緒論晶體二極管及應用電路(3.5學時）晶體三極管及應用電路場效應管及基本放大電路放大電路的頻率響應負反饋放大電路雙極型模擬集成電路雙極型模擬集成電路的分析與應用MOS模擬集成電路（自學）直流穩壓電源電路課程主要內容部分半導體二極管圖片問題：二極管特性與電阻特性有何區別？二極管電阻是大還是小？二極管具有怎樣的物理結構？二極管有哪些類型？二極管有哪些典型應用？主講:劉穎第二章晶體二極管及應用電路2.1半導體基礎知識2.2晶體二極管2.3二極管主要應用第二章晶體二極管及應用電路2.1半導體基礎知識2.1.1半導體特性2.1.2本征半導體2.1.3雜質半導體2.1.4PN結2.1.1半導體特性導體:導電率為105s.cm-1，量級，如金屬。（S:西門子)絕緣體:導電率為10-22～10-14s.cm-1量級，如：橡膠、云母、塑料等。導電能力介于導體和絕緣體之間。如：硅、鍺、砷化鎵等。半導體:

半導體特性摻入雜質則導電率增加幾百倍摻雜特性半導體元件溫度增加使導電率大為增加溫度特性熱敏元件光照不僅使導電率大為增加還可以產生電動勢光照特性光敏元件2.1.2本征半導體本征半導體完全純凈、結構完整的半導體晶體。純度為99.9999999%，“九個9”；它在物理結構上呈單晶體形態。常用的本征半導體+4晶體特征在晶體中，質點的排列有一定的規律。硅（鍺）的原子結構簡化模型價電子正離子注意：為了方便，原子結構常用二維結構描述，實際上是三維結構。說明：硅原子有14個自由電子鍺原子有32個自由電子鍺晶體的共價鍵結構示意圖半導體能帶結構示意圖價帶中留下的空位稱為空穴導帶自由電子定向移動形成電子流本征半導體的原子結構和共價鍵共價鍵內的電子稱為束縛電子價帶禁帶EG外電場E束縛電子填補空穴的定向移動形成空穴流掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子2.1.2本征半導體高低2.本征半導體中有兩種載流子：自由電子和空穴，它們是成對出現的。3.電子流和空穴流：在外電場的作用下，自由電子和空穴和的定向運動產生電流，分別稱為電子流和空穴流電子流自由電子作定向運動形成的；方向與外電場方向相反；自由電子始終在導帶內運動。空穴流價電子遞補空穴形成的；方向與外電場方向相同；始終在價帶內運動。

注意：本征半導體在熱力學零度（0K）和沒有外界能量激發下，晶體內無自由電子，不導電。1.載流子:運載電荷的粒子，如自由電子和空穴，統稱為載流子。本征半導體的載流子的濃度電子濃度

ni

:表示單位體積內的自由電子數空穴濃度pi:表示單位體積內的空穴數。A0—

與材料有關的常數EG0—

禁帶寬度T—

絕對溫度k—

玻爾曼常數結論1.本征半導體中電子濃度ni=空穴濃度pi

2.載流子的濃度與T、EG0有關

了解

載流子的產生與復合載流子的產生率g：即每秒成對產生的電子空穴的濃度。載流子的復合率R：即每秒成對復合的電子空穴的濃度。當達到動態平衡時g=R

R=r

nipi

其中r—復合系數，與材料有關。2.1.3雜質半導體雜質半導體雜質半導體特點：摻入雜質的本征半導體。摻雜后半導體的導電率大為提高。

摻入的三價元素如B（硼）、Al（鋁）等，形成P型半導體，也稱空穴型半導體。

摻入的五價元素如P（磷）、砷等，形成N型半導體，也稱電子型半導體。

N型半導體在本征半導體中摻入的五價元素，如P。價帶導帶+++++++施主能級自由電子是多子（即多數載流子）空穴是少子雜質原子提供由熱激發形成由于五價元素很容易貢獻電子，因此將其稱為施主雜質。施主雜質原子因提供自由電子而帶正電荷成為正離子。2.1.3雜質半導體

P型半導體在本征半導體中摻入的三價元素如B。價帶導帶-------受主能級自由電子是少子空穴是多子雜質原子提供由熱激發形成因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。舉例：鍺原子密度為4.4×1022/cm3

