模拟电路第三章-放大电路的基本原理和分析方法.ppt

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1、第第 3 章章 半半 导导 体体 二二 极极 管管 及及 其其 基基 本本 应应 用用 电电 路路 3.1 半导体基础知识半导体基础知识 3.2 半导体二极管及其基本应用电路半导体二极管及其基本应用电路 3.3 稳压二极管及其基本应用电路稳压二极管及其基本应用电路3.1 半导体的基础础知识3.1.1 本征半导体与杂质半导体3.1.2 PN结3.1 半导体基础知识半导体基础知识 物质的导电特性取决于原子结构，最外层电子物质的导电特性取决于原子结构，最外层电子受原子核的束缚力的大小来判断该物质的导电性。受原子核的束缚力的大小来判断该物质的导电性。物质按导电性能的分类：物质按导电性能的分类：导体：导

2、体：低价元素，如铜、铁、铝等金属，最外层电低价元素，如铜、铁、铝等金属，最外层电子受原子核的束缚力很小，极易形成自由电子。在子受原子核的束缚力很小，极易形成自由电子。在外电场作用下外电场作用下,这些电子产生定向运动这些电子产生定向运动(称为漂移称为漂移运动运动)形成电流形成电流,具有较好的导电特性。具有较好的导电特性。绝缘体：绝缘体：高价元素高价元素(如惰性气体如惰性气体)和高分子物质和高分子物质(如如橡胶橡胶,塑料塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强，最外层电子受原子核的束缚力很强，不易形成自由电子，导电性极差。不易形成自由电子，导电性极差。半导体：半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间。导电

3、特性介于导体和绝缘体之间。半导体半导体的电阻率为的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体有。典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。3.1.1 本征半导体与杂质半导体(1)(1)本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构(2)(2)电子空穴对电子空穴对(3)空穴的移动空穴的移动1 1、本征半导体、本征半导体纯净晶体结构的半导体称为纯净晶体结构的半导体称为本征半导体本征半导体。材料：硅和锗（均为四价元素，在原子结构中材料：硅和锗（均为四价元素，在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。最外层轨道上有四个价电子。）图图3.1 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图硅原

4、子空间排列及共价键结构平面示意图(a)硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列 (b)共价键结构平面示意图共价键结构平面示意图(1(1）本征半导体的共价键结构）本征半导体的共价键结构把硅或锗材料拉制成单晶体时把硅或锗材料拉制成单晶体时,相邻两个原子的一对最外层电相邻两个原子的一对最外层电子子(价电子价电子)成为共有电子成为共有电子,它们一方面围绕自身的原子核运动它们一方面围绕自身的原子核运动,另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用自身原子核的作用,同时还受到相邻原子核的吸引。于是同时还受到相邻原子核的吸引。于是,两两

5、个相邻的原子共有一对价电子个相邻的原子共有一对价电子,组成组成共价键结构共价键结构。故晶体中故晶体中,每个原子都和周围的个原子用共价键的形式互相每个原子都和周围的个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来紧密地联系起来,这种结构的立体和平面示意图见图这种结构的立体和平面示意图见图3.1。(c)（2）电子空穴对）电子空穴对 当当导导体体处处于于热热力力学学温温度度0K时时，导导体体中中没没有有自自由由电电子子。当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，价价电电子子能能量量增增高高，有有的的价价电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自自由由电子电子

6、。自由电子产生的同时，在其原来的共价自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为同时成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。游离的部游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，复合

7、，如图如图3.2所示。所示。本征激发和复合在一定温度下本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。会达到动态平衡。图图3.2 本征激发和复合的过程本征激发和复合的过程(3)(3)空穴的移动空穴的移动 自自由由电电子子的的定定向向运运动动形形成成了了电电子子电电流流，空空穴穴的的定定向向运运动动也也可可形形成成空空穴穴电电流流，它它们们的的方方向向相相反反。只只不不过过空空穴穴的的运运动动是是靠靠相相邻邻共共价价键键中中的的价价电电子子依依次次充充填填空空穴穴来来实实现现的的。见见图图3.33.3的的动动画演示。画演示。图3.3 空穴在晶格中的移动半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带半导体

