电子技术基础 第2版2019年版.docx

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1、电 子高等学校应用型本科“十三五”规划教材机 电计篡机电子技术基础(第二版)高等学校应用型本科“十三五”规划教材电子技术基础(第二版)西安电子科技大学出版社高等学校应用型本科“十三五”规划教材编审专家委员会名单主 任：鲍吉龙(宁波工程学院副院长、教授)副主任：彭 军(重庆科技学院电气与信息工程学院院长、教授) 张国云(湖南理工学院信息与通信工程学院院长、教授) 刘黎明(南阳理工学院软件学院院长、教授)庞兴华(南阳理工学院机械与汽车工程学院副院长、教授)电子与通信组组 长： 彭 军(兼) 张国云(兼)成 员：(成员按姓氏笔画排列)王天宝(成都信息工程学院通信学院院长、教授)安 鹏(宁波工程学院电

2、子与信息工程学院副院长、副教授) 朱清慧(南阳理工学院电子与电气工程学院副院长、教授)沈汉鑫(厦门理工学院光电与通信工程学院副院长、副教授) 苏世栋(运城学院物理与电子工程系副主任、副教授)杨光松(集美大学信息工程学院副院长、教授)钮王杰(运城学院机电工程系副主任、副教授)唐德东(重庆科技学院电气与信息工程学院副院长、教授)谢 东(重庆科技学院电气与信息工程学院自动化系主任、教授) 湛腾西(湖南理工学院信息与通信工程学院教授)楼建明(宁波工程学院电子与信息工程学院副院长、副教授)计算机大组组 长：刘黎明(兼)成 员：(成员按姓氏笔画排列)刘克成(南阳理工学院计算机学院院长、教授)毕如田(山西农

3、业大学资源环境学院副院长、教授)向 毅(重庆科技学院电气与信息工程学院院长助理、教授) 李富忠(山西农业大学软件学院院长、教授)张晓民(南阳理工学院软件学院副院长、副教授)何明星(西华大学数学与计算机学院院长、教授)范剑波(宁波工程学院理学院副院长、教授)赵润林(山西运城学院计算机科学与技术系副主任、副教授) 黑新宏(西安理工大学计算机学院副院长、教授)雷 亮(重庆科技学院电气与信息工程学院计算机系主任、副教授)前 言本书根据国家教育部教学指导委员会制定的“电子技术基础”课程教学基本要求，围绕教 学内容和深化教学改革编写而成。本书初版于2017年1月出版发行，从使用本书教学的效果 和编者的教学

4、经验来看，本书在知识深度与广度、内容组织与编排方面，都对学生学习“电子 技术基础”课程起到了良好的推动作用。同时，编者也感到初版中有些内容不能适应高等院校深化教学改革和提升教学质量的发展需要，因此对其进行了修订。与初版相比，第二版教材在内容上进行了一系列的调整，具体如下：(1)删除冗长的理论分析。(2)淡化集成电路的内部结构。(3)保留初版的部分习题，适当增加典型的例题解析，补充了一些具有实际意义的习题。(4)提炼了每章的概要，重点突出、明确。(5)侧重基本概念、基本原理和基本方法讲清、讲透。(6)注重理论以应用为目的，切实培养和提升学生的应用创新能力。本书由长春理工大学光电信息学院韩东宁担任

5、主编，李居尚、于秀明、战荫泽担任副主 编。具体编写分工为：韩东宁负责全书的审稿和定稿，李居尚负责编写第16章，于秀明负责编写第7章，战荫泽负责编写第8章。由于编者水平有限，书中难免有不妥之处，恳请广大读者不吝指正。编 者2019年2月1 第 1 章 半导体器件 11.1 半导体材料 11.1.1 本征半导体 11.1.2 杂质半导体 21.2 PN结的形成及特性 31.2.1 PN结的形成 31.2.2 PN结的单向导电性 41.3 PN结的反向击穿 51.4 半导体二极管 61.4.1 二极管的结构与类型 61.4.2 二极管的伏安特性 61.4.3 二极管的主要参数 71.4.4 二极管使

6、用注意事项 81.5 二极管的分析方法及应用 81.5.1 二极管的分析方法 81.5.2 二极管的简化模型 91.5.3 二极管的应用 101.6 特殊二极管 141.6.1 稳压二极管 141.6.2 变容二极管 161.6.3 双向二极管 161.6.4 肖特基二极管 161.6.5 光电子器件 161.7 双极型三极管(BJT) 181.7.1 BJT 的结构及符号 181.7.2 三极管的电流分配与放大作用 181.7.3 三极管的特性曲线 201.7.4 三极管的主要参数 221.7.5 温度对三极管参数及特性的影响 241.8 单极型三极管场效应管(FET ) 251.8.1 绝