，常溫下鍺本征半導ni=2.5×1013/cm3，若每104個鍺原子中摻入1個磷原子（摻雜密度為萬分之一），則在單位體積中就摻入了10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3個磷原子。則施主雜質濃度為：ND=

4.4×1018/cm3（比ni大十萬多倍）雜質半導體小結：載流子的濃度主要取決于多子（即雜質）的濃度。盡管雜質含量很少（如萬分之一），但提供的載流子數量仍遠大于本征半導體中載流子的數量。故使導電能力激增。半導體的摻雜、溫度等可人為控制。結論：在雜質型半導體中，多子濃度比本征半導體的濃度大得多，而少子濃度比本征半導體的濃度小得多，但兩者乘積保持不變。其中：ni

表示本征材料中電子的濃度

pi

表示本征材料中空穴的濃度。n·p=ni·pi=ni2=C一、PN結的形成二、PN結的接觸電位差三、PN結的伏安特性四、PN結的反向擊穿特性五、PN結電容六、PN結的電致發光七、PN結的光電效應2.1.4PN結概念：擴散運動：物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由于濃度差而產生的運動稱為擴散運動。漂移運動：載電流（自由電子和空穴）在電場力的作用下產生的定向移動，稱為漂移運動。P區N區一、PN結的形成載流子從濃度大向濃度小的區域擴散,稱擴散運動形成的電流成為擴散電流P區N區擴散運動內電場內電場阻礙多子向對方的擴散即阻礙擴散運動同時促進少子向對方漂移產生了漂移運動擴散運動=漂移運動時達到動態平衡耗盡層P區N區空穴自由電子負離子正離子正離子區負離子區PN結U內電場的建立，使PN結中產生了電位差

，從而形成接觸電位U。接觸電位U決定于材料及摻雜濃度二、PN結的接觸電位差硅：U≈0.7V鍺：U≈0.3V三、PN結的伏安特性1.PN結加正向電壓時的導電情況

原理：外電場方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。PN結正偏：外接電源E后，P區的電位高于N區的電位，稱為外接正向電壓，也稱為正向偏置，簡稱正偏。內外結論：PN結正偏時，呈現低阻性。2.PN結加反向電壓時的導電情況原理：外電場與PN結內電場方向相同，增強內電場。內電場對多子擴散運動阻礙增強，擴散電流大大減小。少子在內電場的作用下形成的漂移電流加大。此時PN結區少子漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流。PN結反偏：P區的電位低于N區的電位，稱為外接反向電壓，也稱為反向偏置，簡稱反偏。內外結論：PN結反偏時，呈現高阻性，近似為截止狀態。問題：有必要加電阻R嗎？結論：PN結具有單向導電性PN結兩端的電壓與流過PN結電流的關系式式中Is(反向)飽和電流;

UT=kT/q等效電壓

k波爾茲曼常數；q為電子的電量；

uD為PN結兩端的電壓；

iD為PN結的電流；當T=300k（室溫）時，UT=26mv由半導體物理可推出：3.PN結電流方程(2)當加反向電壓時(1)加正向電壓時(uD>>UT)PN結電流方程iDuD(UBR<uD<0)常溫時UT=26mViDuD反向擊穿概念PN結上所加的反向電壓達到某一數值時(

uD<UBR

）

，反向電流激增的現象。四、PN結的反向擊穿特性可逆擊穿不可逆擊穿擊穿類別雪崩擊穿當反向電壓增高時，少子獲得能量高速運動，在空間電荷區與原子發生碰撞，產生碰撞電離。形成連鎖反應，象雪崩一樣。使反向電流激增。摻雜濃度小的二極管容易發生。齊納擊穿當反向電壓較大時，強電場直接從共價鍵中將電子拉出來，形成大量載流子,使反向電流激增。摻雜濃度大的二極管容易發生。不可逆擊穿熱擊穿PN結的電流或電壓較大，使PN結耗散功率超過極限值，使結溫升高，導致PN結過熱而永久性損壞。可逆擊穿擊穿五、PN結的電容PN結的電容效應：PN結偏置電壓的變化將導致PN結空間電荷區的電荷數量及其兩側載流子的數目均發生變化，現象與電容相似。按照產生機理，有勢壘電容和擴散電容。勢壘電容CB：當外加電壓不同時，耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，與電容的充放電過程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容為勢壘電容。注意：PN結為反偏時較大V注意：勢壘電容和擴散電容均是非線性電容,并同時存在。外加電壓變化緩慢時可以忽略，但是變化較快時不容忽略。擴散電容CD

