第2章放大器基本原理第1節(jié)晶體二極管

《電子電路學》參考書：1、模擬電子技術基礎(第4版)，童詩白,華成英主編出版社:高等教育出版社ISBN:97870401892232、數字電子技術基礎（第5版），閻石

主編出版社:高等教育出版社ISBN:9787302152019第二章放大器基本原理1、半導體基礎知識及導電性2、PN結的形成及單向導電性3、半導體二極管的電壓電流特性4、半導體二極管的應用5、穩(wěn)壓二極管第一節(jié)半導體二極管一、半導體基礎知識物質按導電性能可分為導體、絕緣體和半導體。物質的導電特性取決于原子結構。導體:可在電場作用下流動自由電荷的物體。金屬和合金一般都是導體，如金、銀、銅、鐵、鋁、鎢、鎳鉻等。絕緣體:不容易導電的物體叫絕緣體。如惰性氣體、橡膠、陶瓷等。半導體:導電特性處于導體和絕緣體之間的物體。

半導體在室溫下電阻率約在10-5～107?m之間。氖鋁硅1.1導體、絕緣體和半導體表述：純凈的具有晶體結構的半導體稱為

本征半導體?；瘜W成分純凈的半導體；物理結構上呈單晶體結構。1.2本征半導體1.3.本征半導體導電方式

鍺和硅的原子結構硅單晶中的共價鍵結構現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子數都是四個。把硅或鍺材料制成單晶體時，原子組成金剛石晶體結構，每個原子周圍有四個最鄰近的原子。這四個原子處于正四面體的頂角上，任一頂角上的原子和中心原子各貢獻一個價電子為這兩個原子所共有，并形成穩(wěn)定的共價鍵結構。硅晶體結構共價鍵共用電子對(1)

自由電子和空穴的形成當本征半導體受熱或光照時，使其共價鍵中的價電子獲得足夠的能量后，電子脫離共價鍵的束縛，成為自由電子(帶負電)，共價鍵中留下一個空位，稱為“空穴”。這種現象稱為本征激發(fā)(熱“激發(fā)”)?？昭ü矁r鍵共用電子對束縛電子自由電子自由電子與空穴成對出現，二者數目相等。(2)本征半導體中電流的形成電子電流：自由電子作定向運動所形成的電流；空穴電流：由于空穴的存在，價電子將按一定的方向依次填補空穴，就好像空穴在運動。而空穴運動的方向與價電子運動的方向相反，因此空穴運動相當于正電荷的運動?？昭ㄗ杂呻娮颖菊靼雽w結構示意圖空穴空穴本征半導體中電流由兩部分組成：1.自由電子移動產生的電流。2.空穴移動產生的電流。本征半導體的載流子

自由電子空穴導體的載流子：自由電子載流子：運載電荷的粒子自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，這種現象稱為復合。在一定溫度下，本征激發(fā)產生的載流子和復合的載流子，最終會達到動態(tài)平衡，使本征半導體內載流子濃度處于某一熱平衡值。溫度升高→熱運動加劇→載流子濃度升高→導電性增強溫度下降→導電性減弱1.4雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。由此制造出人們所期望的各種性能的半導體器件。根據摻入的雜質元素的種類，可以分為N型半導體和P型半導體?？刂茡饺氲碾s質元素的濃度，可以控制雜質半導體的導電性能在硅(或鍺)的晶體中摻入少量的五價元素(如磷元素)，原來晶體中的某些硅原子位置將被雜質原子代替。磷原子最外層有5個價電子，其中4個與硅構成共價鍵，多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子，使得半導體中的自由電子數目大量增加，于是有：