7、缘栅型场效应管(IGFFET) 251.8.2 绝缘栅型场效应管的主要参数 271.8.3 结型场效应管的结构和类型 281.8.4 场效应管使用注意事项 31习题 31第 2 章 基本放大电路 352.1 概述 352.1.1 放大器的用途与分类 352.1.2 放大器的主要性能指标 352.2 共射极放大电路 372.2.1 共射极放大电路的组成 382.2.2 共射极放大电路的工作原理 382.3 放大电路的分析 392.3.1 静态分析法 392.3.2 动态分析法 402.3.3 静态工作点对非线性失真的影响 432.4 温度对静态工作点的影响 442.4.1 放大电路静态工作点的稳

8、定 452.4.2 动态性能的分析 462.5 共集电极放大电路 482.5.1 共集电极放大电路的组成 482.5.2 共集电极放大电路分析 482.6 共基极放大电路 502.6.1 共基极放大电路的组成 502.6.2 共基极放大电路分析 502.6.3 三极管三种基本放大电路的性能比较 512.7 放大电路的频率响应 522.8 多级放大电路 542.8.1 多级放大电路的耦合方式 552.8.2 多级放大电路的性能分析 562.9 绝缘栅型场效应管放大电路 572.9.1 共源极放大电路的组成 5722.9.2 共源极放大电路分析 572.10 功率放大电路 592.10.1 功率放

9、大电路的特点 602.10.2 功率放大电路的工作状态与效率 602.10.3 射极输出器 612.10.4 乙类双电源互补对称功率放大电路 622.10.5 甲乙类互补对称功率放大电路 63习题 64第 3 章 集成运算放大器及其应用683.1 概述 683.1.1 集成运放的结构特点和分类 683.1.2 集成运放的主要性能指标 703.2 直接耦合放大器 723.3 差动放大电路 733.4 集成运放的理想模型 773.4.1 理想集成运放的电压传输特性 773.4.2 理想集成运放的性能指标 783.4.3 理想集成运放工作在线性区的特点 783.4.4 理想集成运放工作在非线性区的特

10、点 793.4.5 集成运放的正确使用 793.5 负反馈放大电路 813.5.1 概述 813.5.2 反馈的概念 813.5.3 反馈的类型及判别 833.5.4 负反馈的四种组态 873.5.5 负反馈对放大电路性能的影响 913.6 集成运放在信号运算电路中的应用 973.6.1 比例运算电路 973.6.2 加法运算电路 993.6.3 减法运算电路 1013.6.4 积分运算电路 1023.6.5 微分运算电路 1043.7 有源滤波电路 1053.7.1 低通滤波电路(LPF) 1063.7.2 高通滤波电路(HPF) 1093.7.3 带通滤波电路(BPF) 1093.7.4

11、带阻滤波电路(BEF) 1103.8 电压比较器 1103.8.1 单值电压比较器 1103.8.2 滞回电压比较器 1123.8.3 集成电压比较器 1133.9 波形发生电路 1153.9.1 正弦波振荡电路 1153.9.2 RC正弦波振荡电路 1173.9.3 LC正弦波振荡电路 1203.9.4 石英晶体振荡电路 1233.9.5 非正弦波发生电路 1263.9.6 集成函数发生器 128习题 131第 4 章 直流稳压电源 1374.1 整流电路 1374.1.1 单相半波整流电路 1374.1.2 单相桥式整流电路 1384.2 滤波电路 1414.2.1 电容滤波电路 1414

12、.2.2 电感滤波电路 1434.2.3 复式滤波电路 1434.3 稳压电路 1444.3.1 并联型稳压电路 1444.3.2 串联型稳压电路 1464.3.3 集成稳压器 1474.4 串联式开关型稳压电源 152习题 153第5章 门电路和组合逻辑电路 1575.1 逻辑代数与逻辑函数 1575.1.1 逻辑代数与逻辑函数概述 1575.1.2 逻辑运算 1585.1.3 逻辑代数的公理与定理 1605.1.4 逻辑函数的基本定理 1615.1.5 逻辑函数的表示方法 1625.1.6 逻辑函数的标准形式 1645.1.7 逻辑函数的化简 1665.1.8 具有无关项的逻辑函数及其化简

