模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)主講：xxx第一講模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)主講：xxx第一講1緒論1.電子技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2.電子技術(shù)的應(yīng)用范圍3.本課程與其它專業(yè)課的關(guān)系4.電子技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)特點(diǎn)緒論1.電子技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2.電子技術(shù)的應(yīng)用范圍3.2參考書：《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第四版）：清華大學(xué)童詩白、華成英主編2.《電子技術(shù)基礎(chǔ)》（模擬部分第四版）：華中理工大學(xué)康華光主編參考書：《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第四版）：2.《電子技術(shù)基31.1半導(dǎo)體的基本知識1.2PN結(jié)1.3半導(dǎo)體二極管第一章晶體二極管1.1半導(dǎo)體的基本知識第一章晶體二極管41.1半導(dǎo)體的基本知識1.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1.3半導(dǎo)體的溫度特性

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。1.1半導(dǎo)體的基本知識1.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性1.51.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性

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(dá)到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。1.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性本征半導(dǎo)體——化學(xué)成6

(1）本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見圖01.01。

圖01.01硅原子空間排列及共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)(1）本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺是四7

（2）電子空穴對

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有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。

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。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。（2）電子空穴對當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時8

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01.02所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達(dá)到動態(tài)平衡。

圖01.02本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動畫1-1）可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成9

(3)空穴的移動

自由電子的定向運(yùn)動形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運(yùn)動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的，因此，空穴的導(dǎo)電能力不如自由電子（見圖01.03的動畫演示）。（動畫1-2）圖01.03空穴在晶格中的移動(3)空穴的移動自由電子的定向運(yùn)動形成101.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體在11

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成

N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。

因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,

由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.04所示。圖01.04N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖(1）N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價12(2)P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價雜質(zhì)原子與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.05所示。圖01.05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖

圖01.05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖(2)P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)131.1.3雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm31.1.3雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響摻入14雜質(zhì)半導(dǎo)體簡化模型雜質(zhì)半導(dǎo)體簡化模型151.2PN結(jié)1.2.1PN結(jié)的形成1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)1.2PN結(jié)1.2.1PN結(jié)的形成1.2.2P161.2.1

PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)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(kuò)散1.2.1PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體17

最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為

PN結(jié),在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

圖01.06PN結(jié)的形成過程

（動畫1-3）

PN結(jié)形成的過程可參閱圖01.06。最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。對于181.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

如果外加電壓使PN結(jié)中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕敉饧与妷菏闺娏鲝腜區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。

1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀绻饧与妷菏筆N結(jié)中19

(1)PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況如圖01.07（動畫1-4）圖01.07PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況(1)PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況外加的正向電20

(2)PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況

外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。

在一定溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況如圖01.08所示。圖01.08PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況(2)PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況21

PN結(jié)外加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

（動畫1-5）圖01.08PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況PN結(jié)外加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散221.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）abc4.在外加電壓的作用下，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）ba思考題：1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與2.231.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。

一是勢壘電容CB

二是擴(kuò)散電容CD1.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)具有一24

(1)勢壘電容CB

勢壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖見圖01.09。圖01.09勢壘電容示意圖(1)勢壘電容CB勢壘電容是由空間電25

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。(2)擴(kuò)散電容CD

反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如圖01.10所示。擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面26

圖01.10擴(kuò)散電容示意圖

當(dāng)外加正向電壓不同時，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不相同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。圖01.10擴(kuò)散電容示意圖當(dāng)外加正向電27半導(dǎo)體元件及其特性1-1半導(dǎo)體二極管1-2半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體元件及其特性1-1半導(dǎo)體二極管1-2半導(dǎo)281-1半導(dǎo)體二極管1．PN結(jié)的形成在半導(dǎo)體材料(硅、鍺)中摻入不同雜質(zhì)可以分別形成N型和P型兩種半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體主要依靠自由電子導(dǎo)電，稱自由電子為多數(shù)載流子，而空穴數(shù)量遠(yuǎn)少于電子數(shù)量，稱空穴為少數(shù)載流子。P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，稱空穴為多數(shù)載流子，而自由電子遠(yuǎn)少于空穴的數(shù)量，稱自由電子為少數(shù)載流子。PN結(jié)的形成與特性1-1半導(dǎo)體二極管1．PN結(jié)的形成PN結(jié)的形成與特性29

