势垒电容势垒电容CT67多子扩散多子扩散在对方区形成非平衡少子的浓度分布在对方区形成非平衡少子的浓度分布曲线曲线偏置电压变化偏置电压变化分布曲线变化分布曲线变化非平衡少非平衡少子变化子变化电荷变化。电荷变化。二、扩散电容二、扩散电容CD68图图112P区少子浓
36、度分布曲线区少子浓度分布曲线69结电容结电容Cj=CT+CD结结论论因为因为CT和和CD并不大，所以在高频工作时，才考并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。虑它们的影响。正偏时以扩散电容正偏时以扩散电容CD为主，为主，CjCD，其值通常为几十至几百其值通常为几十至几百pF；反偏时以势垒电容反偏时以势垒电容CT为主，为主，CjCT,其值通常为几至几十其值通常为几至几十pF。（。（如：如：变容二极变容二极管管）701-3晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路PN结加上电极引线和管壳就形成晶体二极管。结加上电极引线和管壳就形成晶体二极管。图图1-13晶体二极管结构示意图及电路符号晶体二极
37、管结构示意图及电路符号P区区N区区正极正极负极负极（a）结构示意图结构示意图（b）电路符号电路符号PN正极正极负极负极711-3-1二极管特性曲线二极管特性曲线二极管特性曲二极管特性曲线与线与PN结基本结基本相同，略有差相同，略有差异。异。图图1-14二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线i/mAu/V( A)0102030-5-10-0.50.5硅硅二二极极管管72一、正向特性一、正向特性硅硅:UD(on)=0.7V；1.导通电压或死区电压导通电压或死区电压2.曲线分段：曲线分段：锗锗:UD(on)=0.3V。3.小功率二极管正常工作的电流范围内小功率二极管正常工作的电流范围内，管压降管压降变
38、化比较小。变化比较小。指数段（小电流时）、直线段（大电流时）。指数段（小电流时）、直线段（大电流时）。一般硅：一般硅：0.60.8V，锗：锗：0.10.3V。73二、反向特性二、反向特性2.小功率二极管的反向电流很小。小功率二极管的反向电流很小。一般硅管一般硅管0.1 A，锗管锗管几十微安。几十微安。1.反向电压加大时，反向电流也略有增大。反向电压加大时，反向电流也略有增大。74直流电阻和交流电阻直流电阻和交流电阻v直流电阻直流电阻RD是是二二极极管管所所加加直直流流电电压压UD与与所所流流过过直直流流电电流流ID之之比比。其其几几何何意意义义是是曲曲线线Q点点到到原点直线斜率的倒数。原点直线
39、斜率的倒数。v交流电阻交流电阻rD是是其其工工作作状状态态(ID,UD)处处电电压压改改变变量量与与电电流流改改变变量量之之比比。几几何何意意义义是是曲曲线线Q点点处切线斜率的倒数。处切线斜率的倒数。751-3-2二极管的主要参数二极管的主要参数一、直流电阻一、直流电阻图图1-15二极管电阻的几何意义二极管电阻的几何意义IDUDQ1RD=UD/IDRD的的几何意义几何意义：iu0Q2(a)直流电阻直流电阻RDQ点到原点直线斜率的倒数。点到原点直线斜率的倒数。RD不是恒定的，正向的不是恒定的，正向的RD随工随工作电流增大而减小，反向的作电流增大而减小，反向的RD随反向电压的增大而增大。随反向电压
40、的增大而增大。761.正向电阻：几百欧姆；正向电阻：几百欧姆；反向电阻：几百千欧姆；反向电阻：几百千欧姆；2.Q点不同，测出的电阻也不同；点不同，测出的电阻也不同；结结论论因此，因此，PN结具有单向导电特性。结具有单向导电特性。77二二、交流电阻、交流电阻二极管在其工作状态二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)下的电压微变下的电压微变量与电流微变量之比。量与电流微变量之比。iu0Q i u(b)交流电阻交流电阻rDrD 的的几何意义几何意义:Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。点处切线斜率的倒数。78与与IDQ成反比，并与温度有关。成反比，并与温度有关。79例：例：已知已知D为为Si二极管，
41、流过二极管，流过D的直流电流的直流电流ID=10mA，交流电压交流电压 U=10mV，求室温下流过求室温下流过D的交流电流的交流电流 I=?10VDR0.93K UID解：交流电阻解：交流电阻交流电流为：交流电流为：80三、最大整流电流三、最大整流电流IF四四、最大反向工作电压最大反向工作电压URM五五、反向电流反向电流IR允许通过的最大正向平均电流。允许通过的最大正向平均电流。通常取通常取U(BR)的一半，超过的一半，超过U(BR)容易发生反容易发生反向击穿。向击穿。未击穿时的反向电流。未击穿时的反向电流。IR越小，单向导电性越小，单向导电性能越好能越好。81六六、最高工作频率最高工作频率f