13、 1695.2 逻辑门电路 1705.2.1 半导体二极管、三极管和场效应管的开关特性 1715.2.2 分立元件门电路 1725.2.3 TTL 门电路 1735.2.4 ECL 门电路 1795.2.5 MOS 门电路 1805.3 组合逻辑电路的分析与设计 1865.3.1 组合逻辑电路的结构 1865.3.2 组合逻辑电路的分析 1865.3.3 组合逻辑电路的设计 1915.3.4 常用组合逻辑器件 1945.3.5 组合逻辑器件的应用214习题 216第 6 章 触发器和时序逻辑电路 2216.1 概述 2216.2 锁存器和触发器 2216.2.1 基 本R - S 锁存器 22

14、16.2.2 同 步 R - S 锁存器 2246.2.3 D锁存器 2256.2.4 主 从J - K 触发器 2266.2.5 T 触 发 器 2286.2.6 维持阻塞 D 触发器 2296.2.7 集成触发器 2316.3 时序逻辑电路的分析与设计 2326.3.1 概述 2326.3.2 时序逻辑电路分析 2336.3.3 时钟同步状态机的设计 2376.4 寄存器和移位寄存器 2406.5 计数器 2426.5.1 同步计数器 2436.5.2 异步二进制计数器 2446.5.3 异步 N 进制计数器 2456.6 555定时器及其应用 2486.6.1 555定时器的电路结构 2

15、486.6.2 555定时器的引脚用途及工作原理 2496.6.3 施密特触发器及由555定时器构成的施密特触发器 2506.6.4 单稳态触发器及由555定时器构成的单稳态触发器 2546.6.5 多谐振荡器及由555定时器构成的多谐振荡器 256习 题 258第 7 章 半导体存储器和可编程逻辑器件 2647.1 半导体存储器 2647.2 只读存储器 2647.2.1 掩模只读存储器(ROM ) 2647.2.2 可编程只读存储器(PROM) 2667.2.3 可擦除可编程只读存储器(EPROM ) 2677.3 随机存取存储器 2697.3.1 静态随机存储器(SRAM) 2697.3

16、.2 动态随机存储器(DRAM) 2707.4 可编程逻辑器件 2737.4.1 可编程阵列逻辑器件(PAL) 2747.4.2 通用阵列逻辑器件(GAL) 2757.4.3 复杂可编程逻辑器件(GPLD )与现场可编程门阵列(FPGA) 276习题 276第 8 章 数/模与模/数转换器 2778.1 概述 2778.2 数/模转换器 2778.2.1 权电阻网络数/模转换器 2778.2.2 倒T形电阻网络数/模转换器 2788.2.3 权电流型数/模转换器 2818.2.4 数/模转换器的转换精度与转换速度 2828.3 模/数转换器 2838.3.1 模/数转换的基本原理 2838.3

17、.2 直接 A/ D 转换器 2868.3.3 间接 A/ D 转换器 290习题 293参考文献 2943 第 1 章 半 导 体 器 件 第 1 章 半导体器件半导体器件是现代电子技术的重要基础，由于其体积小、重量轻、使用寿命长、输入功 率小和功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。本章首先介绍了半导体的基本知识，接着讨论了半导体器件的基础PN 结，然后介 绍了二极管、稳压管、三极管和场效应管的基本构造、工作原理和特性曲线，包括主要参数 的意义以及二极管基本电路及其分析方法与应用；在此基础上，对齐纳二极管、变容二极管 和光电子器件的特性与应用作了简要的介绍。1.1 半导体材料根据导电性能的不

18、同，自然界中的许多物质大致可被分为导体、绝缘体和半导体三大 类。物理学界将导电能力强、电阻率小于10-*cm 的物质称为导体，如金属材料；将导电 能力弱、电阻率大于10cm 的物质称为绝缘体，如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力 介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-310cm 之内的物质称为半导体。在电子器件中， 常用的半导体材料有：元素半导体，如硅(Si) 、 锗(Ge) 等；化合物半导体，如砷化镓(GaAs) 等。其中硅是最常用的一种半导体材料。由于半导体材料的导电能力会随着温度、光照的变 化或掺入杂质的多少发生明显的变化，因此半导体材料被广泛应用于电子器件的制作。这是 半导体不同于导体的

