模拟电子技术基础

1. 模拟电子技术基础 课件制作：  郑恒秋

2. 上节内容回顾 §1.1 半导体的基本知识 • 1.半导体中有两种载流子： • 自由电子，带负电荷; 空穴，带正电荷 • 2.半导体中的载流子有两种运动形式： • 扩散和漂移 • 3.本征半导体中的载流子浓度： • 4.N型半导体中的多子是电子,少子是空穴 • 5. P型半导体中的多子是空穴,少子是电子 • 6.本征半导体和杂质半导体都呈电中性 • 7.半导体的导电性能: (1)常温附近, 硅 温度升高8C, Ni增加一倍;锗 温度升高12C, Ni增加一倍。(2)掺杂影响,硅掺杂十亿分之 一,导电性能增加2396倍

3. §1.2PN结 • 1、PN结的形成 • 多数载流子的扩散形成。 耗尽层形成内电场，一方面阻止多子扩散， 另一方面有利少子漂移。最后达到平衡。 • 2、PN结的基本特性---单向导电性 • 正偏时电阻小，PN结导通。反偏时电阻大，PN结截止。 • 3、PN结的反向击穿：高于7V雪崩击穿；低于4V齐纳击穿； 热击穿 • 4、PN结的电容效应： 势垒电容；扩散电容；结电容。 • 5、 PN结的温度效应： • 反向特性：温度升高10C，IS增加一倍。正向特性：dU/dT=-2.5mV/°C • 反向击穿特性:高于7V雪崩击穿，正温度系数 • 低于4V齐纳击穿，负温度系数 • 最高结温：硅150--200 C，锗70--100 C

4. §1.3 半导体二极管 • 一、半导体二极管结构和类型 • 二、二极管的伏安特性 • 三、二极管的主要参数 • 四、二极管的等效电路 • 五、特殊二极管 • 六、二极管的应用 • 七、二极管的命名法

5. 一、半导体二极管结构和类型 • 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如下图（a）、（b）、（c）所示。

6. (1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。

7. (2) 面接触型二极管 PN结面积大， 用于工频大电 流整流电路。

8. (3) 平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。

9. 半导体二极管图片

13. + - 阳极 阴极 二极管的电路符号为：

14. 二、半导体二极管的伏安特性 • 半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。 处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。

15. (1) 正向特性 • 当u＞0，即处于正向特性区域。正向区又分为两段： • 当0＜ u ＜Uon时，正向电流为零， Uon称为死区电压或开启电压。 • 当u ＞ Uon时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。 • 硅二极管的死区电压Uon=0.5 V左右， • 锗二极管的死区电压Uon=0.1 V左右。

16. (2) 反向特性 • 当u ＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域： • 当UBR＜ u ＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。 • 当u <UBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。 • 在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。

17. 三、二极管的主要参数 • 半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、最高反向工作电压UR、反向电流IR、最高工作频率fM等。 • (1) 最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允 许通过二极管的最大整流电流的平均值。 • (2) 最高反向工作电压UR——在实际工作时，二极管 允许加的最高电压，一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。

18. 三、二极管的主要参数 • (3) 反向电流IR——指二极管未击穿时的的反向电流 值。与温度有关。硅二极管的反向电流一般在 纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。 • (4)最高工作频率fM——主要由PN结的结电容大小 决定。 • 注意：(1)参数的离散性(2)参数的测试条件

19. 四、二极管的等效电路 • 二极管是非线形元件，为分析计算方便，常作线形化处理。 • 1、理想二极管2、理想二极管串联电压源3、折线等效电路4、微变等效电路

20. 1、理想二极管 • 理想二极管就是正向偏置时电压降为零，反向偏置时电流为零。 • 等效条件：①二极管的正向压降远小于和它串联的电压，②反向电流远小于和它并联的电流。 • 特性曲线和电路符号如下：

21. 2、理想二极管串联电压源 • 二极管导通后有一定的管压降，硅管为Uon=0.7V, 锗管为Uon=0.3V。 • 特性和电路符号如下：

22. 3、折线等效电路 • 当二极管的端电压小于导通电压Uon时，电流为零，超过导通电压后用斜线来近似。如图所示： • Rd(on)=U/I • 注意：此时的Uon与前一种不 同。 • 以上三种都是大信号模型。

23. 4、微变等效电路 • 微变等效电路是小信号模型。是指二极管的端电压或电流在某一固定值附近作微小变化时的模型。 • 这时，用动态电阻来等效。如图所示：

25. 五、特殊二极管 • 1. 稳压二极管 • 2. 光敏二极管 • 3. 发光二极管 • 4. 变容二极管

26. 1. 稳压二极管 • 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、等效电路和典型应用电路如所示。

27. 稳压二极管的主要参数 • (1)稳定电压UZ——在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。 • (2)动态电阻rZ——其概念与一般二极管的动态电阻 相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反 向特性上求取的。 RZ愈小，反映稳压管的击穿特 性愈陡。 • (3)最大耗散功率PZM——稳压管的最大功率损耗， 取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时，PN结的功率损耗为PZ= UZ IZ，由PZM和UZ可以 决定IZmax。