42、 M需要指出，手册中给出的一般为典型值，需需要指出，手册中给出的一般为典型值，需要时应通过实际测量得到准确值。要时应通过实际测量得到准确值。工作频率超过工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能时，二极管的单向导电性能变坏。变坏。821-3-3晶体二极管模型晶体二极管模型由于二极管的非线性特性，当电路加入二极由于二极管的非线性特性，当电路加入二极管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二极管的应用条件作合理近似，得到相应的等效电极管的应用条件作合理近似，得到相应的等效电路，化为线性电路路，化为线性电路非非线性线性近似近似线性线性83v对对电电子子线线路路
43、进进行行分分析析(定定量量分分析析)时时,电电路路中中的的实实际际器器件件必必须须用用相相应应的的电电路路模模型型来来等效表示，这称为：等效表示，这称为：“建模建模”。v计算机辅助分析计算要使用管子的模型。计算机辅助分析计算要使用管子的模型。一、一、二极管的大信号等效电路二极管的大信号等效电路84图图1-16二极管特性的折线近似及电路模型二极管特性的折线近似及电路模型硅硅管：管：UD(on).7V锗管：锗管：UD(on).3ViA1uBUD(on)C0（a)折线近似特性折线近似特性UUD(on)U UD(on)12UD(on)rD(on)（b)近似电路模型近似电路模型85图图1-16二极管特性
44、的折线近似及电路模型二极管特性的折线近似及电路模型iAuBUD(on)C0（a)折线近似特性折线近似特性UUD(on)U UD(on)12UD(on)（c)简化电路模型简化电路模型86图图1-16二极管特性的折线近似及电路模型二极管特性的折线近似及电路模型iA2uB0C0（a)折线近似特性折线近似特性U0U 012（d)理想电路模型理想电路模型87二极管大信号模型二极管大信号模型v以以上上三三种种电电路路模模型型(近近似似、简简化化、理理想想)均为二极管线形化模型。均为二极管线形化模型。v对不同电路模型可在不同需求时采用。对不同电路模型可在不同需求时采用。88一、二极管整流电路一、二极管整流电
45、路v把交流电转变为直流电称为把交流电转变为直流电称为“整流整流”。v反之称为反之称为“逆变逆变”。整流整流交流电交流电直流电直流电逆变逆变1-3-4二极管基本应用电路二极管基本应用电路89图图1-11-17 7 二极管半波整流电路及波形二极管半波整流电路及波形t tu ui i0 0 u uo ot t0 0(b)(b)输入、输出波形关系输入、输出波形关系V VR RL Lu ui iu uo o( (a)a)电路电路 二极管二极管近似为理想模型近似为理想模型 思考：思考：二极管二极管近似为简化模型的电路输出？近似为简化模型的电路输出？90u ui it t0 010V0.7V91二、二极管限
46、幅电路二、二极管限幅电路v又称为：又称为：“削波电路削波电路”。v能能够够把把输输入入电电压压变变化化范范围围加加以以限限制制，常常用于波形变换和整形。用于波形变换和整形。92图图1-1-20 20 二极管上限幅电路及波形二极管上限幅电路及波形 (b)(b) 输入、输出波形关系输入、输出波形关系t t0 0 u uo o/V/V2.72.7-5-5t t u ui i/V/V0 0-5-55 5( (a)a)电路电路E E2 2V VV VR Ru ui iu uo o 二极管二极管近似为简化模型近似为简化模型93判别原则：判别原则：ui-E UD(ON)时,V导通，否则截止。导通，否则截止。
47、 当当当当ui2.7V,V导通导通，uo=E+0.7=2.7V当当ui2.7V时时,V截止截止，即开路即开路，uo=ui。即：即：即：即：94三、二极管电平选择电路三、二极管电平选择电路v能能够够从从多多路路输输入入信信号号中中选选出出最最低低电电平平或或最高电平的电路称为电平选择电路。最高电平的电路称为电平选择电路。95输入数字量时为与逻辑。输入数字量时为与逻辑。5V961.稳压二极管的正向特性、反向特性与普通二极稳压二极管的正向特性、反向特性与普通二极管基本相同，区别仅在于反向击穿时，特性曲线管基本相同，区别仅在于反向击穿时，特性曲线更加陡峭更加陡峭。2.稳压管在反向击穿后，能通过调节自身
