模擬電子技術基礎第1章半導體二極管及其應用電路半導體基礎知識1.1半導體二極管1.2二極管組成的基本應用電路1.31.1.1本征半導體1.1半導體基礎知識導電性能介于導體和絕緣體之間的物質稱為半導體，如硅、鍺、硒、砷化鎵等。

常用的半導體材料是硅（Si）和鍺（Ge），它們都是4價元素，原子的最外層軌道上都有4個價電子，完全純凈的具有晶體結構的半導體稱為本征半導體。

由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子。自由電子的產生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴。共價鍵

一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。動態平衡

本征激發

復合運載電荷的粒子稱為載流子，半導體中有兩種載流子參與導電。外加電場時，自由電子作定向運動形成電子電流。

價電子遞補空穴的運動形成空穴電流。

總電流是電子電流和空穴電流之和。

1.1.2雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量雜質元素后的半導體稱為雜質半導體。

1.N型半導體在本征半導體中摻入五價元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。磷（P）多數載流子——自由電子少數載流子——空穴施主原子N型半導體主要靠電子導電，摻入雜質越多，電子濃度越高，導電性越強。

2.P型半導體在本征半導體中摻入三價元素，例如硼、鎵等，稱為P型半導體。多數載流子——空穴少數載流子——自由電子硼（B）受主原子P型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質越多，空穴濃度越高，導電性越強。少子濃度——與溫度有關多子濃度——與溫度無關1.1.3PN結1.PN結的形成物質因濃度差而產生的運動稱為擴散運動。擴散運動P區空穴濃度遠高于N區。N區自由電子濃度遠高于P區。

擴散運動使靠近接觸面P區的空穴濃度降低、靠近接觸面N區的自由電子濃度降低，產生內電場。因內電場作用所產生的運動稱為漂移運動。

參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，達到動態平衡，就形成了PN結。漂移運動

由于擴散運動使P區與N區的交界面缺少多數載流子，形成內電場，從而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從N區向P區、自由電子從P區向N區運動。2.PN結的單向導電性（1）PN結外加正向電壓

PN結加正向電壓導通：耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，PN結處于導通狀態。2.PN結的單向導電性（2）PN結外加反向電壓

PN結加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認為其截止。3.PN結的電容效應PN結具有一個與此等效的電容，稱之為結電容。

結電容一般都很小，結面積小的約1pF左右，結面積大的大約幾十至幾百pF。對于低頻信號呈現很大的容抗，其作用可以忽略不計，只有在信號頻率較高時才考慮結電容的影響。若PN結外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向導電性！1.2半導體二極管1.2.1二極管的結構和類型將PN結加上兩個電極引線和管殼，就成為半導體二極管。小功率二極管大功率二極管穩壓二極管發光二極管點接觸型：它的PN結面積很小，因此不能通過較大電流，但由于結電容小，能在高頻下工作，故一般適用于高頻檢波和小功率的工作，也用作數字電路中的開關元件。面接觸型：結面積大，結電容大，故可通過較大電流，適用于低頻及大功率整流電路中。平面型：它用二氧化硅作保護層，使PN結不受污染，從而大大減小了PN結兩端的漏電流。因此，它的質量較好，批量生產中產品性能比較—致。其中PN結面積大的可用作大功率整流和調整管，PN結面積小的可作高頻管或高速開關管。

材料開啟電壓導通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA

1.2.2二極管的伏安特性曲線二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓二極管的電流方程：常溫下（T=300K），VT≈26mV。

vVonV(BR)從二極管的伏安特性可以看出：1.單向導電性正向特性為指數曲線反向特性為橫軸的平行線2.伏安特性受溫度影響性T（℃）↑→在電流不變情況下導通電壓Von↓→反向飽和電流IS↑，V(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移增大1倍/10℃

1.2.3二極管的主要參數

(1)最大整流電流IFM二極管長期連續工作時，允許通過的最大正向平均電流。

(2)最高反向工作電壓VRM保證二極管不被反向擊穿而允許外加的最大反向電壓。

(3)反向飽和電流IS——是管子未擊穿時的反向電流值。IS越小，二極管的單向導電性越好。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。