19、特殊性质。要了解这些特点，就必须了解半导体的结构。1.1.1 本征半导体本征半导体是完全纯净的不含杂质的、结构完整的半导体晶体。硅和锗是四价元素，其原子的最外层轨道上有4个电子，称为价电子。原子呈中性，故硅和锗的正离子用带圆圈的+4符号表示。硅或锗的原子结构简化模型如图1-1所示。硅或锗的原子结构 简化模型硅或锗均具有晶体结构，其原子在空间形成规则的晶体点阵，图1-1每个原子最外层的价电子不仅受到自身原子核的束缚，同时还受到相邻原子核的吸引，因此，价电子不仅围绕自身的原子核运动，同时也会出现在相邻原子 核的轨道上。当两个相邻的原子共用一对价电子，即形成了晶体中的共价键结构，如图1-2所 示。由

20、于每一个原子最外层的电子被共价键所束缚，形成稳定结构，因此半导体不能传导电流。半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中的束缚得那么紧。硅和锗晶体在外界激发的情 况下，如常温(300 K)下，少数价电子获得能量脱离共价键的束缚成为自由电子。这些自由电 子很容易在晶体内运动，如图1-3所示，这种现象称为本征激发。当电子脱离共价键束缚成为自由电子后，就会在共价键中留下一个空位，称为空穴(如 图1-3所示)。空穴是半导体区别于导体的一个特点。1 电 子 技 术 基 础 2图1 - 2 硅和锗晶体的共价键结构图1 - 3 本征半导体中的自由电子和空穴共价键中有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空

21、穴，这样空穴便转移 到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补带正电荷 的空穴形成了所谓的空穴运动。由此可见，本征半导体中存在着两种运载电荷的粒子(载流子):带负电荷的自由电子和 带正电荷的空穴。在本征半导体中，热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴 也可能因重新结合而成对消失，这被称为复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。 载流子的浓度越高，晶体的导电能力越强。本征半导体的导电率随温度的增加而增加。1.1.2 杂 质 半 导 体本征半导体在常温下的导电能力很差，但在掺入少量杂质后，半导体的导电性能将会发生显著的变化。根据掺入杂质的不同，杂质

22、半导体分为N(电子)型半导体和P(空穴)型半导体。1.N (电子)型半导体在硅或锗的晶体内掺入少量五价元素杂质，如磷、砷、锑等，因其原子最外层有5个价 电子，故在构成的共价键结构中，因存在多余的价电子而产生大量自由电子，这就是 N( 电 子)型半导体，如图1-4所示。磷原子在掺入硅晶体后产生多余的电子，称为施主原子或 N 型杂质。在 N 型半导体中，自由电子的数量远远高于空穴的数量，因此自由电子被称为多数 载流子(简称多子),而空穴被称为少数载流子(简称少子)。N 型半导体主要靠自由电子导 电，掺入的杂质越多，自由电子的浓度越高，导电性能就越强。图1 - 4 N(电子)型半导体2.P (空穴)

23、型半导体在硅或锗中掺入硼、铝等三价元素，其原子最外层只有3个价电子，在与周围硅或锗原第 1 章 半 导 体 器 件 子组成共价键时，因缺少一个价电子而形成一个空位。在常温下，硅(或锗)共价键上的价电 子填补了硼原子的空位，形成空穴运动，这就是 P(空穴)型半导体，如图1-5所示。硼原子 在硅或锗晶体中接受电子，称为受主原子或P 型杂质。其中空穴的数量远远多于自由电子的 数量，所以空穴为多数载流子(多子),而自由电子是少数载流子(少子)。P 型半导体主要靠 空穴导电，掺入的杂质越多，空穴的浓度越高，导电性能就越强。图1-5 P(空穴)型半导体【练习与思考】1. 什么是本征激发?什么是复合?2.