48、电流，稳压管在反向击穿后，能通过调节自身电流，实现稳定电压的功能。实现稳定电压的功能。电压几乎不变，为电压几乎不变，为-UZ。即当即当一、稳压二极管的特性一、稳压二极管的特性1-3-5稳压二极管及稳压电路稳压二极管及稳压电路97图图1-21稳压稳压二极管及其特性曲线二极管及其特性曲线(a) 电路符号i/mAu/VIZmax0-UZIZmin(b) 伏安特性曲线98二、稳压二极管主要参数二、稳压二极管主要参数v稳压电压稳压电压UZv额定功耗额定功耗Pzv稳定电流稳定电流Izv动态电阻动态电阻rzv温度系数温度系数 99稳压电压稳压电压UZv指管子长期稳定时的工作电压值。指管子长期稳定时的工作电压
49、值。100额定功耗额定功耗Pzv与材料、结构、工艺有关。与材料、结构、工艺有关。v使用时不允许超过此值。使用时不允许超过此值。101稳定电流稳定电流Izv稳压二极管正常工作时的参考电流。稳压二极管正常工作时的参考电流。vIZminIZIZmax,如如果果电电流流小小于于IZmin时时，不不能能稳压，大于稳压，大于IZmax时，容易烧坏管子。时，容易烧坏管子。102动态电阻动态电阻rzv是是在在击击穿穿状状态态下下,管管子子两两端端电电压压变变化化量量与与电电流流变化量的比值。变化量的比值。v反反映映在在特特性性曲曲线线上上，是是工工作作点点出出切切线线斜斜率率的的倒数。倒数。v一般为几欧姆到几
50、十欧姆（越小越好）。一般为几欧姆到几十欧姆（越小越好）。103温度系数温度系数 v指管子稳定电压受温度影响的程度。指管子稳定电压受温度影响的程度。v7V是正温系数是正温系数(雪崩击穿雪崩击穿)；v5V是负温系数是负温系数(齐纳击穿齐纳击穿)；v57V温度系数最小。温度系数最小。104所谓稳压指当所谓稳压指当Ui、RL变化时，变化时，UO保持恒定。保持恒定。图图1-22稳压稳压二极管稳压电路二极管稳压电路RILIZVZRLUiUo三、稳压三、稳压二极管稳压电路二极管稳压电路稳压原理稳压原理：若若Ui不变，不变，RLIzILUO基本不变；基本不变；若若RL不变，不变，UiIzURUO基本不变基本不
51、变105限流电阻限流电阻R的选择：的选择：选择选择R的限制条件：当的限制条件：当Ui、RL变化时，变化时，Iz应满应满足足IzminIzIzmax设外界条件为设外界条件为:UiminUiUimax；RLminRLRLmax图图1-22稳压稳压二极管稳压电路二极管稳压电路RILIZVZRLUiUo106图图1-22稳压稳压二极管稳压电路二极管稳压电路RILIZVZRLUiUo分析过程：分析过程：根据电路：根据电路：Iz何时取最大值？何时取最大值？ui=Uimax，RL=RLmax107图图1-22稳压稳压二极管稳压电路二极管稳压电路RILIZVZRLUiUo108图图1-22稳压稳压二极管稳压电
52、路二极管稳压电路RILIZVZRLUiUoIz何时取最小值？何时取最小值？ui=Uimin，RL=RLmin109RminRRmax因此，可得限流电阻的取值范围是：因此，可得限流电阻的取值范围是：图图1-22稳压稳压二极管稳压电路二极管稳压电路RILIZVZRLUiUo1101-4习题讲解习题讲解V2导通，导通，V1截止，截止，UO5V。二极管等效为理想模型二极管等效为理想模型V1导通，导通，V2截止，截止，UO=0V。V1导通，导通，V2导通导通UO=1.98V。1111-7在图在图P1-7所示的电路中，设二极管为理想二所示的电路中，设二极管为理想二极管。当输入电压极管。当输入电压ui由由0
53、逐渐增加到逐渐增加到10V时，试画时，试画出输出电压出输出电压ui与与uO的关系曲线。的关系曲线。1121131-10稳压二极管电路如图稳压二极管电路如图P1-10所示，已知稳压所示，已知稳压管的管的UZ=6V，限流电阻，限流电阻R=100。(1)当当RL=200时，稳压管的时，稳压管的IZ=?UO=?(2)当当RL=50时，稳压管的时，稳压管的IZ=?UO=?114解：解：（1）（2）115作作业业1-11-5（设（设V为理想二极管）为理想二极管）1-6（设（设UD1(on)=UD2(on)=0.7V）1-71-12116小小结结2.PN结是现代半导体器件的基础。它具有单向导结是现代半导体器
54、件的基础。它具有单向导电性、击穿特性和电容特性。电性、击穿特性和电容特性。1.N型半导体中，电子是多子，空穴是少子；型半导体中，电子是多子，空穴是少子；P型型半导体中，空穴是多子，电子是少子；多子浓度由掺杂浓半导体中，空穴是多子，电子是少子；多子浓度由掺杂浓度决定，少子浓度很小且随温度的变化而变化。度决定，少子浓度很小且随温度的变化而变化。3.半导体二极管由一个半导体二极管由一个PN结构成，大信号应用时结构成，大信号应用时表现为开关特性。表现为开关特性。4.利用利用PN结的击穿特性可制作稳压二极管。用稳压结的击穿特性可制作稳压二极管。用稳压二极管构成稳压电路时，首先应保证稳压管反向击穿，另二极管构成稳压电路时，首先应保证稳压管反向击穿，另外必须串接限流电阻。外必须串接限流电阻。117
