《電子技術基礎》模擬部分（第六版）華技大學電子技術基礎模擬部分緒論運算放大器二極管及其基本電路場效應三極管及其放大電路雙極結型三極管及其放大電路頻率響應模擬集成電路反饋放大電路功率放大電路信號處理與信號產生電路直流穩壓電源3

二極管及其基本電路半導體的基本知識PN結的形成及特性二極管二極管的基本電路及其分析方法特殊二極管3.1

半導體的基本知識半導體材料半導體的共價鍵結構本征半導體雜質半導體3.1.1

半導體材料根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。3.1.2

半導體的共價鍵結構硅和鍺的原子結構簡化模型及晶體結構3.1.3

本征半導體本征半導體——化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態。空穴——共價鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發而產生的 電子和空穴對。空穴的移動——空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現的。由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產生空穴－電子對3.1.4

雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。N型半導體——摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。P型半導體——摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。3.1.4

雜質半導體1.

N型半導體因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導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而很容易形成在N型半導體中電子。電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子,由熱激發形成。提供 電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。3.1.4

雜質半導體+4+4+4+4+4+4+4+3+4鄰近的電子落入受主的空位，留下可移動的空穴受主原子可移動的空穴受主獲得一個電子而形成一個負離子2.

P型半導體因三價雜質原子在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。在P型半導體中空穴是多數載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數載流子，由熱激發形成。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。3.1.4

雜質半導體3.

雜質對半導體導電性的影響摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下:T=300

K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:n

=p

=1.4×1010/cm312摻雜后N

型半導體中的 電子濃度:n=5×1016/cm33

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。3.2

PN結的形成及特性載流子的漂移與擴散PN結的形成PN結的單向導電性PN結的反向擊穿PN結的電容效應3.2.1

載流子的漂移與擴散漂移運動：在電場作用引起的載流子的運動擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動3.2.2 PN結的形成P

型N

型3.2.2 PN結的形成空間電荷區P

型區N

型區內電場

E內電場促使少子漂移內電場

多子擴散最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。在一塊本征半導體兩側通過擴散不同的雜質,分別形成

N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:因濃度差多子的擴散運動

由雜質離子形成空間電荷區空間電荷區形成內電場3.2.3 PN結的單向導電性當外加電壓使PN結中P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。PN結加正向電壓時低電阻大的正向擴散電流PN結的I-V

特性-0.5-1.00.51.0vD/ViD/mA1.0正向偏置特性0.53.2.3 PN結的單向導電性當外加電壓使PN結中P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。(2)PN結加反向電壓時高電阻很小的反向漂移電流PN結的I-V

特性iD/mA1.00.5-0.5-1.00.51.0vD/V正向偏置特性iD

=

-IS反向偏置特性3.2.3 PN結的單向導電性PN結的I-V

特性iD/mA1.00.5-0.5-1.00.51.0vD/V正向偏置特性iD

=

-IS反向偏置特性在一定的溫度條件下，由本征激發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，這個電流也稱為反向飽和電流。當外加電壓使PN結中P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。(2)PN結加反向電壓時高電阻很小的反向漂移電流3.2.3 PN結的單向導電性PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。3.2.3 PN結的單向導電性(3)

PN結I-V

特性表達式D

Tv

/ViD

IS

(e

1)其中I

——反向飽和電流SVT

——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）qTV

kT

0.026V

26

mViD/mA1.00.5iD=

-IS-0.5-1.00.51.0vD/V正向偏置特性反向偏置特性PN結的I-V

特性3.2.4 PN結的反向擊穿當PN結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆iDOVBvD3.2.5 PN結的電容效應(1)勢壘電容CBPNVD(a)

電壓減小時PN(b)電壓增加時VD外加電壓變化離子層厚薄變化等效于電容充放電3.2.5 PN結的電容效應PNVDpNnPx擴散電容示意圖(2)擴散電容CD外加電壓變化擴散到對方區域在靠近PN結附近累積的載流子濃度發生變化等效于電容充放電3.3

半導體二極管二極管的結構二極管的I-V特性二極管的參數3.3.1

二極管的結構3.3.1

二極管的結構(1)點接觸型二極管在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型兩大類。PN結面積小，結電(a)點接觸型二極管的結構示意圖容小，用于檢波和變頻等高頻電路。3.3.1

二極管的結構(2)面接觸型二極管PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(3)二極管的代表符號(c)集成電路中的平面型陽極陰極引線 引線PNP

型支持襯底k

陰極陽極a3.3.2

二極管的I-V特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示iD

IS

(e

D

T

1)v

/VvD/V0.2

0.4

0.6

0.840530

20

10

010203040iD/AiD/mA201510死區VthVBR硅二極管2CP10的I-V

特性vD/V0.2

0.4

0.660

4

2050151010203040iD/AiD/mA20②①③VthVBR鍺二極管2AP15的I-V

特性+iDvD-R正向特性反向特性反向擊穿特性3.3.3

二極管的主要參數最大整流電流IF反向擊穿電壓VBR反向電流IR極間電容Cd（CB、CD

）反向恢復時間TRR3.4

二極管的基本電路及其分析方法簡單二極管電路的圖解分析方法二極管電路的簡化模型分析方法3.4.1

簡單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V

-I

特性曲線。符號中大小寫的含義：大寫字母大寫下標：靜態值（直流），如，IB小寫字母大寫下標：總量（直流+交流），如，iB小寫字母小寫下標：瞬時值（交流），如，ib（參見“本書常用符號表”）DD，已知二極管的V-I特性曲線、電源V