自由電子數＞＞空穴數多數載流子少數載流子1.4.1

N型半導體磷原子的結構硅晶體摻磷后出現自由電子磷原子成為不能移動的帶正電的離子。表述：以自由電子導電作為主要導電方式的半導體，稱為電子半導體或N型半導體。N型半導體雜質原子（磷原子）中的空位由于釋放出了電子，成為不能移動的帶正電的離子。自由電子施主原子在硅或鍺的晶體中摻入少量的三價元素(如硼元素)，原來晶體中的某些硅原子被硼原子代替。硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰硅原子形成共價鍵時，將產生一個空位（空位為電中性）。硅原子的外層電子填補空位時，共價鍵中產生空穴。于是在半導體中就形成了大量空穴。自由電子數＜＜空穴數少數載流子多數載流子1.4.2P型半導體

硼原子的結構硅晶體摻硼后出現空穴空位硼原子成為不能移動的帶負電的離子。P型半導體表述：以空穴導電作為主要導電方式的半導體，稱為空穴半導體或

P型半導體。雜質原子（硼原子）中的空位由于接受了電子，成為不能移動的帶負電的離子。空穴受主原子多子的濃度取決于摻入的雜質元素的濃度，受溫度影響很小；少子的濃度取決于溫度(熱“激發(fā)”)。N型半導體多數載流子：自由電子少數載流子：空穴P型半導體多數載流子：空穴少數載流子：自由電子二、

PN結的形成PN結的形成過程

空間電荷區(qū)++++++++++++++++NP內電場U0PN結平衡狀態(tài)下的電位分布綜上可簡述為：多子擴散形成PN結產生內電場

U0減少多子擴散運動加大少子漂移運動漂移及擴散運動達到動態(tài)平衡形成穩(wěn)定的PN結PN結的形成過程PN結加正向電壓空間電荷區(qū)變窄多子擴散運動↑少子漂移運動↓形成正向電流IF↑

PN結導通（

PN

結呈現

R↓)2.2PN結的單向導電性內電場

↓加正向電壓(1)PN結加正向電壓IFNP內電場U0U0-UF外電場(2)PN結加反向電壓PN結加反向電壓加反向電壓內電場↑空間電荷區(qū)變寬多子擴散運動↓少子漂移運動↑反向電流IR↓

PN結截止（

PN

結反向R↑)NPU0IR內電場U0+UF外電場1.PN結具有單向導電性。2.加正向電壓PN結導通

較大的正向電流

PN結電阻很低。3.加反向電壓PN結截止

很小的反向電流漂移

PN結電阻很高。*

結論：

二極管加正向電壓導通時，管壓降很?。ü韫埽?.7V，鍺管0.3V），可以近似看作是一個閉合的開關。

二極管加反向電壓時截止，截止后反向電流幾乎不隨反向電壓的增大而增大，且反向電流很?。╪A級），可以近似看作是一個斷打開的開關。3.1基本結構與符號基本結構：二極管按結構分有：點接觸型、面接觸型及平面型。(1)點接觸型二極管點接觸型半導體二極管結構示意圖三、半導體二極管及其特性(2)面接觸型二極管面接觸型平面型(3)平面型二極管平面二極管，采用擴散法制成，用于大功率整流和開關管。二極管的電路符號3.2、

PN結的電壓與電流關系3.1PN結的U-I關系式

式中：

IS—反向飽和電流

UT—

熱電壓，UT=kT/q，當T=300K時，UT≈26mV。REiuNPPN結PN結的U-I特性

∴當u=0時，i=0；當u>0，且u>>UT時，當u<0，且│u│>>UT時，

i≈-IS

，PN結反向截止。PN結的伏安特性曲線IS:反向飽和電流，越小越好開啟電壓開啟電壓（死區(qū)電壓）,是由于外加電場很小，還不足以克服內電場的阻礙作用。此時多子的擴散還受到抑制作用，因此不能形成電流。3.3溫度特性：