當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸以后，由于交界兩側(cè)半導(dǎo)體類型不同，存在電子和空穴的濃度差。這樣，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散,如圖1.1.1(a)所示。由于擴(kuò)散運(yùn)動，在P區(qū)和N區(qū)的接觸面就產(chǎn)生正負(fù)離子層。N區(qū)失掉電子產(chǎn)生正離子，P區(qū)得到電子產(chǎn)生負(fù)離子。通常稱這個正負(fù)離子層為PN結(jié)。在ＰＮ結(jié)的Ｐ區(qū)一側(cè)帶負(fù)電，Ｎ區(qū)一側(cè)帶正電。ＰＮ結(jié)便產(chǎn)生了內(nèi)電場，內(nèi)電場的方向從Ｎ區(qū)指向Ｐ區(qū)。內(nèi)電場對擴(kuò)散運(yùn)動起到阻礙作用，電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動隨著內(nèi)電場的加強(qiáng)而逐步減弱，直至停止。在界面處形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)。當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸以后，由于交界兩30模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件312.PN結(jié)的特性1）正向?qū)ńoPN結(jié)加正向電壓，即P區(qū)接正電源，N區(qū)接負(fù)電源，此時稱PN結(jié)為正向偏置。這時PN結(jié)外加電場與內(nèi)電場方向相反，當(dāng)外電場大于內(nèi)電場時，外加電場抵消內(nèi)電場，使空間電荷區(qū)變窄，有利于多數(shù)載流子運(yùn)動，形成正向電流。外加電場越強(qiáng)，正向電流越大，這意味著PN結(jié)的正向電阻變小。2.PN結(jié)的特性32正向?qū)ǚ聪蚪刂拐驅(qū)ǚ聪蚪刂?32）反向截止給PN結(jié)加反向電壓，稱PN結(jié)反向偏置，如圖所示。這時外加電場與內(nèi)電場方向相同，使內(nèi)電場的作用增強(qiáng),PN結(jié)變厚，多數(shù)載流子運(yùn)動難于進(jìn)行，有助于少數(shù)載流子運(yùn)動，形成電流IR，少數(shù)載流子很少，所以電流很小，接近于零，即PN結(jié)反向電阻很大。2）反向截止34綜上所述，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，加正向電壓時，PN結(jié)電阻很小，電流IR較大，是多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動形成的；加反向電壓時，PN結(jié)電阻很大，電流IR很小，是少數(shù)載流子運(yùn)動形成的。綜上所述，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕诱螂妷簳r35接在二極管P區(qū)的引出線稱二極管的陽極，接在N區(qū)的引出線稱二極管的陰極。二極管有許多類型。從工藝上分，有點(diǎn)接觸型和面接觸型；按用途分，有整流管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管和開關(guān)二極管等。二極管的結(jié)構(gòu)和類型接在二極管P區(qū)的引出線稱二極管的陽極，接在36模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件371．二極管伏安特性理論分析指出，半導(dǎo)體二極管電流I與端電壓U之間的關(guān)系可表示為I=IS(-1)此式稱為理想二極管電流方程。式中，IS稱為反向飽和電流，UT稱為溫度的電壓當(dāng)量，常溫下UT≈26mV。實(shí)際的二極管伏安特性曲線如圖所示。圖中，實(shí)線對應(yīng)硅材料二極管，虛線對應(yīng)鍺材料二極管。二極管的特性及參數(shù)1．二極管伏安特性二極管的特性及參數(shù)38模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件391）正向特性當(dāng)二極管承受正向電壓小于某一數(shù)值時，還不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子運(yùn)動的阻擋作用，這一區(qū)段二極管正向電流IF很小，稱為死區(qū)。死區(qū)電壓的大小與二極管的材料有關(guān)，并受環(huán)境溫度影響。通常，硅材料二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺材料二極管的死區(qū)電壓約為0.2V。當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓值時，外電場抵消了內(nèi)電場，正向電流隨外加電壓的增加而明顯增大，二極管正向電阻變得很小。當(dāng)二極管完全導(dǎo)通后，正向壓降基本維持不變，稱為二極管正向?qū)▔航礥F。一般硅管的UF為0.7V，鍺管的UF為0.3V。1）正向特性402）反向特性當(dāng)二極管承受反向電壓時，外電場與內(nèi)電場方向一致，只有少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動，形成的漏電流IR極小，一般硅管的IR為幾微安以下，鍺管IR較大，為幾十到幾百微安。這時二極管反向截止。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值時，反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現(xiàn)象稱二極管反向擊穿。擊穿時對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓。普通二極管發(fā)生反向擊穿后，造成二極管的永久性損壞，失去單向?qū)щ娦浴?）反向特性412．二極管的主要參數(shù)二極管參數(shù)是反映二極管性能質(zhì)量的指標(biāo)。必須根據(jù)二極管的參數(shù)來合理選用二極管。二極管的主要參數(shù)有4項(xiàng)。1）最大整流電流IFMIFM是指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流值。工作時，管子通過的電流不應(yīng)超過這個數(shù)值，否則將導(dǎo)致管子過熱而損壞。2．二極管的主要參數(shù)422）最高反向工作電壓URMURM是指二極管不擊穿所允許加的最高反向電壓。超過此值二極管就有被反向擊穿的危險。URM通常為反向擊穿電壓的1/2~2/3，以確保二極管安全工作。3）最大反向電流IRMIRM是指二極管在常溫下承受最高反向工作電壓URM時的反向漏電流，一般很小，但其受溫度影響較大。當(dāng)溫度升高時，IRM顯著增大。2）最高反向工作電壓URM434）最高工作頻率fMfM是指保持二極管單向?qū)ㄐ阅軙r，外加電壓允許的最高頻率。二極管工作頻率與PN結(jié)的極間電容大小有關(guān)，容量越小，工作頻率越高。4）最高工作頻率fM44

二極管是電子電路中最常用的半導(dǎo)體器件。利用其單向?qū)щ娦约皩?dǎo)通時正向壓降很小的特點(diǎn)，可用來進(jìn)行整流、檢波、鉗位、限幅、開關(guān)以及元件保護(hù)等各項(xiàng)工作。

1．整流所謂整流,就是將交流電變?yōu)閱畏较蛎}動的直流電。利用二極管的單向?qū)щ娦钥山M成單相、三相等各種形式的整流電路。

2．鉗位利用二極管正向?qū)〞r壓降很小的特性，可組成鉗位電路。半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用二極管是電子電路中最常用的半導(dǎo)體器件。利用其單45若A點(diǎn)UA=0，二極管VD可正向?qū)?，其壓降很小，故F點(diǎn)的電位也被鉗制在0V左右，即UF≈0。若A點(diǎn)UA=0，二極管VD可正向?qū)?，其壓?63．限幅利用二極管正向?qū)ê笃鋬啥穗妷汉苄∏一静蛔兊奶匦?，可以?gòu)成各種限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值以內(nèi)。3．限幅47模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件48