8、中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。正电的空穴。2 2、杂质半导体、杂质半导体(1)(1)N型半导体型半导体(2)(2)P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。(1(1）N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成成 N型半导体型半导体,也称也称电子型半导体电子

9、型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。

10、N型半导型半导体的结构示意图如图体的结构示意图如图3.4所示。所示。图3.4 N型半导体结构示意图(2)P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了形成了P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成；电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很

11、容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。P型半导体的结构示意图型半导体的结构示意图如图如图3.5所示。所示。图3.5 P型半导体的结构示意图 图3.5 P型半导体的结构示意图 结论：（1）多子的浓度主要取决于掺入的杂质，受温度的影响很小；（2）少子的浓度虽然很低，但是它受温度的影响很大，少子浓度对温度的敏感性是致使半导体器件温度特性差的主要原因。3.1.2 PN结结2、PN结的形成结的形成3、PN结的单向导电性结的单向导电性1 1、载流子的漂移运动和扩散运动、载流子的漂移运动和扩散运动1 1、载流子的

12、漂移运动和扩散运动、载流子的漂移运动和扩散运动n载流子在电场作用下的定向运动称为漂移载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动，所形成的电流称为漂移电流。运动，所形成的电流称为漂移电流。同一半导体中，自由电子和空穴形成的漂同一半导体中，自由电子和空穴形成的漂移电流方向一致，电场越强，漂移电流越移电流方向一致，电场越强，漂移电流越大。大。n载流子因浓度差而进行的定向运动称为扩载流子因浓度差而进行的定向运动称为扩散运动，形成扩散电流。若没有外来的超散运动，形成扩散电流。若没有外来的超量载流子注入或电场的作用，半导体内的量载流子注入或电场的作用，半导体内的载流子浓度逐渐趋于均匀直至扩散电流为载流子浓度

13、逐渐趋于均匀直至扩散电流为零。零。2、PN结的形成结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半型半导体和导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区成内电场空间电荷区成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内内电电场场阻阻止止多多子子扩扩散散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡

14、。对于。对于P型半导体和型半导体和N型型半导体结合面，半导体结合面，离子薄层形成的离子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电。在空间电荷区，由于缺少荷区，由于缺少多子，所以也称多子，所以也称耗尽层耗尽层。图图3.6 PN结的形成过程结的形成过程 PN 结形成结形成的过程可参阅的过程可参阅图图3.6。3、PN结的单向导电性 如果外加电压使如果外加电压使PN结中：结中：P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称简称正偏正偏；PN结具有单向导电性结具有单向导电性，若外加电压使电流从，若外加电压使电流从P区流到区流到N区，区，PN结呈低阻性，所

15、以电流大；反之结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。是高阻性，电流小。P区的电位低于区的电位低于N区的电位，称为加区的电位，称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。(1)PN结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有外加的正向电压有一部分降落在一部分降落在PN结区，结区，方向与方向与PN结内电场方向结内电场方向相反相反，削弱了内电场。，削弱了内电场。于是于是,内电场对多子扩散内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。电流加大。扩散电流远扩散电流远大于漂移电流大于漂移电流，可忽略，可忽略漂移电流的影响，漂移电流的影响，PN结结呈现低阻性。呈现低阻性。PN结加正向

16、电压时的导电情况如图结加正向电压时的导电情况如图3.7所示。所示。图图3.7 3.7 PN结加正向电压结加正向电压时的导电情况时的导电情况(2)PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向结内电场方向相同相同，加强了内电场。内电场对多子，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的结区的少子在内电场的作用下形成的作用下形成的漂移电流大漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散于扩散电流，可忽略扩散电流，电流，PN结呈现高阻性。结呈

17、现高阻性。在一定的温度条件下，在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大本上与所加反向电压的大小无关小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。PN结加反向电压时的导电情况如图结加反向电压时的导电情况如图3.8所示。所示。图 3.8 PN结加反向电压时的导电情况 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。呈现高