24、半导体和导体的导电机理有什么不同?3. 什么是N 型半导体?什么是P 型半导体?1.2 PN 结的形成及特性载流子在内电场的作用下的定向运动称为漂移；载流子从高浓度区域向低浓度区域的运动称为扩散。1.2.1 PN 结的形成在半导体两个不同区域内分别掺杂三价和五价杂质元素，形成P 区 和N 区。在它们的交 界面就会出现空穴和电子的浓度差。P 区的空穴浓度高，N 区的电子浓度高。电子和空穴都 要向浓度低的一侧扩散。P 区的空穴向 N 区 扩 散 ，N 区的电子向 P 区扩散， PN 结的形成如 图1-6所示。多数载流子扩散到对方就被复合了，使P 区 和N 区的交界面原来的电中性被空间电荷区P区 +

25、 +内电场N区图1 - 6 PN 结的形成3 电子技术基础 破坏。在 P 区 和 N 区交界处剩下了不能移动的带负电的杂质离子和不能移动的带正电的杂 质离子。这些带电离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在 P 区和 N 区交界面，形成了一个很薄的空间电荷区，即 PN 结。空间电荷区的多数载流子扩散到对 方并复合掉，或者说在扩散过程中被消耗尽了，也把空间电荷区称为耗尽层。在出现空间电荷区以后，由于正负离子之间的相互作用，在空间电荷区会形成一个电 场，方向从 N 区指向P 区。电场是由PN 结内部产生的，不是外加电压形成的，称为内电场。 内电场的建立阻碍多子扩散运动，使多子扩散

26、运动逐渐减弱。同时，内电场使P 区的少数载流子电子向 N 区漂移， N 区的少数载流子空穴向P 区漂 移，形成定向漂移运动。内电场越强，漂移运动越强，扩散运动反而减弱，最后形成一个动态 平衡，空间电荷区的厚度、内电场的大小都不再发生变化。综上所述，扩散运动和漂移运动是互相联系又互相对立的。扩散使空间电荷区不断加 宽，内电场加强；内电场的加强使漂移运动增强，而漂移使空间电荷区变窄，内电场减弱，扩 散运动又不断加强。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，将形成一个稳定的空间电荷 区，称为势垒区。1.2.2 PN 结的单向导电性当稳定的 PN 结无外加电压时，多子的扩散运动和少子的漂移运动处于动态平衡

27、状态， 通过PN 结的电流为零。只有在外加电压时，才会打破平衡，当外加不同电压时， PN 结的导 电特性完全不同。1. 外加正向电压PN 结外加正向电压Us(即正向偏置)如图1 - 7所示， Us 的正极接 P 区，负极接 N 区。 此时，外电场方向与内电场方向相反，内电场被削弱，扩散增强，漂移减弱，因此空间电荷区 变 窄 ，PN 结中形成了以扩散电流为主的正向电流 Ir 。 由于多子的数量较多，所以 I, 较大， 因而电阻的阻值减小， PN 结处于正向导通状态。图1 - 7 PN 结外加正向电压2. 外加反向电压PN 结外加反向电压Us(即反向偏置)如图1 - 8所示，Us 的正极接N 区

28、，Us 的负极接P 区。此时，外加电场与空间电荷区的内电场方向一致，同样会导致扩散运动与漂移运动的平 衡状态被打破。内电场加宽，阻碍多子的扩散运动，使少子漂移运动加强，形成由N 区流向 P 区的反向电流 IR, 少数载流子在一定温度下的浓度很少，所以 I 是很微弱的，对于硅材料4第1章 半导体器件 的 PN 结 Ig 一般仅为微安级，PN 结呈现出高电阻状态。由于少子是本征激发产生的，其浓 度几乎只与温度有关，而与外加电压 Us 无关。因此，当外加反向电压大于一定值后，反向电 流 Ig 就不会再随反向电压的增加而增大了，这时的电流 IR 称为反向饱和电流 Is。图1-8 PN 结外加反向电压可

29、见，PN 结在反向偏置时基本不导电，处于反向截止状态。由此可见，当 PN 结加正向电压时，处于导通状态，电阻值很小，有较大的正向电流 Ip 通过；当PN 结加反向电压时，处于截止状态，反向电阻值很大，电流 Ig 很小，这就是它的 单向导电性。【练习与思考】1. 什么是 PN 结?2. 什么是PN 结的单向导电性?1.3 PN 结的反向击穿PN 结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过 PN 结的电流很小，但反向电压增大到一定数值时，反向电流急剧增加，这个现象称为PN 结反向击穿。发生击穿所需的反向电压Um 为反向击穿电压。反向击穿分为电击穿和热击穿。电击穿 包括齐纳击穿和雪崩击穿，对于硅材料