設(shè)輸入電壓ui=10sinωt(V),Us1=Us2=5V。當(dāng)-Us2<ui<Us1時，VD1、VD2都處于反向偏置而截止，因此i=0,uo=ui。當(dāng)ui>Us1時，VD1處于正向偏置而導(dǎo)通，使輸出電壓保持在Us1。當(dāng)ui<-Us1時，VD2處于正向偏置而導(dǎo)通，輸出電壓保持在-Us2。由于輸出電壓uo被限制在+Us1與-Us2之間，即|uo|≤5V,好像將輸入信號的高峰和低谷部分削掉一樣,因此這種電路又稱為削波電路。設(shè)輸入電壓ui=10sinωt(V)494．元件保護(hù)在電子線路中，常用二極管來保護(hù)其他元器件免受過高電壓的損害。4．元件保護(hù)50在開關(guān)S接通時，電源E給線圈供電，L中有電流流過，儲存了磁場能量。在開關(guān)S由接通到斷開的瞬時，電流突然中斷，L中將產(chǎn)生一個高于電源電壓很多倍的自感電動勢eL，eL與E疊加作用在開關(guān)S的端子上，在S的端子上產(chǎn)生電火花放電，這將影響設(shè)備的正常工作，使開關(guān)S壽命縮短。接入二極管VD后，eL通過二極管VD產(chǎn)生放電電流i,使L中儲存的能量不經(jīng)過開關(guān)S放掉，從而保護(hù)了開關(guān)S。在開關(guān)S接通時，電源E給線圈供電，L中有電流511.發(fā)光二極管1)發(fā)光二極管的符號及特性是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體器件，簡稱LED。發(fā)光二極管和普通二極管相似，也由一個PN結(jié)組成。發(fā)光二極管在正向?qū)〞r，由于空穴和電子的復(fù)合而發(fā)出能量，發(fā)出一定波長的可見光。光的波長不同，顏色也不同。常見的LED有紅、綠、黃等顏色。發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓低、工作電流小，具有很強(qiáng)的抗振動和抗沖擊能力。由于發(fā)光二極管體積小、可靠性高、耗電省、壽命長，被廣泛用于信號指示等電路中。特種二極管1.發(fā)光二極管特種二極管52模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件532)發(fā)光二極管的應(yīng)用電源通斷指示發(fā)光二極管作為電源通斷指示通常稱為指示燈，在實(shí)際應(yīng)用中給人提供很大的方便。發(fā)光二極管的供電電源既可以是直流的也可以是交流的，但必須注意的是，發(fā)光二極管是一種電流控制器件，應(yīng)用中只要保證發(fā)光二極管的正向工作電流在所規(guī)定的范圍之內(nèi)，它就可以正常發(fā)光。數(shù)碼管是電子技術(shù)中應(yīng)用的主要顯示器件，是用發(fā)光二極管經(jīng)過一定的排列組成的。2)發(fā)光二極管的應(yīng)用54模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件55模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件56這是最常用的七段數(shù)碼顯示。要使它顯示0~9的一系列數(shù)字只要點(diǎn)亮其內(nèi)部相應(yīng)的顯示段即可。七段數(shù)碼顯示有共陽極(b)和共陰極(c)之分。數(shù)碼管的驅(qū)動方式有直流驅(qū)動和脈沖驅(qū)動兩種，應(yīng)用中可任意選擇。數(shù)碼管應(yīng)用十分廣泛，可以說，凡是需要指示或讀數(shù)的場合，都可采用數(shù)碼管顯示。這是最常用的七段數(shù)碼顯示。要使它顯示0~9的572.穩(wěn)壓二極管硅穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管，是一種特殊的二極管，它與電阻配合具有穩(wěn)定電壓的特點(diǎn)。1）穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管正向偏壓時，其特性和普通二極管一樣；反向偏壓時，開始一段和二極管一樣，當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值以后，反向電流突然上升，而且電流在一定范圍內(nèi)增長時，管兩端電壓只有少許增加，變化很小，具有穩(wěn)壓性能。這種“反向擊穿”是可恢復(fù)的，只要外電路限流電阻保障電流在限定范圍內(nèi)，就不致引起熱擊穿而損壞穩(wěn)壓管。2.穩(wěn)壓二極管1）穩(wěn)壓管的伏安特性58模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件592）穩(wěn)壓管的主要參數(shù)a.穩(wěn)定電壓值UVDZ:穩(wěn)壓管在正常工作時管子的端電壓,一般為3~25V，高的可達(dá)200V。b.穩(wěn)定電流IVDZ:穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流。開始穩(wěn)壓時對應(yīng)的電流最小，為最小穩(wěn)壓電流IVDZmin；對應(yīng)額定功耗時的穩(wěn)壓電流為最大穩(wěn)壓電流IVDZmax。c.動態(tài)電阻rVDZ:穩(wěn)壓管端電壓的變化量ΔUVDZ與對應(yīng)電流變化量ΔIVDZ之比，即2）穩(wěn)壓管的主要參數(shù)60d.穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù):當(dāng)溫度變化1℃時穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UVDZ的相對變化量。e.穩(wěn)壓管額定功耗PVDZM:保證穩(wěn)壓管安全工作所允許的最大功耗。其大小為PVDZM=UVDZIVDZmax

