電子線路Ⅰ教師:徐宏宇何慧

電子工程系一、課程內容：

半導體基礎知識半導體器件：晶體二極管、三極管、場效應管、運算放大器機理模型應用分析放大器性能分析其他實用電路分析（運算電路、電源電路等）二、課程特點：1、工程性強

2、入門較難

3、實踐環節要求高三、教學要求參考書：謝嘉奎：電子線路（線形部分）高等教育出版社童詩白：模擬電子技術基礎張鳳言：電子電路基礎高等教育出版社第一章晶體二極管及其基本電路本章需要學習掌握的知識1掌握半導體物理基礎知識2PN結的基本特性3晶體二極管及其基本電路1-1半導體的基本知識

在物理學中,根據材料的導電能力，可以將他們劃分導體、絕緣體和半導體。半導體:導電能力(電阻率)介于導體和絕緣體之間典型的半導體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。

本征半導體的共價鍵結構束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。1-1-1本征半導體

本征半導體——化學成分純凈的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。

這一現象稱為本征激發，也稱熱激發。當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，稱為空穴。外加能量高（溫度越高），電子空穴對越多。與本征激發相反的現象——復合在一定溫度下，本征激發和復合同時進行，達到動態平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對穩敏特性自由電子帶負電荷電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－＋總電流載流子空穴帶正電荷空穴流本征半導體的導電性取決于外加能量：溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。導電機制

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。一

N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。

1–1–2雜質半導體

N型半導體多余電子磷原子硅原子多子---多數載流子——自由電子少子---少數載流子——空穴++++++++++++N型半導體施主離子自由電子電子空穴對

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等。空穴硼原子硅原子多數載流子——空穴少數載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導體受主離子空穴電子空穴對2.

P型半導體1–1–3半導體中的電流一、漂移電流

在電場作用下，半導體中的載流子作定向漂移運動形成的電流，稱為漂移電流。半導體中的總漂移電流為兩者之和即I=In+Ip漂移電流的大小將由半導體中載流子濃度、遷移速度及外加電場的強度等因素決定。二、擴散半導體中，載流子的濃度分布不均勻時，載流子會從濃度大的地方向濃度小的地方作擴散形成擴散電流。內電場E

因多子濃度差

形成內電場

多子的擴散

空間電荷區

阻止多子擴散，促使少子漂移。PN結合空間電荷區多子擴散電流少子漂移電流耗盡層1-2PN結及其特性

1-2-1PN結的形成

少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散又失去多子，耗盡層寬，E內電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層動態平衡：擴散電流＝漂移電流總電流＝0勢壘(區)UB硅0.5V鍺0.1V1-2-2PN結的單向導電性一加正向電壓（正偏）——電源正極接P區，負極接N區

外電場的方向與內電場方向相反。

外電場削弱內電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流

二加反向電壓——電源正極接N區，負極接P區

外電場的方向與內電場方向相同。

外電場加強內電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流ISPN

在一定的溫度下，由本征激發產生的少子濃度是一定的，故IS基本上與外加反壓的大小無關，所以稱為反向飽和電流。但IS與溫度有關。

結論：PN結具有單向導電性。

PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現低電阻，PN結導通；

PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流(μa)，呈現高電阻，PN結截止。理論分析：PN結(二極管)電流方程:u為PN結兩端的電壓降i為流過PN結的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q

稱為溫度的電壓當量其中k為玻耳茲曼常數

1.38×10－23q

為電子電荷量1.6×10－9T為熱力學溫度對于室溫（相當T=300K）則有UT=26mV。當u>0u>>UT時當u<0|u|>>|UT

|時三PN結電流方程和伏安特性曲線

根據電流方程，PN結的伏安特性曲線如圖正偏IF（多子擴散）IS（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結電擊穿——可逆1–2–3PN結的擊穿特性

PN結發生反向擊穿的機理可以分為兩種。一、雪崩擊穿

二、齊納擊穿(場致擊穿）

內電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層1-2-4PN結的電容效應

當外加電壓發生變化時，耗盡層的寬度要相應地隨之改變，即PN結中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。CT為幾個到幾十個PF