和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD

。+vDiD-RVDDD解：由電路的KVL方程，可得R

VDDi

vDDD

DDDR

R

1

v

1

V即

i是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線Q的坐標值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點R1例3.4.1

電路3.4.2

二極管電路的簡化模型分析方法OvD+vDiD(a)(d)iD+vDiD(b)+vDiD=0(c)（iD>0，vD=0）（vD<0，iD=0）1.二極管I-V

特性的建模將指數模型等效模型。（1）理想模型I-V

特性代表符號正向偏置時的電路模型v

ViD

IS

(e分D段T

線

性1)化，得到二極管特性的反向偏置時的電路模型3.4.2

二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管I-V

特性的建模（2）恒壓降模型

（3）折線模型（a）I-V

特性（b）電路模型vDO(a)+vDiD(b)iD（a）I-V

特性（b）電路模型OvD+vDiD(a)(b)iDVthrDVth3.4.2

二極管電路的簡化模型分析方法vs

=Vmsint

時（Vm<<VDD）+vDiD-RVDDDsDDDD

1

v

1

(V

v

)R

RiQ點稱為靜態工作點

，反映直流時的工作狀態。的V-I

特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。1.二極管I-V

特性的建模（4）小信號模型將Q點附近小范圍內+vs-3.4.2

二極管電路的簡化模型分析方法OvD(a)iDiD(b)vDiDQ+vDrdD即

rd

i1.二極管I-V

特性的建模（4）小信號模型過Q點的切線可以等效成一個微變電阻vDv

/V

1)

ISe

D

Tv

/V根據

iD

IS

(e

D

T得Q點處的微變電導QdvgdD

TQevD

/

VTV

diD

ISTV

IDddr

1則Dg

I

VT常溫下（T=300K）dID

ID

(mA

)TV

26(mV

)r

QTV

iD3.4.2

二極管電路的簡化模型分析方法OvD(a)iDiD(b)vDiDQ+vDrd特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態工作點Q有關。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。（a）I-V

特性

（b）電路模型1.二極管I-V

特性的建模（4）小信號模型Otvs2

34Otvo2

343.4.2

二極管電路的簡化模型分析方法+vo-R+vs-D（a）2．模型分析法應用舉例（1）整流電路（理想模型）當vs為正半周時，二極管導通，且導通壓降為0V，vo

=vs2．模型分析法應用舉例（2）靜態工作情況分析當VDD=10V

時，（R=10k）理想模型VD

0

V

ID

VDD

/

R

1

mA恒壓模型DV

0.7

V（硅二極管典型值）ID

(VDD

VD

)

/

R

0.93

mA折線模型Vth

0.5

V（硅二極管典型值）

0.931

mAD

VthDR

r

VDDIDr

0.2

k設D

DthDV

V

I

r

0.69

V+DiD+DiDVD+DiDVDDVthrD（a）簡單二極管電路

（b） 畫法VDD

VDD當VDD=1V

時，

（

）0tvI2

34vO/V3.730tvI2

34vO/VvO+VREFvIDVDvODVREFvI+R

R+

+vO+DVREF

vI+R（3）限幅與鉗位電路電路如圖，R

=1kΩ，VREF

=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當vI

=6sint

V時，繪出相應的輸出電壓vO的波形。2．模型分析法應用舉例CD+vOvs-+-VC-

+（3）限幅與鉗位電路電路如圖，二極管為硅二極管，VD=0.7V，vs

=

Vm

sint

V，且Vm

>>VD

，繪出相應的輸O出電壓v

的波形。vs的負半周，D導通，C充電，但無放電回路，最后（穩態）VC

=Vm

-VD

=Vm–0.7V

（Vm是振幅值）此后輸出電壓為vO

=

vs

+VC

=

vs

+Vm

-

0.7V將輸入波形的底部鉗位在了-0.7V的直流電平上。tvs/VVm0tVC-0.7vO/V若顛倒二極管的方向，vO的波形將怎樣變化？2．模型分析法應用舉例D3k(a)VVAO（4）開關電路電路 ，求AO的電壓值解：先斷開D，以O為基準電位，即O點為0V。則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向導通。導通后，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。2．模型分析法應用舉例OtvO/V2344.30.0994+vO-RVDD+vs-D

iD+

vD

-（6）小信號工作情況分析圖示電路中，VDD

=5V，R

=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs

=0.1sint

V。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。解得：vO

=

VO

+

vo

=

4.3

+

0.0994sint

（V）+VO-RVDDVD直流通路（靜態）ID

rd

id+vo-R+vs-vd+

-小信號模型的交流通路（動態）直流通路、交流通路、靜態、動態等概念，在放大電路的分析中非常重要。RVD

VDDD解：IDdIVr

Tsdo

vv

R

rR2．模型分析法應用舉例3.5

特殊二極管齊納二極管變容二極管肖特基二極管光電器件3.5.1

齊納二極管1.符號及穩壓特性利用二極管反向擊穿特性實現穩壓。穩壓二極管穩壓時工作在反向電擊穿狀態。a(a)符號k-VZIZvD/ViD/mAO-IZ(min)-IZ(max)-IZT-VZ0QZ1rVZ(b)伏安特性斜率+IZVZrZVZ0a（c）反向擊穿時的模型k3.5.1

齊納二極管-VZIZVZvD/ViD/mAO-IZ(min)-IZ(max)-IZT-VZ0Q1rZ斜率2.齊納二極管主要參數(1)

穩定電壓VZ在規定的穩壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。(2)

動態電阻rZ