d.穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù):當(dāng)溫度變化1℃時613）穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用UI是不穩(wěn)定的可變直流電壓，希望得到穩(wěn)定的電壓UO，故在兩者之間加穩(wěn)壓電路。它由限流電阻R和穩(wěn)壓管VDZ構(gòu)成，RL是負(fù)載電阻。3）穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用621-2半導(dǎo)體三極管三極管是由兩個PN結(jié)、3個雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)域組成的，因雜質(zhì)半導(dǎo)體有P、N型兩種，所以三極管的組成形式有NPN型和PNP型兩種。1.三極管的結(jié)構(gòu)及類型不管是NPN型還是PNP型三極管，都有三個區(qū)：基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū)，以及分別從這三個區(qū)引出的電極：發(fā)射極e、基極b和集電極c;兩個PN結(jié)分別為發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間的發(fā)射結(jié)和集電區(qū)與基區(qū)之間的集電結(jié)。三極管的結(jié)構(gòu)及類型1-2半導(dǎo)體三極管三極管是由兩個PN結(jié)63模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件64三極管基區(qū)很薄，一般僅有1微米至幾十微米厚，發(fā)射區(qū)濃度很高，集電結(jié)截面積大于發(fā)射結(jié)截面積。使用中要注意電源的極性，確保發(fā)射結(jié)永遠(yuǎn)加正向偏置電壓，三極管才能正常工作。三極管根據(jù)基片的材料不同，分為鍺管和硅管兩大類，目前國內(nèi)生產(chǎn)的硅管多為NPN型（3D系列），鍺管多為PNP型（3A系列）；從頻率特性分，可分為高頻管和低頻管；從功率大小分，可分為大功率管、中功率管和小功率管。三極管基區(qū)很薄，一般僅有1微米至幾十微米厚，65模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件662.三極管電流分配和放大作用實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：IE=IC+IB

IC≈IE三個電流之間的關(guān)系符合基爾霍夫電流定律，IB雖然很小，但對IC有控制作用，IC隨IB改變而改變。β稱為三極管的電流放大系數(shù)，它反映三極管的電流放大能力，也可以說電流IB對IC的控制能力。2.三極管電流分配和放大作用671)三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動規(guī)律三極管電流之間為什么具有這樣的關(guān)系呢？這可以通過在三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動規(guī)律來解釋。a.發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子。電源UBB經(jīng)過電阻Rb加在發(fā)射結(jié)上，發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子——自由電子不斷地越過發(fā)射結(jié)而進(jìn)入基區(qū)，形成發(fā)射極電流IE。同時，基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，但由于基區(qū)很薄，可以不考慮這個電流。因此，可以認(rèn)為三極管發(fā)射結(jié)電流主要是電子流。1)三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動規(guī)律68模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件69b.基區(qū)中的電子進(jìn)行擴(kuò)散與復(fù)合。電子進(jìn)入基區(qū)后，先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴(kuò)散，被集電結(jié)電場拉入集電區(qū)，形成集電結(jié)電流IC。也有很小一部分電子與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成復(fù)合電子流。擴(kuò)散的電子流與復(fù)合電子流的比例決定了三極管的放大能力。b.基區(qū)中的電子進(jìn)行擴(kuò)散與復(fù)合。70c.集電區(qū)收集電子。由于集電結(jié)外加反向電壓很大，這個反向電壓產(chǎn)生的電場力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴(kuò)散，同時將擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)而形成集電結(jié)主電流ICN。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子——空穴也會產(chǎn)生漂移運(yùn)動，流向基區(qū)，形成反向飽和電流ICBO，其數(shù)值很小，但對溫度卻非常敏感。c.集電區(qū)收集電子。712）三極管的電流分配關(guān)系綜合載流子的運(yùn)動規(guī)律，三極管內(nèi)的電流分配如圖所示，圖中的箭頭表示電流方向。由于三極管基區(qū)的雜質(zhì)濃度很低，且厚度很薄，這就減小了電子和空穴復(fù)合的機(jī)會，所以從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子只有很小一部分在基區(qū)復(fù)合掉，絕大部分到達(dá)集電區(qū)。這就是說構(gòu)成發(fā)射極電流IE的兩部分中，IBE部分是很小的，ICE部分所占百分比是大的，若它們的比值用hFE本表示，則有2）三極管的電流分配關(guān)系72模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件73hFE本表示三極管的電流放大能力，稱為本征電流放大系數(shù)。它的大小取決于基區(qū)中載流子擴(kuò)散與復(fù)合的比例關(guān)系，這種比例關(guān)系是由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，一旦管子制成后，這種比例關(guān)系（hFE本值）也就確定了。各極電流滿足下列分配關(guān)系：IB=IBE-ICBOIC=ICE+ICBOhFE本表示三極管的電流放大能力，稱為本征74=hFE本IBE+ICBO=hFE本(IB+ICBO)+ＩCBO

=hFE本IB+(1+hFE本)ICBO=hFE本IB+ICEOICEO=(1+hFE本)ICBOIE=ICE+IBE=(IC-ICBO)+(IB+ICBO)=IC+IB=hFE本IBE+ICBO75由三極管內(nèi)部的載流子運(yùn)動規(guī)律可知，集電極電流IC主要來源于發(fā)射極電流IE，而同集電極外電路幾乎無關(guān)，只要加到集電結(jié)上的反向電壓能夠把從基區(qū)擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子吸引到集電區(qū)即可。這就是三極管的電流控制作用。三極管能實(shí)現(xiàn)放大作用也是以此為基礎(chǔ)的，這也是三極同二極管一個質(zhì)的區(qū)別所在。IE的大小是由發(fā)射結(jié)上的外加正向電壓UBE的大小決定的，UBE的變化將引起IE的變化，IE的變化再引起IB和IC的變化，所以，實(shí)質(zhì)上是發(fā)射結(jié)上的正向電壓UBE對各極電流有控制作用。由三極管內(nèi)部的載流子運(yùn)動規(guī)律可知，集電極電流76UBE變化能引起IC變化的現(xiàn)象，本應(yīng)理解為電壓控制，但二者的關(guān)系是非線性的，表達(dá)起來很不方便，當(dāng)ICBO（或ICEO）可忽略時，則有IC≈hFE本IB，表明IC同IB（或IE）有一個比例關(guān)系，使用起來很方便，所以通常說IC受IB（或IE）控制，或者說，IC隨IB（或IE）成正比變化。這里還需指出，三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是它具有電流控制作用的內(nèi)部依據(jù)，而發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置是它實(shí)現(xiàn)電流控制作用的外部條件。這是因?yàn)镮C受IB（或IE）控制，是在滿足上述外部條件下實(shí)現(xiàn)的，因此，三極管在作放大運(yùn)用時的直流供電必須滿足這個外部條件。