外加電壓不同情況下，P、N區少子濃度的分布將發生變化，擴散區內電荷的積累與釋放過程與電容充放電過程相同，這種電容等效為擴散電容。PN結的電致發光如果在PN結加正偏電壓UD，外電場將消弱內建電場對載流子擴散的阻擋作用。在外加電場滿足一定條件下，注入到耗盡區內的電子和空穴通過輻射復合而產生光子的速率將大于材料對光子的吸收速率，從而在半導體內產生光增益。ED五、PN結的電致發光PNPN結用導線連接成回路時，載流子面臨PN結勢壘的阻擋，在回路中不產生電流。當有光照射PN結材料上時，若光子能量大于半導體的禁帶寬度，則在PN結的耗盡區、P區、N區內產生光生的電子-空穴對，耗盡區內的載流子在內建場的作用下電子迅速移向N區，空穴移向P區，在回路內容形成光電流，而P、N區內產生的光子無內建電場的作用只進行自由的擴散運動，多數因復合而消失，對光電流基本沒有貢獻。DEDDRLUDIP注意：為了充分利用在PN結各區內產生的光生載流子，PN結需加適當的反向偏壓。五、PN結的光電效應2.2.1

二極管的結構類型2.2.2二極管的伏安特性2.2.3二極管的等效電阻2.2.4二極管主要參數2.2.5二極管模型2.2.6特殊二極管2.2.7二極管應用2.2晶體二極管2.2.1晶體二極管的結構類型在PN結上加上封裝和引線，就成為晶體二極管，簡稱二極管。二極管按結構分點接觸型面接觸型平面型PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路PN結面積大，用于工頻大電流整流電路往往用于集成電路制造工藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。二極管符號正極負極伏安特性：是指二極管兩端電壓和流過二極管電流之間的關系。由PN結電流方程求出理想的伏安特性曲線，iDOuD1.當加正向電壓時PN結電流方程為：2.當加反向電壓時i

隨u↑呈指數規率↑iD

≈-Is電流iD基本不變2.2.2晶體二極管的伏安特性+uD

-iD晶體二極管的伏安特性①正向起始部分存在一個死區或門坎，稱為門限電壓。硅：UR=0.5--0.6V;鍺：UR=0.1--0.2V。②加反向電壓時，反向電流很小即Is硅(nA)<Is鍺(A)

硅管比鍺管穩定。③當反壓增大UBR時再增加,反向電流激增,發生反向擊穿,UBR稱為反向擊穿電壓。實測伏安特性①②③材料門限電壓導通電壓Is/μA硅0.5～0.6V0.7V<0.1鍺0.1～0.2V0.3V幾十UBRUR溫度對二極管特性的影響溫度升高，開啟電壓UR減小，反向電流IS增大。非線性電阻用直流電阻

(也稱靜態電阻）和交流電阻（又稱動態電阻或微變電阻）來描述二極管的電阻特性。1.直流（靜態）電阻RD的計算方法定義二極管兩端的直流電壓與電流之比iDiDuDuDD2.2.3二極管的等效電阻UQIQ硅管UQ≥0.7V,鍺管UQ≥0.3V。直流電阻的求解方法：借助于靜態工作點Q（IQ，UQ）來求。iDEDDRLuD方法一：解析法列寫二極管電流方程和電路方程：解方程組，得到二極管靜態工作電流IQ和電壓UQ，二極管直流電阻為方法二：圖解法iDEDDRLuDiDuD在二極管特性曲線上繪制直流負載線，其中兩個坐標點：uD=0iD=ED/RLiD=0uD=EDED/RLEDQIQUQ由靜態工作點Q點得IQ和UQ，從而求出直流電阻直流負載線與伏安特性曲線的交點由電路可列出方程：2.交流電阻rD的計算方法RLEDDuiiDQuDuDiD室溫（T=300K）下,UT=26mV。交流電阻：rD=26mV/IQ

