第1講緒論和二極管

1、 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 宮宮 芳芳 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學緒緒 論論 一、課程的性質與任務一、課程的性質與任務 ：技術基礎課程技術基礎課程 電子技術是研究電子技術是研究電子器件、電子電路和電子電子器件、電子電路和電子系統(tǒng)及其應用系統(tǒng)及其應用的科學技術。的科學技術。 二二、什么是電子器件和電子技術、什么是電子器件和電子技術電子器件電子器件電真空器件：電子管、示波器、顯像管等。電真空器件：電子管、示波器、顯像管等。半導體器件：二極管、三極管、場效應管。半導體器件：二極管、三極管、場效應管。集成電路集成電路 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱

2、工程大學哈爾濱工程大學1 1 內容豐富，涉及面寬。內容豐富，涉及面寬。 2 2 實踐性強實踐性強 3 3 工程近似計算工程近似計算 四四、課程的特點、課程的特點三、課程的研究對象三、課程的研究對象 模擬信號的處理和傳輸。模擬信號的處理和傳輸。模擬信號：模擬信號：在時間上和幅值上均具有連續(xù)性的信號。在時間上和幅值上均具有連續(xù)性的信號。 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學五、學習中注意些什么五、學習中注意些什么 1 1 掌握基本概念掌握基本概念 2 2 基本單元電路基本單元電路 3 3 基本分析方法基本分析方法 4 4 基本規(guī)律基本規(guī)律 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾

3、濱工程大學第一章第一章 半導體器件半導體器件第二章第二章 基本單元電路基本單元電路第三章第三章 多級放大電路與頻率響應多級放大電路與頻率響應第四章第四章 集成運算放大器集成運算放大器第五章第五章 功率放大電路功率放大電路第六章第六章 放大電路中的反饋放大電路中的反饋第七章第七章 集成運算放大器的應用集成運算放大器的應用第八章第八章 信號發(fā)生電路信號發(fā)生電路第九章第九章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源章節(jié)劃分與學時分配章節(jié)劃分與學時分配6 6學時學時1212學時學時4 4學時學時2 2學時學時4 4學時學時8 8學時學時1010學時學時4 4學時學時6 6學時學時 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大

4、學哈爾濱工程大學第一章第一章 半導體器件半導體器件第一節(jié)第一節(jié) 半導體基礎知識半導體基礎知識第二節(jié)第二節(jié) 半導體二極管半導體二極管第三節(jié)第三節(jié) 半導體三極管半導體三極管第四節(jié)第四節(jié) 場效應晶體管（場效應晶體管（FETFET）本章教學主要內容本章教學主要內容 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學第一節(jié)第一節(jié) 半導體基礎知識半導體基礎知識 一、本征半導體一、本征半導體 1 1、半導體及其特點、半導體及其特點：半導體：半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質，導電性能介于導體和絕緣體之間的物質， 如硅如硅(Si)(Si)、鍺、鍺(Ge)(Ge)。4硅和鍺簡化原子硅和鍺簡化原子結構模

5、型結構模型價電子：價電子：最外層的電子稱為價最外層的電子稱為價 電子。電子。 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學光敏特光敏特熱敏特性熱敏特性 摻雜特性摻雜特性 本征半導體：本征半導體：高度提純的、晶體結構完整的半導體材料高度提純的、晶體結構完整的半導體材料單晶體。單晶體。單晶硅中的共價健結構單晶硅中的共價健結構 圖（圖（1-1）本征半導體的特點：本征半導體的特點： 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學2 2、半導體中的載流子、半導體中的載流子 ：載流子：載流子：是指運載電流的粒子。是指運載電流的粒子。 半導體中的載流子有兩種：半導體中的載流子有兩種：本征半導體

6、中的載流子本征半導體中的載流子 本征熱激發(fā)產生本征熱激發(fā)產生電子電子- -空穴對空穴對。自由電子自由電子空穴空穴 帶負電（自由運功）帶負電（自由運功）帶正電（依次替補運功）帶正電（依次替補運功）本征半導體中的自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的本征半導體中的自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的 故又叫做故又叫做電子空穴對。電子空穴對。 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學本征半導體中的載流子本征半導體中的載流子 當溫度升高（加熱或光照），價電當溫度升高（加熱或光照），價電子獲得足夠的能量掙脫原子核及共子獲得足夠的能量掙脫原子核及共價鍵的束縛，進入自由空間成為自價鍵的束縛，進入自由空間成為自由電子參