30、的PN 结，当Um 大于7 V 时为雪崩击穿，当Um 小于 4V 时为齐纳击穿。Um 在47 V 时两种击穿都有。PN 结产生击穿的原因是：当加反向电压很高时，PN 结会产生很大电场，导致共价键被 破坏，阻挡层内中性原子的价电子被拉出，产生大量电子-空穴对，在电场作用下，电子移向 N 区，空穴移向P 区，使 PN 结反向电流增加，这种击穿称为齐纳击穿。齐纳击穿需要在高 掺杂的 PN 结中发生。PN 结产生击穿的另一个原因是：当 PN 结反向电压增加时，空间电荷区的内电场也增 强。在强电场作用下，少子漂移运动动能加大，通过空间电荷区时，与中性原子发生碰撞，打 破了共价键的束缚，形成新的电子-空穴

31、对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子-空穴对 在强电场作用下，和原有的电子-空穴对一样获得足够能量，继续碰撞电离，再产生新 电子-空穴对，如此反复，使载流子数目倍增，这就是倍增效应。PN 结的反向电流急剧增大 这种击穿称为雪崩击穿。雪崩击穿发生在掺杂浓度较低、外加反向电压较高的情况下。5 电子技术基础 齐纳击穿是一种场效应击穿，多用于特殊二极管中，如齐纳二极管(稳压管)。雪崩击穿 是一种碰撞击穿， 一般整流二极管掺杂浓度低，其击穿多是雪崩击穿。电击穿过程是可逆的，当加在PN 结的反向电压降低后， PN 结仍可恢复到原来的状态。 但反向电压过高，反向电流过大时， PN 结的结温上升， 一直升温

32、不降而烧毁，就会使PN 结 的电击穿转化为热击穿而造成永久损坏。电击穿与热击穿往往同时存在，电击穿可被人们利 用，而热击穿要尽量避免。【练习与思考】雪崩击穿和齐纳击穿各有什么特点?1.4 半 导 体 二 极 管1.4.1 二极管的结构与类型半导体二极管也称晶体二极管，简称二极管，是非线性半导体器件。二极管按材料不同 可分为硅(Si) 二极管和锗(Ge) 二极管；按结构不同可分为点接触型和面接触型。半导体二极 管结构如图1 - 9所示。将 PN 结用外壳封装， P 区引出阳极(用符号 A 或 a 表示),N 区引出 阴极(用符号 K 或 k 表示),这样就构成了二极管。由于 PN 结具有单向导电

33、性，因此二极管 也具有单向导电性。图1- 10 中所示箭头为正电流方向。6(a)点接触型 (b) 面接触型图1 - 9 半导体二极管结构图1- 10 二极管符号点接触型二极管的 PN 结面积很小，因此其结电容也很小，但不能承受高的反向电压和 大的电流。它适用于高频电路和脉冲数字电路，也可用于小电流整流。例如，2AP1 是点接触 型锗二极管，最大整流电流为16 mA, 最高工作频率是150 MHz。面接触型(或称为面结型)二极管的 PN 结面积大，能承受较大正向电流，但极间结电容 也大。它不适宜应用在高频电路中，常用于低频整流电路。例如，2CP1 为面接触型硅二极 管，最大整流电流为400 mA

34、, 最高工作频率只有3 kHz。1.4.2 二极管的伏安特性二极管两端电压与流过二极管电流的关系称为二极管的伏安特性。二极管的伏安特性直 观地表现了二极管的单向导电性。图1- 11所示为二极管的伏安特性曲线与电路符号，曲线对应的函数为(1-1)第1章 半导体器件 式中：io 为通过二极管的电流； Is 为二极管反向饱和电流；U。为二极管的外加电压；Ur 为 温度的电压当量，常温下取Ur=26 mV。图1-11 二极管的伏安特性曲线与电路符号1. 正向特性当外加电压很小时，外电场很小，不足以克服 PN 结的内电场，故这时的正向电流很小， 几乎为零。此时的 PN 结呈现为大电阻。这时的电压称为死区

35、电压(Um) 或门槛电压。Un 的大 小与材料和温度有关，通常硅管的Um约为0.5 V, 锗管的Um约为0 . 1 V 。继续增加正向电 压，内电场被大大削弱，电流迅速增长，电压与电流关系呈现指数关系。二极管正向导通，呈 低阻状态，管压降很小。硅管的管压降约为0.60.7V, 锗管的管压降约为0.20.3 V。如 图1-11所示，当温度升高时，正向特性曲线将向上移动，这说明在up一 定时，ip 将增加。2. 反向特性在反向电压作用下，P 型和N 型半导体中的少数载流子通过PN 结，形成反向饱和电流。 由于少子的数目很少，因此反向电流很小，如图1-11所示。 一般硅管的反向电流比锗管小 很多。当