(mA)定義：注意:交流電阻rD與其靜態工作點Q有關。說明：二極管正偏時，rD很小（幾至幾十歐姆）二極管反偏時，rD很大（幾十千至幾兆歐姆）。問題解答：電阻R的作用是限制回路電流，避免二極管電流過大而燒毀。結論：PN結具有單向導電性工程分析方法：硅：UD≈0.7V鍺：UD≈0.3V2.2.4二極管的主要參數1.最大整流電流IF：指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓UBR：管子工作時所允許的最高反向電壓3.反向電流IR：二極管未擊穿時的反向電流，近似為IS。4.最高工作頻率

fM

：二極管工作的上限頻率。1.理想二極管模型特點：(1)正偏時導通，壓降為0V；(2)反偏時截止，反向電流為0。2.2.5二極管的模型應用:(1)電路簡化定性分析;(2)大信號時電路的近似分析。2.折線二極管模型特點：(1)正偏電壓＞Uon時，導通；(2)反偏電壓＜Uon時，截止。應用：工程計算。（Si管Uon

≈0.7V，Ge管0.3V)；說明：若忽略小電阻rD，則為恒壓降二極管模型。3.二極管交流模型當二極管在正偏情況下，若疊加的交流為低頻小信號仍能保持二極管正偏，若忽略二極管結電容和體電阻，其等效模型就是一個交流電阻rD。2.2.6特殊二極管1.穩壓二極管：是應用在反向擊穿區的特殊二極管。穩壓特性：在反向擊穿時，電流急劇增加而PN結兩端的電壓基本保持不變。正向部分與普通二極管相同。注意：穩壓管工作區在反向擊穿區。特性參數：1)穩定電壓UZ:反向擊穿電壓。2)穩定電流Iz:穩壓時的參考電流，變化范圍是（Izmin，Izmax)3)額定功率PZM:就是最大工作電流和穩定電壓的乘積。4)動態電阻rZ:在穩壓范圍內，,

很小，一般十幾歐姆~幾十歐姆。穩壓管使用方法：穩壓二極管在穩壓電路工作時應反接,并串入一只電阻。穩壓電路要求：輸入電壓ui

要求大于輸出電壓uo。穩壓工作原理穩壓工作原理電阻R的作用：(1)當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調節穩壓管的工作電流，從而起到穩壓作用。(2)起限流作用，以保護穩壓管。2.變容二極管：主要利用PN結的勢壘電容CT隨外電壓U的變化而變化的特點制成的二極管。符號：注意：變容二極管使用時應加反向電壓。2)常用驅動電路：直流驅動電路交流驅動電路普通發光二極管紅外發光二極管……1)類型3)工作原理：利用PN結的電致發光原理。注意：發光二極管在加正向電壓時才發光。3.發光二極管:將電能轉換成光能的特殊半導體元件。符號4.光電二極管:有光照射時有電流產生的二極管。1)類型：PIN型、PN型、雪崩型2)結構：和普通的二極管基本相同3)工作原理：PN結的光電效應。DEDDRLIP注意：光電二極管通常在反壓狀態工作。肖特基二極管特點：（1）具有與PN結相似的伏安特性。（2）依靠一種載流子工作的器件（3）串聯電阻低。（4）正向導通電壓和反向擊穿電壓均比PN結低。應用：適用于高頻高速電路。結構符號5.肖特基二極管:利用金屬和半導體之間的接觸勢壘而制成的元件。半導體二極管型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：附錄2.2.7二極管應用整流電路（10章應用）穩壓電路（10章應用）LED顯示器

（常用于輸出指示）限幅電路（幅度去噪等應用）鉗位電路（信號電平轉換用等）LED顯示器abcdfgabcdefgabcdefg+5V共陽極電路共陰極電路控制端為高電平對應二極管發光控制端為低電平對應二極管發光e工作原理：利用二極管單向導電性，限定輸出信號的幅度。限幅電路工作原理:

(1)當輸入ui>0時，二極管瞬間導通，C快速充電，Uc=V1，充電結束，R無電流，輸出uo=0。(2)當輸入ui<0時，二極管截止，C充放電緩慢，輸出uo=-Uc+ui=-V1-V2。特點：鉗位電路的作用是將周期信號波形的頂部或底部保持在某一確定的直流電平上，信號波形形狀不變。鉗位電路晶體二極管實際上就是一個PN結，描述二極管的性能常用二極管的伏安特性，可用二極管的電流方程來描述，I=Is(eU/UT-1)；硅管導通后管壓降UD≈0.7V，鍺管導通后UD≈0.3V；晶體二極管用途有整流、穩壓和限幅等。穩壓管是工作區在反向擊穿區。可以提供一個穩定的電壓，使用時注意加限流電阻。半導體光電器件分光敏器件和發光器件，可實現光—電、電—光轉換。光電