UBE變化能引起IC變化的現(xiàn)象，本應(yīng)理解為電773）放大作用在基極回路（b、e間）加入一個待放大的信號電壓us;在集電極回路（c、e間）串入一個負(fù)載電阻RL，RL兩端電壓變量為Δuo。基極接信號稱輸入端，集電極接負(fù)載，稱之為輸出端，發(fā)射極既接信號又接負(fù)載，稱之為公共端。這種連接方式稱為共發(fā)射極接法。3）放大作用78模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件79

1.共射輸入特性1)當(dāng)UCE=0時的輸入特性（圖中曲線①）當(dāng)UCE=0時，相當(dāng)于集電極和發(fā)射極間短路，三極管等效成兩個二極管并聯(lián)，其特性類似于二極管的正向特性。三極管的特性曲線1.共射輸入特性三極管的特性曲線80模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件81模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件822)當(dāng)UCE≥1V時的輸入特性（圖中曲線②）當(dāng)UCE≥1V時，輸入特性曲線右移（相對于UCE=0時的曲線），表明對應(yīng)同一個UBE值，IB減小了，或者說，要保持IB不變，UBE需增加。這是因?yàn)榧娊Y(jié)加反向電壓，使得擴(kuò)散到基區(qū)的載流子絕大部分被集電結(jié)吸引過去而形成集電極電流IC,只有少部分在基區(qū)復(fù)合，形成基極電流IB,所以IB減小而使曲線右移。對應(yīng)輸入特性曲線某點(diǎn)（例如圖1.2.8的Q點(diǎn)）切線斜率的倒數(shù)，稱為三極管共射極接法（Q點(diǎn)處）的交流輸入電阻，記作rbe,即2)當(dāng)UCE≥1V時的輸入特性（圖中曲83842.輸出特性曲線輸出特性曲線是指當(dāng)三極管基極電流IB為常數(shù)時，集電極電流IC與集電極、發(fā)射極間電壓UCE之間的關(guān)系，即：IC=f(UCE)|IB=常數(shù)輸出特性曲線如圖所示。2.輸出特性曲線85模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件861）截止區(qū)2）放大區(qū)a.對應(yīng)同一個IB值，|UCE|增加時，IC基本不變（曲線基本與橫軸平行）。b.對應(yīng)同一個UCE值，IB增加，IC顯著增加，并且IC的變量ΔIC與IB的變量ΔIB基本為正比關(guān)系（曲線簇等間距）。3）飽和區(qū)1）截止區(qū)87

1.電流放大系數(shù)β動態(tài)（交流）電流放大系數(shù)β：當(dāng)集電極電壓UCE為定值時，集電極電流變化量ΔIC與基極電流變化量ΔIB之比，即靜態(tài)（直流）電流放大系數(shù)：三極管為共發(fā)射極接法，在集電極-發(fā)射極電壓UCE一定的條件下，由基極直流電流IB所引起的集電極直流電流與基極電流之比，稱為共發(fā)射極靜態(tài)（直流）電流放大系數(shù)，記作三極管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)β靜態(tài)（直流）電流放大882.極間反向截止電流１)發(fā)射極開路，集電極－基極反向截止電流ICBO。２)基極開路，集電極－發(fā)射極反向截止電流ICEO是當(dāng)三極管基極開路而集電結(jié)反偏和發(fā)射結(jié)正偏時的集電極電流。2.極間反向截止電流89