7、與導電，同時在原來的位由電子參與導電，同時在原來的位置上留下空位，稱為置上留下空位，稱為空穴空穴。這個過。這個過程稱為程稱為本征熱激發(fā)本征熱激發(fā)。動態(tài)平衡：動態(tài)平衡：本征熱激發(fā)：本征熱激發(fā)：在自由電子和空穴的產生過程中，還在自由電子和空穴的產生過程中，還存在著自由電子和空穴的復合，在一存在著自由電子和空穴的復合，在一定的溫度下，本征激發(fā)和復合在某一定的溫度下，本征激發(fā)和復合在某一熱平衡載流子濃度值上達到動態(tài)平衡熱平衡載流子濃度值上達到動態(tài)平衡。 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學二、雜質半導體二、雜質半導體1 1 定義：定義：按摻雜的不同分為按摻雜的不同分為P型型(空穴型空穴

8、型)和和N型型(電子型電子型)兩兩種雜質半導體。種雜質半導體。 （1 1）P P型半導體：型半導體： 受主雜質受主雜質: : 空穴濃度遠大于電子濃度?？昭舛冗h大于電子濃度。 多數(shù)載流子多數(shù)載流子 簡稱多子簡稱多子 少數(shù)載流子少數(shù)載流子 簡稱少子簡稱少子 三價雜質原子在電離中接受了一個電子三價雜質原子在電離中接受了一個電子（摻入少量雜質的半導體）（摻入少量雜質的半導體）在本征半導體中摻入微量的在本征半導體中摻入微量的三價三價元素元素在在P P型半導體中，空穴是多子，電子是少子。型半導體中，空穴是多子，電子是少子。結論結論雜質半導體中雜質半導體中 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程

9、大學P P型半導體中的載流子分布圖型半導體中的載流子分布圖 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學（2）N型半導體型半導體 施主雜質施主雜質 磷原子丟失一個電子時就變成了帶正電的正離子磷原子丟失一個電子時就變成了帶正電的正離子 電子的濃度遠遠大于空穴的濃度。電子的濃度遠遠大于空穴的濃度。 結論：在結論：在N型半導體中，電子是多子，空穴是少子。型半導體中，電子是多子，空穴是少子。 在本征半導體中摻入微量的在本征半導體中摻入微量的五價五價元素元素 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學雜質半導體總結：雜質半導體總結：兩種參雜半導體的多子都是由兩部分組成：兩種參雜半導體的

10、多子都是由兩部分組成：參雜出來的本征激發(fā)的多子多子少子少子本征激發(fā)的多子受參雜的影響大多子受參雜的影響大少子受溫度的影響大少子受溫度的影響大參雜的結果使半導體的導電能力成千上萬倍的增加參雜的結果使半導體的導電能力成千上萬倍的增加P P型：空穴型型：空穴型 N N型：電子型型：電子型 Positive（正的）Negative（負的）P型、型、N型半導體的記憶型半導體的記憶 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學三、三、PN結結1、 PN結的形成與特點結的形成與特點 多子的多子的濃度差濃度差多子的擴散運動多子的擴散運動空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) （內電場）（內電場）阻止多子的擴散運動阻止多

11、子的擴散運動促進少子的漂移運動促進少子的漂移運動動態(tài)平衡動態(tài)平衡形成穩(wěn)定的形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN結形成結形成 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學PN 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學PN PN 結形成及特點總結：結形成及特點總結：多子擴散建立內電場內電場阻礙多子的擴散，促進少子的漂移多子擴散運動和少子的漂移運動達到平衡PN結的形成結的形成PN結的特點結的特點PN結的厚度：幾微米幾十微米達到動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)的電位差Vho很小：Si:0.5v左右 ；Ge:0.2v左右 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學2 PN結的結的單向導

12、電特性單向導電特性 （1）外加正向電壓）外加正向電壓(正偏置正偏置)PN結導通結導通 外加電場與內電場方向相反，內電場被削弱，此時多子擴散運外加電場與內電場方向相反，內電場被削弱，此時多子擴散運動大大超過少子漂移運動，形成較大的正向電流，這時稱動大大超過少子漂移運動，形成較大的正向電流，這時稱PNPN結處于結處于導通狀態(tài)導通狀態(tài)。P區(qū)接電源正N區(qū)接電源負正偏置 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學PN 結正偏結正偏PN 結正向導通結正向導通外電場與內電場方向相反外電場與內電場方向相反利于擴散利于擴散擴散擴散 漂移漂移PN 結變窄結變窄外部電源不斷提供電荷外部電源不斷提供電荷產生