36、温度升高时，反向饱和电流也随之增加。3. 反向击穿特性当反向电压继续升高，超过反向击穿电压(Um) 以后，反向电流急剧增大，这种现象称为 二极管的反向击穿，如图1-11所示。普通二极管被击穿后会过热而烧坏，发生热击穿。特殊 二极管可工作在此区域，发生电击穿。1.4.3 二极管的主要参数为了合理选择和正确使用二极管，需要熟悉以下几个二极管的主要参数，以满足工作 需要：(1)最大整流电流 Ir 。它是指管子在长期工作时，允许通过的最大正向平均电流值。使 用时，管子的平均工作电流要小于最大整流电流的一半。电流过大，管子工作时可能会因PN 结温升高而烧毁。例如，2AP7 的最大整流电流为12 mA。(

37、2)最高反向工作电压URm。 它是指管子在使用时，允许施加的最高反向电压。超过此 值，二极管就会发生反向击穿的危险。通常取反向击穿电压的一半作为URM。(3)反向击穿电压 Um 。它是指二极管反向击穿时的反向电压。例如，2AP1 的 Unm为7 电子技术基础40 V左右，URM约为20V。(4)反向电流Ig。它是指管子在常温下未发生击穿时的反向电流值，其值愈小，管子的 单向导电性愈好。Ig 受温度影响的变化较大，这一点要特别加以注意。(5)最高工作频率fm 。fm 由 PN 结的结电容大小决定。若二极管的工作频率超过该值， 则二极管的单向导电性能变差。一般半导体手册中都给出不同型号管子的参数，

38、这些参数往往是一个范围值。国产半导 体二极管参数如表1-1所示。由于制造工艺的限制，在使用时，即使同一型号的管子参数的分 散性也很大。值得注意的是，不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则管子容易损坏。表 1 - 1 国产半导体二极管参数名称最大整流电流/mA最高反 向工作 电压/V反向击穿电压(反向电流为400 A)/V正向电流(正向电压为 1 V )/mA反向电流(反向电压分别为10 V和100 V)/A最高工作频率/MHz极间电容 /pF2AP11620402.525015012AP712100150525015011.4.4 二极管使用注意事项在使用二极管时，要注意以下事项：(1)

39、半导体二极管在电路应用中要注意极性连接。(2)避免靠近发热元件，保证散热良好。工作在高频或脉冲电路的二极管的引线要尽量 短，不能用长引线或把引线弯成圈来达到散热的目的。(3)注意二极管的参数，不允许超过最大值。(4)不允许不同材料的二极管互相替换。硅管和锗管不能互相代替。【练习与思考】1. 什么是死区电压?硅管和锗管的死区电压的典型值为多少?2. 为什么二极管的反向电流具有饱和性?为什么当温度升高时其饱和值又会增大? 3. 如何用指针式万用表欧姆挡判断二极管的极性及管子的好坏?1.5 二极管的分析方法及应用在电子电路中，最常用的半导体器件就是二极管。本节将重点介绍二极管的简化模型及 二极管的单

40、向导电性，实现并分析二极管典型电路，如整流电路、限幅电路、钳位电路、峰值 采样电路等。1.5.1 二极管的分析方法从前面的分析可知，二极管是一种非线性器件，因此其电路的分析一般要采取非线性电 路的分析方法， 一般比较复杂。多采用图解法，但前提是已知二极管的 V-I (伏安)特性曲 线。下面通过一个例子加以说明。8 第1章 半导体器件 【例1 - 1】 二极管电路如图1- 12(a) 所示，设二极管的 V-I 特性如图1 - 12(b) 所示。已知电源 Upo和电阻 R, 求二极管的电压up 和二极管电流ip。(a) 电路图 (b) 图解分析图1-12 例1-1二极管电路解 由电路的KVL 方程可得(1-2)由式(1-2)可在图1- 12(b) 的坐标系中画出斜率为一1/R 的直线，称为负载线。负载线与二 极管V-I 特性曲线的交点Q 的坐标值(Uo,Ip) 就是所求，其中，Q 称为电路的工作点。从此例可以看出，用图解法求解比较直观简单。但前提是要已知二极管的V-I 特性曲 线。这在实际的应用中是不现实的。所以图解法并不适用求解实际问题，但对理解电路的工 作原理和相关概念是有帮助的。二极管的V-I