3.極限參數(shù)集電極最大允許電流ICM：當(dāng)IC超過一定數(shù)值時β下降，β下降到正常值的2/3時所對應(yīng)的IC值為ICM，當(dāng)IC>ICM時，可導(dǎo)致三極管損壞。反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時，集電極、發(fā)射極之間最大允許電壓為反向擊穿電壓U（BR）CEO，當(dāng)UCE>U（BR）CEO時，三極管的IC、IE劇增，使三極管擊穿。為可靠工作，使用中取3.極限參數(shù)90模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件91復(fù)合三極管是把兩個三極管的管腳適當(dāng)?shù)倪B接起來使之等效為一個三極管，典型結(jié)構(gòu)如圖所示。ic=ic1+ic2=β1ib1+β2ib2=β1ib1+β2(1+β1)ib1≈β1ib1+β2β1ib1=β1ib1（1+β2）≈β1β2ib1復(fù)合三極管復(fù)合三極管是把兩個三極管的管腳適當(dāng)?shù)倪B接起來使之等效為92模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件93即β=說明復(fù)合管的電流放大系數(shù)β近似等于兩個管子電流放大系數(shù)的乘積。同時有ICEO=ICEO2+β2ICEO1表明復(fù)合管具有穿透電流大的缺點(diǎn)。即94第二章基本放大電路§2.1概述§2.2基本共射放大電路的工作原理§2.3放大電路的分析方法§2.4靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定第二章基本放大電路§2.1概述§2.4靜態(tài)工作點(diǎn)的95設(shè)置Q點(diǎn)的原因前一節(jié)知識的回顧Q點(diǎn)設(shè)置的合理性晶體管工作在放大區(qū)晶體管實(shí)現(xiàn)線性放大設(shè)置Q點(diǎn)的原因前一節(jié)知識的回顧Q點(diǎn)設(shè)置的合理性晶體管工作在放96基本共射放大電路的Q點(diǎn)分析靜態(tài)Q點(diǎn)通過晶體管的動態(tài)電阻rbe影響電壓放大倍數(shù)、輸入電阻等動態(tài)參數(shù)。+ECIBQICQUBEQUCEQRBRCC1C2T基本共射放大電路的Q點(diǎn)分析靜態(tài)Q點(diǎn)通過晶體管的動態(tài)電阻rbe97§2.4靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定1.客觀上的不穩(wěn)定帶來…….2.是什么原因使它不穩(wěn)定?3.怎么穩(wěn)定?4.在穩(wěn)定的過程中會遇到……Q點(diǎn)的穩(wěn)定性§2.4靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定1.客觀上的不穩(wěn)定帶來…….2.是98對于前面的放大電路(即固定偏置電路)而言，靜態(tài)工作點(diǎn)由UBE、和ICEO決定，這三個參數(shù)隨溫度而變化，溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響主要體現(xiàn)在這些方面。TUBEIBICT、ICEOIC因此Q點(diǎn)不穩(wěn)定會……..Q點(diǎn)與電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出信號是否產(chǎn)生失真有關(guān)。一、首先討論問題1和問題2對于前面的放大電路(即固定偏置電路)而言，靜態(tài)工作點(diǎn)由UBE99TIC固定偏置電路的Q點(diǎn)是不穩(wěn)定的。怎么穩(wěn)定？很重要的工程思維方式：以“變化”應(yīng)“變化”從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)哪康?。為此，需要改進(jìn)固定偏置電路，常采用射極分壓式偏置電路來穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。使得當(dāng)溫度升高IC增加時，能夠自動減少IB，從而抑制Q點(diǎn)的變化，保持Q點(diǎn)基本穩(wěn)定。提示TIC固定偏置電路的Q點(diǎn)是不穩(wěn)定的。怎么穩(wěn)定？很重要的工程思100I1I2IB1靜態(tài)分析(2)穩(wěn)定的原理(1)Q點(diǎn)的估算TUBEIBICUEIC二、射極分壓式偏置電路B點(diǎn)的電位固定BICEI1I2IB1靜態(tài)分析(2)穩(wěn)定的原理(1)Q點(diǎn)的估算T1012動態(tài)性能分析發(fā)射極電阻的引入帶來……？如何解決？提示rbeRCRLR'BRE2動態(tài)性能分析發(fā)射極電阻的引入帶來……？如何解決？提示r102CE的作用：交流通路中，CE將RE短路，RE對交流不起作用，放大倍數(shù)不受影響。CECE的作用：交流通路中，CE將RE短路，RE對交流不起作用103模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)主講：xxx第一講模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)主講：xxx第一講104緒論1.電子技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2.電子技術(shù)的應(yīng)用范圍3.本課程與其它專業(yè)課的關(guān)系4.電子技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)特點(diǎn)緒論1.電子技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2.電子技術(shù)的應(yīng)用范圍3.105參考書：《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第四版）：清華大學(xué)童詩白、華成英主編2.《電子技術(shù)基礎(chǔ)》（模擬部分第四版）：華中理工大學(xué)康華光主編參考書：《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第四版）：2.《電子技術(shù)基1061.1半導(dǎo)體的基本知識1.2PN結(jié)1.3半導(dǎo)體二極管第一章晶體二極管1.1半導(dǎo)體的基本知識第一章晶體二極管1071.1半導(dǎo)體的基本知識1.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1.3半導(dǎo)體的溫度特性

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。1.1半導(dǎo)體的基本知識1.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性1.1081.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性

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(dá)到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。1.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性本征半導(dǎo)體——化學(xué)成109

(1）本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見圖01.01。

圖01.01硅原子空間排列及共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)(1）本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺是四110

（2）電子空穴對

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有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。

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。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。（2）電子空穴對當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時111

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01.02所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達(dá)到動態(tài)平衡。

圖01.02本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動畫1-1）可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成112

(3)空穴的移動

自由電子的定向運(yùn)動形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運(yùn)動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的，因此，空穴的導(dǎo)電能力不如自由電子（見圖01.03的動畫演示）。（動畫1-2）圖01.03空穴在晶格中的移動(3)空穴的移動自由電子的定向運(yùn)動形成1131.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體在114

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成

N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。

因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,

由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因自由電子脫離而帶正電荷成為正離子，因此，五價雜質(zhì)原子也被稱為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.04所示。圖01.04N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖(1）N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價115(2)P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價雜質(zhì)原子與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖01.05所示。圖01.05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖

圖01.05P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖(2)P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)1161.1.3雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm31.1.3雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響摻入117雜質(zhì)半導(dǎo)體簡化模型雜質(zhì)半導(dǎo)體簡化模型1181.2PN結(jié)1.2.1PN結(jié)的形成1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)1.2PN結(jié)1.2.1PN結(jié)的形成1.2.2P1191.2.1

PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)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(kuò)散1.2.1PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體120

最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為

PN結(jié),在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

圖01.06PN結(jié)的形成過程

（動畫1-3）

PN結(jié)形成的過程可參閱圖01.06。最后多子擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。對于1211.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

如果外加電壓使PN結(jié)中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕敉饧与妷菏闺娏鲝腜區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。

1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀绻饧与妷菏筆N結(jié)中122

(1)PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況如圖01.07（動畫1-4）圖01.07PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況(1)PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況外加的正向電123

(2)PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況

外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。

在一定溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況如圖01.08所示。圖01.08PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況(2)PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況124

PN結(jié)外加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

（動畫1-5）圖01.08PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況PN結(jié)外加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散1251.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）abc4.在外加電壓的作用下，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）ba思考題：1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與2.1261.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。