13、較大的擴散電流產生較大的擴散電流 I I 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學（2）外加反向電壓）外加反向電壓(反偏置反偏置)PN結截止結截止 外加電場與內電場方向相同，增強了內電場，多子擴散外加電場與內電場方向相同，增強了內電場，多子擴散難以進行，少子在電場作用下形成反向電流難以進行，少子在電場作用下形成反向電流I，因為是少子漂，因為是少子漂移運動產生的，移運動產生的，I很小，這時稱很小，這時稱PN結處于結處于截止狀態(tài)截止狀態(tài)。P區(qū)接電源負區(qū)接電源負N區(qū)接電源正區(qū)接電源正反偏置反偏置 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學PN 結反偏結反偏PN 結反向截止結反向

14、截止外電場與內電場方向相同外電場與內電場方向相同利于漂移利于漂移漂移漂移 擴散擴散PN 結變厚結變厚外部電源不斷提供電荷外部電源不斷提供電荷產生較小的反向電流產生較小的反向電流 I 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學PN結正偏導通；反偏截止，結正偏導通；反偏截止，這種性質稱這種性質稱PN結的單向導電性。結的單向導電性。結論：結論： 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學3 、 結的反向擊穿特性結的反向擊穿特性當PN結的反向偏壓超過某一數(shù)值(R)后, 反向電流會急劇增大, 這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。UBR稱為擊穿電壓。 PNPN結處于反向偏置時結處于反向偏置時, ,

15、在一定電壓范圍內在一定電壓范圍內, , 流過流過結的電流是很小的反向飽和電流結的電流是很小的反向飽和電流I Is s。 結的反向擊穿 UIOUB雪崩擊穿齊納擊穿 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學4、 PN結的電容效應結的電容效應(了解了解)結電容結電容=勢壘電容勢壘電容+擴散電容擴散電容BDjCCC勢壘電容勢壘電容CB是由阻擋層是由阻擋層寬窄變化所等效的電容。寬窄變化所等效的電容。擴散電容擴散電容C CD D是多數(shù)載流子在是多數(shù)載流子在擴散過程中引起電荷積累而產擴散過程中引起電荷積累而產生的。生的。PN結的等效電路結的等效電路結電阻結電阻結電容結電容正偏時：正偏時：C Cj

16、 j主要由主要由C CD D決定決定反偏時：反偏時：C Cj j主要由主要由C CB B決定決定工作在低頻時工作在低頻時C CD D、 C CB B都不大，一般可忽略都不大，一般可忽略 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學第二節(jié)第二節(jié) 半導體二極管半導體二極管一、二極管的結構一、二極管的結構 半導體二極管的型號半導體二極管的型號: : 按按PNPN結結分分點接觸點接觸面接觸面接觸按按材料材料分分硅管硅管鍺管鍺管按按用途用途分分普通管普通管整流管整流管如如2CWXX、2APXX器件材料，器件材料，C為為N型型Si管管XX表示器表示器件序號件序號器件類型，器件類型，W為穩(wěn)壓管為穩(wěn)壓

17、管 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學二、二極管的伏安特性曲線及電流方程式二、二極管的伏安特性曲線及電流方程式1.1.二極管的電流方程式二極管的電流方程式 1TU USIIeUT為溫度電壓當量，為溫度電壓當量，常溫下，常溫下，UT = 26 mVl加正向電壓時加正向電壓時sII l加反向電壓時加反向電壓時反向飽反向飽和電流和電流TUU 當 時TUUSeII 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學2 2 伏安特性曲線伏安特性曲線正向特性正向特性反向特性反向特性 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學二極管的伏安特性二極管的伏安特性iD = 0Uon

18、= 0.5VUon=0.1V( (硅管硅管) )( (鍺管鍺管) )U Uon0 U Uon UDQ = (0.6 0.8) V硅管取硅管取 0.7 V(0.1 0.3) V鍺管取鍺管取 0.2 VUon ：開啟電壓或死區(qū)電壓開啟電壓或死區(qū)電壓1.1.正向特性正向特性工作電壓工作電壓 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學二極管的伏安特性二極管的伏安特性OuD /ViD /mAUon反向特性反向特性ISU(BR)反向擊穿反向擊穿iD = IS 0.10.1 A( (硅硅) ) 幾十幾十 A( (鍺鍺) )PN 結兩端外加的反向電壓增加到一結兩端外加的反向電壓增加到一定值時反向電流