18、电阻，具有很小的反向漂移电流。由此由此可以得出结论：可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。3.2 半导体二极管及其基本应用电路3.2.1 二极管的伏安特性二极管的伏安特性3.2.2 二极管的等效电路及其分析方法二极管的等效电路及其分析方法3.2.3 基本应用电路基本应用电路1、正向特性、正向特性 硅硅二极管的死区电压二极管的死区电压Uth=0.5 V左右，左右，锗锗二极管的死区电压二极管的死区电压Uth=0.1 V左右。左右。当当0UUth时，正向电流为零，时，正向电流为零，Uth称为死区称为死区电压或开启电压。电压或开启电压。当当U0即处于正向特性区域。即处于正向特性区域。正

19、向区又分为两段：正向区又分为两段：当当UUth时，开始出现正向电流，并按指数规时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。律增长。3.2.1 二极管的伏安特性二极管的伏安特性2、反向特性和击穿特性、反向特性和击穿特性当当U0时，即处于反向特性区域。时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：反向区也分两个区域：当当UBRU0时，反向电流很小，且基时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称电流也称反向饱和电流反向饱和电流I IS S。当当UUBR时，反向电流急剧增加，时，反向电流急剧增加，UBR称为称为反向击穿电压反向击穿电压。由于击穿

20、破坏了结由于击穿破坏了结的单向导电特性的单向导电特性,因而一般使用时应避免出因而一般使用时应避免出现击穿现象。现击穿现象。在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。不同。硅硅二二极极管管的的反反向向击击穿穿特特性性比比较较硬硬、比比较较陡陡，反反向向饱饱和和电电流流也也很很小小；锗锗二二极极管管的的反反向向击击穿穿特特性性比比较较软软，过过渡渡比比较较圆圆滑滑，反反向向饱饱和和电电流流较较大大。发生击穿并不一定意味着结被损坏。当发生击穿并不一定意味着结被损坏。当PN结反向击穿时结反向击穿时,只要注意控制反向电流的数值只要注意控制反向电流的数值(一般通过串

21、接电阻一般通过串接电阻实现实现),不使其过大不使其过大,以免因以免因过热而烧坏结过热而烧坏结,当反向电压当反向电压(绝对值绝对值)降低时降低时,结的性能就可以恢复正常。结的性能就可以恢复正常。式中IS 为反向饱和电流，U 为二极管两端的电压降，UT=kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV。半导体二极管的伏安特性曲线如图半导体二极管的伏安特性曲线如图3.93.9所示。处所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，

22、二极管的的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示伏安特性曲线可用下式表示(1.1)图 3.9 二极管的伏安特性曲线3 3、伏安特性的数学表示、伏安特性的数学表示（1）uD0时时PN结正向偏置，结正向偏置，（2）uD0时时PN结反向偏置，结反向偏置，当温度一定时，反向饱和电流是个常数当温度一定时，反向饱和电流是个常数IS。4、二极管的主要参数 半半导导体体二二极极管管的的主主要要参参数数包包括括最最大大整整流流电电流流IF、反反向向击击穿穿电电压压UBR、最最高高反反向向工工作作电电压压UR、反反向向电电流流IR、最最高工作频率高工作频率fM和结电容和结电容Cj等。几

23、个主要的参数介绍如下：等。几个主要的参数介绍如下：(1)最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，作时，允许通过的最允许通过的最大正向平均电流。工作时应大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于使平均工作电流小于,如超如超过过,二极管将过热而烧毁。二极管将过热而烧毁。此值取决于结的结面此值取决于结的结面积、材料和散热情况。积、材料和散热情况。(2)反向击穿电压反向击穿电压UBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压UR 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。为安全计，在实际为安全计，在实际工

24、作时，最大反向工作电压工作时，最大反向工作电压UR一般只按反向击穿电压一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。的一半计算。(3)反向电流反向电流I IR R(4)最高工作频率最高工作频率f 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安般在纳安(nA)级；锗二极管在微安级；锗二极管在微安(A)级。级。此值越此值越小小,二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少二极管的单向导电性越好。由于反向电流是由少数载流子形成数载流子形成,所以所以值受温度的影响很大。值受温