(1)勢壘電容CT(2)擴散電容CD

當外加正向電壓不同時，PN結兩側堆積的少子的數量及濃度梯度也不同，這就相當電容的充放電過程。CD

為幾十到幾百PF。電容效應在高頻交流信號作用下才會明顯表現出來極間電容（結電容）CJ=

CT+

CD伏安特性上：溫度升高，正向特性左移，反向特性下移具體變化規律是：溫度每升高10℃，反向飽和電流IS增大一倍。如果溫度為T1時，IS=IS1；溫度為T2時，IS=IS2，則

保持正向電流不變時，溫度每升高1℃，結電壓減小約2~2.5mV，即

Δu/ΔT≈-(2~2.5)mV/℃1–2–5PN結的溫度敏感特性1-3半導體二極管及其基本電路二極管=PN結+管殼+引線NP結構符號正極+負極-

二極管按結構分三大類：(1)點接觸型二極管

PN結面積小，結電容小，用于檢波等高頻電路。(3)平面型二極管

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。(2)面接觸型二極管

PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數字代表同類器件的不同規格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。

1-3-1半導體二極管的V—A特性曲線

硅：0.5~0.6V

鍺：

0.1~0.2V(1)正向特性導通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區電壓UD(ON)擊穿電壓UBR實驗曲線uEiVmAuEiVuA鍺硅：0.7V鍺：0.3V表面漏電流影響，反向電流比理想PN結的IS大得多1-3-2二極管的主要參數一、直流電阻RD定義為：二極管兩端所加直流電壓UD與流過它的直流電流ID之比，即RD不是恒定值，正向的RD隨工作電流增大而減小反向的RD隨反向電壓增大而增大二、交流電阻rD

rD定義為：二極管在其工作狀態(IDQ,UDQ)處的電壓微變量與電流微變量之比，即

三、最大整流電流IF——二極管長期連續工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。四、最大反向工作電壓URM=UBR/2

二極管允許施加的最大反向電壓電壓。五、反向電流IR

在室溫下，在規定的反向電壓下的反向電流值。硅管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺管在微安(

A)級。

六、最高工作頻率fM1-3-3二極管的模型及近似分析計算例：IR10VE1kΩD—非線性器件iuRLC—線性器件1、二極管特性的折線近似及電路模型導通壓降二極管的V—A特性DU2、串聯電壓源模型UD二極管的導通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。3、理想二極管模型正偏反偏導通壓降二極管的V—A特性二極管的近似分析計算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串聯電壓源模型測量值9.32mA相對誤差理想二極管模型RI10VE1kΩ相對誤差0.7V

1–3–4二極管基本應用電路利用二極管的單向導電特性，可實現整流、限幅及電平選擇等功能。一、二極管整流（交流電變直流）電路簡單二極管半波整流電路如圖所示。若二極管為理想二極管。二、二極管限幅電路限幅電路也稱為削波電路，目的使輸入電壓的變化范圍加以限制的電路，用于波形變換和整形。限幅電路的傳輸特性例：二極管構成的限幅電路如圖所示，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入信號為ui。

(1)若ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、二極管串聯電壓源模型計算電流I和輸出電壓uo解：（1）采用理想模型分析。

采用理想二極管串聯電壓源模型分析。（2）如果ui為幅度±4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯電壓源模型分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。解：①采用理想二極管模型分析。波形如圖所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V

②采用理想二極管串聯電壓源模型分析，波形如圖所示。三、二極管電平選擇電路

從多路輸入信號中選出最低電平或最高電平的電路，稱為電平選擇電路。當穩壓二極管工作在反向擊穿狀態下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時,其兩端電壓近似為常數穩定電壓1-3-5穩壓二極管及穩壓電路

一、穩壓二極管特性應用在反向擊穿區的特殊二極管正向同二極管反偏電壓≥UZ

反向擊穿＋UZ－限流電阻二、穩壓二極管的主要

參數

(1)穩定電壓UZ(4)動態電阻rZ

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。

rZ=

U

/

I

rZ愈小