二極管的特性對溫度很敏感,溫度升高,正向特性曲線向左移,反向特性曲線向下移。為什么？3.4反向擊穿特性

當反向電壓超過反向擊穿電壓UB時，反向電流將急劇增大，而PN結的反向電壓值卻變化不大，此現象稱為PN結的反向擊穿。

雪崩擊穿：反向電壓較高時(U>6V)，PN結中內電場較強，參加漂移的少子受到加速，與中性原子相碰，使價電子受激發(fā)產生新的電子空穴對，它們也被加速。形成鏈式反應，載流子濃度驟增，反向電流隨之增大。3.5綜述：

4）當時，若

uD

＞

UBR

，則D

反向擊穿燒壞。3）當時，且

uD

＜

UBR

，有IR≈0，則D

截止；2）當時，且

uD＞Uth

，則D導通；1）二極管的U-I特性為非線性；鍺二極管的伏安特性正向特性反向特性二極管動態(tài)電阻rd練習題

選擇填空1.N型半導體中少數載流子是()；P型半導體中多數載流子是()。

A.自由電子B.空穴C.中子D.質子2.擴散電流的大小由()決定；漂移電流的大小由()決定.A.電子B.空穴C.摻雜濃度D.溫度3.二極管兩端加正向電壓時，它的動態(tài)電阻隨正向電流增加而()；

A.增大B.減小C.不變BBCDB3.6其他二極管發(fā)光二極管（LightEmittingDiode）光電二極管（Photo-Diode）

1.額定整流電流IF

表述：二極管工作與半波整流電路中，長期運行所允許通過的電流平均值。2.正向工作電壓UF

表述：二極管工作與半波整流電路中，流過額定整流電流時，管子的電壓平均值。3.最高反向工作電壓UR

表述：保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。4.反向電流IR

表述：指室溫下二極管加上規(guī)定的反向工作峰值電壓時所對應的反向電流。5.反向擊穿電壓UBR

表述：使二極管反向被擊穿所對應的反向峰值電壓。3.7二極管主要參數

利用它的單向導電性，主要用于

1.整流：將交流變換為直流；

2.檢波：從高頻載波中檢出調制信號；

3.限幅：將輸出電壓的幅度限制在一定范圍內；

4.箝位及隔離；

5.元件保護以及在數字電路中作為開關元件等。四、二極管的應用例1.在整流電路中的應用：將交流變換為直流；工作過程分析：*當u2

＞0(正半周)，D1、D3導通，D2、D4截止。

i1的通路是a→D1→RL→D3→b

;i1i2*當u2

＜0(負半周)，D2、D4

導通，D1、D3

截止。

i2

的通路是b→D2→RL→D4→a

;橋式整流電路輸入的是正弦交流信號，輸出加載在負載RL上的是脈動的直流電壓和電流例2電路如圖所示，已知ui＝10sinωt(v)，試畫出ui與uO的波形。設二極管正向導通電壓可忽略不計。

例3.限幅（削波）作用電路如圖所示，求uo及畫出波形，忽略二極管導通壓降。解：1）當ui

＞E時，D導通；∴uo=UD

+E≈E

2)當ui

＜E時,D截止，∴uo=ui3)

畫出波形限幅電路當ui

＞E時，D導通；uo=UD+E=E（忽略導通壓降，UD=0）

當ui

＜E時,D截止，uo=ui限幅電路例4、電路如圖所示，已知ui＝5sinωt(V)，二極管導通電壓UD＝0.7V。試畫出ui與uO的波形，并標出幅值。例5二極管用于電壓箝位D1、D2的導通壓降均為0.7V0.7V0.7V0.7V3.7V五、穩(wěn)壓二極管分析：穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。1）OA段:當0＜U＜UZ

時，IZ很?。?）AB段:當

U≥UZ

時，IZ很大，雖△IZ變化范圍很大，但穩(wěn)壓管兩端的電壓△UZ變化很??；體現了穩(wěn)壓特性。5.1伏安特性穩(wěn)定電壓

UZ

：DZ在正常工作下管子兩端的電壓，也就是

它的反向擊穿電壓。穩(wěn)定電流IZ

：DZ在穩(wěn)定電壓下工作時管子中的工作電流。