25、度的影响很大。信信号号频频率率超超过过此此值值时时，结结电电容容的的容容抗抗变变得得很很小小，使使二二极极管管反反偏偏时时的的等等效效阻阻抗抗变变得得很很小小，于于是是，二二极极管管的的单单向向导导电电性性能能将将变变坏坏。f的的值值主主要要取取决决于于结结结结电电容容的的大大小小,结结电电容容越越大大,则则二二极极管管允允许许的的最最高高工作频率越低。工作频率越低。3.2.2 二极管的等效电路及其分析方法1 1、图解分析法、图解分析法无需进行复杂的指数或对数运算（要求二无需进行复杂的指数或对数运算（要求二极管伏安特性已知）极管伏安特性已知）例例3.13.1设简单二极管基本电路如图设简单二极管

26、基本电路如图.10.10（）所示，已知（）所示，已知，。二极管伏安特性曲线如图。二极管伏安特性曲线如图-（）所示，试用图解分析法求该电路的（）所示，试用图解分析法求该电路的 点。点。图图.102、模型分析法、模型分析法1）折线近似法）折线近似法（1）理想模型）理想模型（2）恒压降模型）恒压降模型（3）折线模型）折线模型2)小信号模型小信号模型二极管小信号模型的微变二极管小信号模型的微变等效电阻等效电阻3.2.3 基本应用电路1、整流电路2、限幅电路3、开关电路3.3.1 稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅硅二极

27、管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图电路如图3.11所示。所示。图见下页3.3 3.3 稳压二极管及其基本应用电路稳压二极管及其基本应用电路稳压管正常工作时处于反向击穿区稳压管正常工作时处于反向击穿区 图 3.11 稳压二极管的伏安特性 (a)符号 (b)伏安特性 (c)应用电路(b)(c)(a)从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。二极管的参数。(1)稳定电压稳定电压UZ 在规定的稳

28、压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向下，所对应的反向工作电压。工作电压。稳定电压稳定电压是挑选稳压管的主要依据之一。不是挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳压管同型号的稳压管,其稳定电压值不同。同一型号的管其稳定电压值不同。同一型号的管子子,由于制造工艺的分散性由于制造工艺的分散性,各个管子的各个管子的值也有差值也有差别。例如稳压管别。例如稳压管DW7C,其其.1.V,表表明均为合格产品明均为合格产品,其稳定值有的管子是其稳定值有的管子是.V,有的可有的可能是能是.V等等等等,但这并不意味着同一个管子的稳定但这并不意味着同一个管子的稳定电压的变化范围有如此大。电压的

29、变化范围有如此大。(2)稳定电流稳定电流IZ 稳定电流是使稳压管正常工作时的最小电流稳定电流是使稳压管正常工作时的最小电流,低于低于此值时稳压效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大此值时稳压效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是于此值。一般情况是,工作电流较大时工作电流较大时,稳压性能较好。稳压性能较好。(3)动态电阻动态电阻rZ 其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。rZ=UZ/IZ rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿

30、特性愈陡。rZ值越小值越小,则稳压性能越好。同一稳压管则稳压性能越好。同一稳压管,一般工作电流越大时一般工作电流越大时,rZ值越小。值越小。通常手册上给出的通常手册上给出的rZ值是在规定的稳定电值是在规定的稳定电流之下测得的。流之下测得的。稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。3.3.2 3.3.2 稳压管的基本应用电路稳压管的基本应用电路例例.在图在图.12.12所示的稳压所示的稳压电路中，电路中，U Ui i1010V V，R R18

31、0180，R RL L，稳压，稳压管的管的U UZ Z6.8V6.8V，r rZ Z，I IZ ZmAmA，I IZminZminmAmA。试分析当。试分析当U Ui i出现出现的变化时，的变化时，U Uo o的变化是多的变化是多少？少？解解:图图.12 解得解得由此可算出：由此可算出：（）当（）当Ui（）时，（）时，IZ5.95 IZmin说明电路能够正常工作。说明电路能够正常工作。（）当（）当Ui（）时，（）时，IZ所以稳压管的电流变化为所以稳压管的电流变化为 （）（）输出电压变化为输出电压变化为 由此可看出，输入电压由此可看出，输入电压Ui变化变化（）时，输出电压（）时，输出电压Uo 仅变化仅变化，稳压特性明显。在实际工程应用中，常常忽略动，稳压特性明显。在实际工程应用中，常常忽略动态电阻态电阻的影响。的影响。