19、急劇增大定值時反向電流急劇增大(反向擊穿反向擊穿)2.2.反向特性反向特性lU(BR) U 0sII lU U(BR)反向飽和電流 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學三、環(huán)境溫度對伏安特性曲線的影響三、環(huán)境溫度對伏安特性曲線的影響當溫度升高時，當溫度升高時，正向特性曲線左移。正向特性曲線左移。 反向飽和特性曲線下移。反向飽和特性曲線下移。 2!10212TTCSSITIT其變化規(guī)律為其變化規(guī)律為 2T1T溫度每升高 ，C1onU 減小mV5 . 22 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學四、二極管的主要參數(shù)四、二極管的主要參數(shù) 1 1 最大整流電流最大整流電流

20、FI2 2 最大反向工作電壓最大反向工作電壓RU3 3 反向電流反向電流 RI4 4 最高工作頻率最高工作頻率 Mf二極管長時間工作時允許通過的最大直流電流。二極管長時間工作時允許通過的最大直流電流。 二極管正常使用時允許加的最高反向電壓。二極管正常使用時允許加的最高反向電壓。 使用時應注意流過二極管的正向最大電流不能大于使用時應注意流過二極管的正向最大電流不能大于這個數(shù)值，否則可能損壞二極管。這個數(shù)值，否則可能損壞二極管。使用中如果超過此值，二極管將有被擊穿的危險。通常使用中如果超過此值，二極管將有被擊穿的危險。通常取取U UBRBR的一半。的一半。 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈

21、爾濱工程大學五、二極管的等效分析五、二極管的等效分析 1 1 二極管的二極管的直流電阻直流電阻與與交流電阻交流電阻1tanDDDURI（1 1）直流電阻）直流電阻R RD D R RD D與與Q點位置有關點位置有關: :工作點越高直流工作點越高直流電阻越小。電阻越小。加到二極管兩端的直流電壓與流過二極管的電流之比, 稱為二極管的直流電阻, 即 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學（2 2）交流電阻）交流電阻 dr1tanDdDUrIQTdIUr QdImVr26幾何含義：過幾何含義：過Q點外切線斜率的倒數(shù)點外切線斜率的倒數(shù)當在直流工作點加當在直流工作點加一個交流小信號時一個交流

22、小信號時常溫下常溫下在二極管工作點附近在二極管工作點附近, ,電壓電壓的微變值的微變值與相應的微與相應的微變電流值變電流值之比之比, , 稱為稱為該點的交流電阻該點的交流電阻, , 即即 與與Q點位置有關點位置有關: :工作點越高交工作點越高交流電阻越小。流電阻越小。dr 與與Q點位置有關點位置有關: :工作點越高交工作點越高交流電阻越小。流電阻越小。 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學2 2 等效電路等效電路 （1 1）理想二極管）理想二極管 理想二極管的死區(qū)電壓和理想二極管的死區(qū)電壓和正向電壓降都等于零，反正向電壓降都等于零，反向電流也等于零，理想二向電流也等于零，理想二

23、極管在電路中相當于一個極管在電路中相當于一個開關元件開關元件 。 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學 在如圖所示電路中，已知在如圖所示電路中，已知 為正弦波，二極管的為正弦波，二極管的正向壓降和反向電流均可忽略（理想二極管），定性畫正向壓降和反向電流均可忽略（理想二極管），定性畫出輸出電壓出輸出電壓 的波形。的波形。UiUo例例1：二極管整流：二極管整流 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學（2 2）考慮正向壓降時的等效電路）考慮正向壓降時的等效電路導通時正向壓降為一常量導通時正向壓降為一常量Uon,截止時反向電流為截止時反向電流為0. 模擬電子技術模擬電子技

24、術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學例例2 2：二極管限幅：二極管限幅 在如圖所示電路中，已知在如圖所示電路中，已知 為正弦波，二極管的為正弦波，二極管的正向壓降為正向壓降為0.7V,0.7V,反向電流可忽略反向電流可忽略, ,定性畫出輸出電壓定性畫出輸出電壓 的波形。的波形。UiUoV 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學（3）考慮）考慮Uon和正向特性斜率的等效電路和正向特性斜率的等效電路理想二極管理想二極管 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學（4 4）微變等效電路）微變等效電路DQTdIUiurdr二極管等效為一個動態(tài)電阻常溫下：DQdImvr26 模擬電子技術模擬電子技術哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學六、穩(wěn)壓二極管：六、穩(wěn)壓二極管： 1 1 穩(wěn)壓管的主要特點：工作在反向擊穿區(qū)，電流變穩(wěn)壓管的主要特點：工作在反向擊穿區(qū)，