一是勢壘電容CB

二是擴(kuò)散電容CD1.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)具有一127

(1)勢壘電容CB

勢壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖見圖01.09。圖01.09勢壘電容示意圖(1)勢壘電容CB勢壘電容是由空間電128

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。(2)擴(kuò)散電容CD

反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如圖01.10所示。擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面129

圖01.10擴(kuò)散電容示意圖

當(dāng)外加正向電壓不同時，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不相同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。圖01.10擴(kuò)散電容示意圖當(dāng)外加正向電130半導(dǎo)體元件及其特性1-1半導(dǎo)體二極管1-2半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體元件及其特性1-1半導(dǎo)體二極管1-2半導(dǎo)1311-1半導(dǎo)體二極管1．PN結(jié)的形成在半導(dǎo)體材料(硅、鍺)中摻入不同雜質(zhì)可以分別形成N型和P型兩種半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體主要依靠自由電子導(dǎo)電，稱自由電子為多數(shù)載流子，而空穴數(shù)量遠(yuǎn)少于電子數(shù)量，稱空穴為少數(shù)載流子。P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，稱空穴為多數(shù)載流子，而自由電子遠(yuǎn)少于空穴的數(shù)量，稱自由電子為少數(shù)載流子。PN結(jié)的形成與特性1-1半導(dǎo)體二極管1．PN結(jié)的形成PN結(jié)的形成與特性132

當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸以后，由于交界兩側(cè)半導(dǎo)體類型不同，存在電子和空穴的濃度差。這樣，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散,如圖1.1.1(a)所示。由于擴(kuò)散運(yùn)動，在P區(qū)和N區(qū)的接觸面就產(chǎn)生正負(fù)離子層。N區(qū)失掉電子產(chǎn)生正離子，P區(qū)得到電子產(chǎn)生負(fù)離子。通常稱這個正負(fù)離子層為PN結(jié)。在ＰＮ結(jié)的Ｐ區(qū)一側(cè)帶負(fù)電，Ｎ區(qū)一側(cè)帶正電。ＰＮ結(jié)便產(chǎn)生了內(nèi)電場，內(nèi)電場的方向從Ｎ區(qū)指向Ｐ區(qū)。內(nèi)電場對擴(kuò)散運(yùn)動起到阻礙作用，電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動隨著內(nèi)電場的加強(qiáng)而逐步減弱，直至停止。在界面處形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)。當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸以后，由于交界兩133模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件1342.PN結(jié)的特性1）正向?qū)ńoPN結(jié)加正向電壓，即P區(qū)接正電源，N區(qū)接負(fù)電源，此時稱PN結(jié)為正向偏置。這時PN結(jié)外加電場與內(nèi)電場方向相反，當(dāng)外電場大于內(nèi)電場時，外加電場抵消內(nèi)電場，使空間電荷區(qū)變窄，有利于多數(shù)載流子運(yùn)動，形成正向電流。外加電場越強(qiáng)，正向電流越大，這意味著PN結(jié)的正向電阻變小。2.PN結(jié)的特性135正向?qū)ǚ聪蚪刂拐驅(qū)ǚ聪蚪刂?362）反向截止給PN結(jié)加反向電壓，稱PN結(jié)反向偏置，如圖所示。這時外加電場與內(nèi)電場方向相同，使內(nèi)電場的作用增強(qiáng),PN結(jié)變厚，多數(shù)載流子運(yùn)動難于進(jìn)行，有助于少數(shù)載流子運(yùn)動，形成電流IR，少數(shù)載流子很少，所以電流很小，接近于零，即PN結(jié)反向電阻很大。2）反向截止137綜上所述，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，加正向電壓時，PN結(jié)電阻很小，電流IR較大，是多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動形成的；加反向電壓時，PN結(jié)電阻很大，電流IR很小，是少數(shù)載流子運(yùn)動形成的。綜上所述，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，加正向電壓時138接在二極管P區(qū)的引出線稱二極管的陽極，接在N區(qū)的引出線稱二極管的陰極。二極管有許多類型。從工藝上分，有點(diǎn)接觸型和面接觸型；按用途分，有整流管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管和開關(guān)二極管等。二極管的結(jié)構(gòu)和類型接在二極管P區(qū)的引出線稱二極管的陽極，接在139模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件1401．二極管伏安特性理論分析指出，半導(dǎo)體二極管電流I與端電壓U之間的關(guān)系可表示為I=IS(-1)此式稱為理想二極管電流方程。式中，IS稱為反向飽和電流，UT稱為溫度的電壓當(dāng)量，常溫下UT≈26mV。實(shí)際的二極管伏安特性曲線如圖所示。圖中，實(shí)線對應(yīng)硅材料二極管，虛線對應(yīng)鍺材料二極管。二極管的特性及參數(shù)1．二極管伏安特性二極管的特性及參數(shù)141模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件1421）正向特性當(dāng)二極管承受正向電壓小于某一數(shù)值時，還不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場對多數(shù)載流子運(yùn)動的阻擋作用，這一區(qū)段二極管正向電流IF很小，稱為死區(qū)。死區(qū)電壓的大小與二極管的材料有關(guān)，并受環(huán)境溫度影響。通常，硅材料二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺材料二極管的死區(qū)電壓約為0.2V。當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓值時，外電場抵消了內(nèi)電場，正向電流隨外加電壓的增加而明顯增大，二極管正向電阻變得很小。當(dāng)二極管完全導(dǎo)通后，正向壓降基本維持不變，稱為二極管正向?qū)▔航礥F。一般硅管的UF為0.7V，鍺管的UF為0.3V。1）正向特性1432）反向特性當(dāng)二極管承受反向電壓時，外電場與內(nèi)電場方向一致，只有少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動，形成的漏電流IR極小，一般硅管的IR為幾微安以下，鍺管IR較大，為幾十到幾百微安。這時二極管反向截止。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值時，反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現(xiàn)象稱二極管反向擊穿。擊穿時對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓。普通二極管發(fā)生反向擊穿后，造成二極管的永久性損壞，失去單向?qū)щ娦浴?）反向特性1442．二極管的主要參數(shù)二極管參數(shù)是反映二極管性能質(zhì)量的指標(biāo)。必須根據(jù)二極管的參數(shù)來合理選用二極管。二極管的主要參數(shù)有4項(xiàng)。1）最大整流電流IFMIFM是指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流值。工作時，管子通過的電流不應(yīng)超過這個數(shù)值，否則將導(dǎo)致管子過熱而損壞。2．二極管的主要參數(shù)1452）最高反向工作電壓URMURM是指二極管不擊穿所允許加的最高反向電壓。超過此值二極管就有被反向擊穿的危險。URM通常為反向擊穿電壓的1/2~2/3，以確保二極管安全工作。3）最大反向電流IRMIRM是指二極管在常溫下承受最高反向工作電壓URM時的反向漏電流，一般很小，但其受溫度影響較大。當(dāng)溫度升高時，IRM顯著增大。2）最高反向工作電壓URM1464）最高工作頻率fMfM是指保持二極管單向?qū)ㄐ阅軙r，外加電壓允許的最高頻率。二極管工作頻率與PN結(jié)的極間電容大小有關(guān)，容量越小，工作頻率越高。4）最高工作頻率fM147