(4)最高工作頻率fM——

fM是二極管工作的上限頻率。超過此值，由于結電容的作用，二極管的單向導電性將不能很好的體現。C+-當f

很高時，

ZC很小，電容近似短路，二極管失去單向導電作用。C

1.2.4二極管的等效模型1.實用模型近似分析中最常用導通時VD＝Von截止時IS＝02.理想模型理想二極管理想開關導通時VD＝0截止時IS＝0應根據不同情況選擇不同的等效模型！3.低頻小信號交流等效模型（微變等效電路）

當二極管在靜態基礎上有一動態信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態電阻，也就是微變等效電路。vi=0時直流電源作用小信號作用vDviQ點越高，rd越小。靜態電流

1.2.5其它類型二極管1.穩壓二極管穩壓二極管是一種用特殊工藝制造的面接觸型硅半導體二極管。由于它在電路中與適當數值的電阻配合后能起穩定電壓的作用，故簡稱穩壓管。進入穩壓區的最小電流不至于損壞的最大電流（1）穩定電壓VZ穩壓管的主要參數:穩定電壓是穩壓管在正常工作時管子兩端的電壓。

（2）穩定電流IZ（3）電壓溫度系數IZ是穩壓管工作在穩壓狀態時的參考電流。電流小于此值，穩壓管的穩壓效果變差，電流大于此值，只要不超過額定功耗，電流越大，穩壓效果越好。表示溫度每變化1℃，穩壓值的變化量。這是說明穩壓值受溫度變化影響的參數。

（4）動態電阻rzrz＝ΔVZ

/ΔIZ（5）最大允許耗散功率PZMPZM＝IZMVZ2.發光二極管發光二極管也具有單向導電性。只有當外加的正向電壓使得正向電流足夠大時才發光，它的開啟電壓比普通二極管的大，紅色的在1.6~1.8V之間，綠色的約為2V。發光二極管導通以后（有電流通過），能發出紅、黃、綠、橙等不同顏色的光，發光顏色取決于管子所用的材料。3．光電二極管

光電二極管是遠紅外線接收管，是一種光電轉換器件。

它的結構與PN結二極管類似，但在它的PN結處，通過管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照，并將接收到的光的強弱變化轉換成電流的變化。這種器件正常工作時，PN結處于反向偏置狀態，它的反向電流會隨光照強度（照度）的增加而增加。4.變容二極管變容二極管是根據二極管外加反向電壓時，其等效電容隨外加反向電壓的變化而變化的特性制成的一種半導體器件,相當于壓控電容。1.2.6二極管組成的基本應用電路例1.2.1如圖1.2.8所示電路，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅管。分別用理想化模型和實用化模型求解以下兩問：（1）vI=0V、3.3V、5V時，求出相應的輸出電壓值；（2）當vI=6sinωt(V)時，畫出相應的輸出電壓波形。解：（1）vI（V）03.35(理想模型)二極管狀態vO(V）

(實用模型)二極管狀態vO(V）00333.33.7截止導通導通截止截止導通1.限幅電路（2）理想模型當vI=6sinωt(V)時

當vI-3＞0，即vI＞3V時，二極管導通，這時vO=VREF=3V。

當vI-3≤0，即vI≤3V時，二極管截止，

vO=vI

。實用模型當vI-3＞0.7V，即vI＞3.7V時，二極管導通，這時vO=0.7+VREF=3.7V

當vI-3≤0.7V，即vI≤3.7V時，二極管截止，

vO=vI。二極管導通，vo=v2二極管截止,

vo=0v2>0時:v2<0時:v2vovDt23402.整流電路半波整流電路全波整流電路+–+–原理：+–+–變壓器副邊中心抽頭，感應出兩個相等的電壓v2當v2正半周時，D1導通，D2截止。當v2負半周時，D2導通，D1截止。全波整流電壓波形v2vovD1t2340vD2vI1/VvI2/VvO/VD1狀態D2狀態00055055例1.2.3導通導通0導通截止0截止導通0截止截止5解：3.開關電路（二極管與門）vI1vI2Y000010100111(1)輸入保護4集成運放輸入（輸出）保護電路(2)電源保護輸入端保護電路使凈輸入電壓最大值為±VD第1章作業1.11.2直接做在書上。1.3

1.41.71.81.9穩壓管組成的限幅電路

在電壓比較器中，為保護運放輸入端，需限制其輸入電壓幅值；為適應負載對電壓幅值的要求，輸出端需加限幅電路。UOH＝＋UZ1＋UD2

必要嗎？＋－

UOL＝－(UZ2＋UD1)UOH＝UZ

UOL＝－U