28. (4)最大稳定工作电流IZMAX 和最小稳定工作电流IZMIN——稳压管的最大稳定工作电流取决于最 大耗散功率，即PZmax =UZIZmax 。而Izmin对应UZmin。 若IZ＜IZmin，则不能稳压。 • (5)稳定电压温度系数——温度的变化将使UZ改变，在 稳压管中，当UZ＞7V时，UZ具有正温度系数， 反向击穿是雪崩击穿。 • 当UZ＜4 V时， UZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。 • 当4V＜UZ＜7V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。

29. 稳压二极管在工作时应反向偏置，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。稳压二极管在工作时应反向偏置，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。

30. 2. 光敏二极管 • 光敏二极管又称光电二极管，特点是PN结的面积大，管壳上有透光的窗口便于接收光照。 • 光敏二极管工作在反向偏置下。 • 它的伏安特性和普通二极管一样，其反向电流很小，称为暗电流。 • 有光照时，反向电流增加，与光照度E成比例关系。

31. 应用：(1)做成光电传感器可做光的测量；(2)PN结较大时，可做光电池。应用：(1)做成光电传感器可做光的测量；(2)PN结较大时，可做光电池。 • 符号与特性曲线如下图：

32. 3. 发光二极管 • 发光二极管简称LED，通常用砷化镓(GaAs）、磷化镓（GaP）等制成。 • 内部是PN结，正偏时载流子扩散复合的过程中，有一部分能量以光子的形式放出，使二极管发光。 • 发光二极管主要用作(1)显示器件；(2)与光敏二极管组合可构成二极管型光电耦合器。 • 符号如下：

33. 主要参数 电学参数：I FM，U(BR)，IR 光学参数：峰值波长 P，亮度L，光通量  发光类型： 可见光：红、黄、绿 不可见光：红外光 显示类型： 普通 LED ， 七段 LED , 点阵 LED

35. 4.变容二极管 • 利用PN结的势垒电容随外加反向电压的变化而变化制成。 • 变容二极管的容量很小，主要用于高频，例如电调谐等。符号及特性如下：

36. 休息

37. 六、二极管的应用 • 1. 稳压电路 • 2. 限幅电路 • 3. 整流和开关电路 • 4. 应用举例

38. 1. 稳压电路 • 利用二极管特性曲线的恒压区。如下图：

39. 2. 限幅电路 • 限幅电路又称削波电路，它能把输入电压范围加以限制，用于波形变换和整形。是利用二极管特性曲线的非线性。 • 输入信号小时，uo=ui • 输入信号大时， uo=0.7V

40. 3. 整流和开关电路 • 利用二极管的单向导电性。这是最广泛的应用。 • 下图为全波整流电路：

41. 下图为一二极管开关电路：

42. 4. 应用举例 • 例1、电路如图。ui=5Sint(V), VREF=2V, Uon=0.7V。 试画出uo的波形及传输特性。 • 解：当ui<Uon+ VREF=2.7V时 • uo= ui=5Sint(V), • 当ui>Uon+ VREF=2.7V时 • uo= Uon+ VREF=2.7V • 传输特性就是uo随ui的变化。 • 根据以上的分析画出uo的波形及传输特性。

43. uo的波形： • 传输特性：

44. 例2、电路如图。试分析当UA和UB分别为0V和3V时，二极管D1和D2的状态，并求出此时UO的值。二极管均为硅管。例2、电路如图。试分析当UA和UB分别为0V和3V时，二极管D1和D2的状态，并求出此时UO的值。二极管均为硅管。

45. 解：①当UA=UB=0V时， D1和D2都导通， UO =Uon=0.7V • ②当UA=UB=3V时， D1和D2都导通， UO =Uon=3.7V • ③ UA=0V, UB=3V时，似乎D1和D2都导通，实际上 D1和导通后，UO被限制在0.7V，使D2反偏， UO =Uon=0.7V • ④当UA=3V, UB=0V时，UO =Uon=0.7V

46. 总结成表：

47. 例3、稳压管稳压电路如图所示。已知稳压管的稳定电压UZ=6V，最小稳定电流Izmin=5mA，最大稳定电流Izmax=25mA，负载电阻RL=600。求解限流电阻R的取值范围。例3、稳压管稳压电路如图所示。已知稳压管的稳定电压UZ=6V，最小稳定电流Izmin=5mA，最大稳定电流Izmax=25mA，负载电阻RL=600。求解限流电阻R的取值范围。

49. 七、二极管的命名法 • 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： • 2 A P 9 • 用数字代表同类型器件的不同型号. • 用字母代表器件的类型，P代表普通管，W代表稳压管，Z代表整流管，K代表开关管，C代表参量管，U代表光电管。 • 用字母代表器件的材料，A代表N型Ge. • B代表P型Ge，C代表N型Si，D代表 P型Si • 2代表二极管，3代表三极管.

50. 二极管典型例题分析 • 下面的五个电路中的二极管都是理想二极管，若输入为正弦波ui=10sint(V)，试分别画出其传输特性和输出波形。 • 解：在分析传输特性和输出波形之前，(1)、必须仔细观察电路，如二极管极性，偏压的方向等。(2)、然后，先假设二极管不导通，看二极管的开路电压是否构成正偏？什么时候构成正偏？如果正偏，则二极管导通（短路），如反偏，二极管截止（开路）。(3)、最后看输出电压如何。