二極管是電子電路中最常用的半導(dǎo)體器件。利用其單向?qū)щ娦约皩?dǎo)通時正向壓降很小的特點(diǎn)，可用來進(jìn)行整流、檢波、鉗位、限幅、開關(guān)以及元件保護(hù)等各項(xiàng)工作。

1．整流所謂整流,就是將交流電變?yōu)閱畏较蛎}動的直流電。利用二極管的單向?qū)щ娦钥山M成單相、三相等各種形式的整流電路。

2．鉗位利用二極管正向?qū)〞r壓降很小的特性，可組成鉗位電路。半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用二極管是電子電路中最常用的半導(dǎo)體器件。利用其單148若A點(diǎn)UA=0，二極管VD可正向?qū)?，其壓降很小，故F點(diǎn)的電位也被鉗制在0V左右，即UF≈0。若A點(diǎn)UA=0，二極管VD可正向?qū)ǎ鋲航?493．限幅利用二極管正向?qū)ê笃鋬啥穗妷汉苄∏一静蛔兊奶匦?，可以?gòu)成各種限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值以內(nèi)。3．限幅150模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件151

設(shè)輸入電壓ui=10sinωt(V),Us1=Us2=5V。當(dāng)-Us2<ui<Us1時，VD1、VD2都處于反向偏置而截止，因此i=0,uo=ui。當(dāng)ui>Us1時，VD1處于正向偏置而導(dǎo)通，使輸出電壓保持在Us1。當(dāng)ui<-Us1時，VD2處于正向偏置而導(dǎo)通，輸出電壓保持在-Us2。由于輸出電壓uo被限制在+Us1與-Us2之間，即|uo|≤5V,好像將輸入信號的高峰和低谷部分削掉一樣,因此這種電路又稱為削波電路。設(shè)輸入電壓ui=10sinωt(V)1524．元件保護(hù)在電子線路中，常用二極管來保護(hù)其他元器件免受過高電壓的損害。4．元件保護(hù)153在開關(guān)S接通時，電源E給線圈供電，L中有電流流過，儲存了磁場能量。在開關(guān)S由接通到斷開的瞬時，電流突然中斷，L中將產(chǎn)生一個高于電源電壓很多倍的自感電動勢eL，eL與E疊加作用在開關(guān)S的端子上，在S的端子上產(chǎn)生電火花放電，這將影響設(shè)備的正常工作，使開關(guān)S壽命縮短。接入二極管VD后，eL通過二極管VD產(chǎn)生放電電流i,使L中儲存的能量不經(jīng)過開關(guān)S放掉，從而保護(hù)了開關(guān)S。在開關(guān)S接通時，電源E給線圈供電，L中有電流1541.發(fā)光二極管1)發(fā)光二極管的符號及特性是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體器件，簡稱LED。發(fā)光二極管和普通二極管相似，也由一個PN結(jié)組成。發(fā)光二極管在正向?qū)〞r，由于空穴和電子的復(fù)合而發(fā)出能量，發(fā)出一定波長的可見光。光的波長不同，顏色也不同。常見的LED有紅、綠、黃等顏色。發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓低、工作電流小，具有很強(qiáng)的抗振動和抗沖擊能力。由于發(fā)光二極管體積小、可靠性高、耗電省、壽命長，被廣泛用于信號指示等電路中。特種二極管1.發(fā)光二極管特種二極管155模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件1562)發(fā)光二極管的應(yīng)用電源通斷指示發(fā)光二極管作為電源通斷指示通常稱為指示燈，在實(shí)際應(yīng)用中給人提供很大的方便。發(fā)光二極管的供電電源既可以是直流的也可以是交流的，但必須注意的是，發(fā)光二極管是一種電流控制器件，應(yīng)用中只要保證發(fā)光二極管的正向工作電流在所規(guī)定的范圍之內(nèi)，它就可以正常發(fā)光。數(shù)碼管是電子技術(shù)中應(yīng)用的主要顯示器件，是用發(fā)光二極管經(jīng)過一定的排列組成的。2)發(fā)光二極管的應(yīng)用157模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件158模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件159這是最常用的七段數(shù)碼顯示。要使它顯示0~9的一系列