电类各专业适用第一章 绪 论一、本课程的性质、目的和任务三、本课程的基本要求二、模拟电路的基本知识五、参考书四、基础要求
§ 2.1 半导体的基本知识一、本征半导体纯净的半导体晶体称为本征半导体第二章半导体二极管及其基本电路
1,本征半导体的共价键结构（硅）：
硅原子外层轨道 4个价电子,它与相邻原子靠得很近,使价电子成为两个原子公有,形成共价键结构 。
+4 +4
+4+4
共价键 共价键中的 两个电子图 2－ 1
2,本征半导体的特点：
在 T = 0 K（ 绝对零度 ） 和无外界激发,
没有自由运动的带电粒子 ——载流子；
T?,受热激发,如 T = 300K（ 室温 ）,
少数价电子会挣脱束缚成为自由电子,
留下空穴 ——本征激发 。
3,本征半导体中的两种载流子：
自由电子
空穴 （ 价电子挣脱束缚后留下的空位 ）
a,带正电，所带电量与电子相等；
b,可以,移动”；
c,本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相等。
4,本征半导体中的载流子浓度
kT
E G
eTApn 22
3
ii
ni,自由电子的浓度
pi,空穴的浓度
A,系数（与半导体材料有关）
T,绝对温度
EG,价电子挣脱共价键所需能量,又叫禁带宽度
K,波尔兹曼常数结论：半导体材料一定，载流子浓度随温度按指数规律增大。
二、杂质半导体半导体的导电能力取决于载流子的数目,
本征半导体受热激发只产生少量电子空穴对,
载流子浓度很低,外加电场作用,电流极其微弱； 若在本征半导体中掺入微量杂质，则导电性能大为改观，掺入百万分 之一 的杂质，载流子浓度增加 1百万倍。
1,N型半导体
形成本征掺杂,本征半导体 得到大量电子
（无空穴）
磷本征激发：得到少量电子空穴对
+4 +4
+4+5
磷原子多余电子图 2－ 2
特点
a,自由电子为多数载流子（多子）
空穴为少数载流子 （少子）；
b,磷原子被称为施主杂质，本身因失去电子而成为正离子。
N型半导体可简化成 +
图 2－ 3
2,P型半导体
形成本征掺杂,本征半导体 得到大量空穴
（无电子）
硼
+4 +4
+4+3
图 2－ 4
硼原子空穴本征激发：得到少量电子空穴对
特点
a,空穴为多数载流子 （多子）
自由电子为少数载流子（少子）；
b,硼原子被称为受主杂质，本身因获得电子而成为负离子。
P型半导体可简化成 －
图 2－ 5
§ 2.2 PN结的形成一,PN结的形成用化学方法把 N型半导体和 P型半导体结合在一起。
图 2－ 6
– – –
– – –
– – –
P型
+ + +
+ + +
+ + +
N型
浓度差别 多子扩散 空间电荷区
当扩散和漂移达到动平衡，即形成 PN结。
内电场
内电场 少子漂移
+ + +
+ + +
+ + +
– – –
– – –
– – –
+
+
+
–
–
–
P型区 N型区空间电荷区图 2－ 7
内电场 V0
二,PN结的符号把 PN结封壳，引线即成二极管。
其符号和 PN结相同。
阳极 阴极一、二极管（ PN结 ）的单向导电性
1,正偏,P? +,N
PN结变窄（由 11?到 22?）
PN结正向电阻很小。
内电场变小（ 由 V0变到 V0? VF ）
形成扩散电流即正向电流 IF ；
VF?,IF；
利于扩散
1?
21
2?
2 1
2? 1?
P N
VFI
F
图 2－ 8
§ 2.3 半导体二极管
2,反偏 P,N? +
PN结变宽（由 11?到 22?）
PN结反向电阻很大。
内电场变大（由 V0变到 V0 + VF ）
形成漂移电流即反向（饱和）电流 IS ；
VR?,IS 不变；
利于漂移
2?
12
1?
1 2
1? 2?
P N
VRI
F
图 1－ 9
IR(或 IS )
总结：二极管 (PN结 )正向电阻小,反向电阻大,这就是它的单向导电性 。
二、二极管的伏安特性 I = f (V)
正向死区死区电压：硅 0.5V 锗 0.1V
图 2－ 10
O
V(V)
IS
IF
I(mA)
+ –
I
V
正向导通区
)1(,TSF V
V
eIIIa
IS,反向饱和电流
VT,温度的电压当量
T =300K时,VT =26mV
b,当 V >> VT
TS V
V
eII? I 和 V成指数关系
反向截止区
I =?IS
反向击穿区反向电流急剧增加,管子被击穿。
反向电压 × 反向电流 < PN结允许的耗散功率称为电击穿，电击穿是可逆的，如稳压管。
反向电压 × 反向电流 > PN结允许的耗散功率称为热击穿。热击穿管子损坏，是不可逆的。
三、二极管的直流参数
1,最大整流电流 IF：
管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流；
2,反向击穿电压 VBR：
管子反向击穿时的电压值一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。
§ 2.4 二极管基本电路及其分析方法一、二极管正向伏安特性的模型
1,理想模型
iD
(b)
+ –vD
正偏时，管子导通正向压降为 0；
反偏时，管子截止，电流为 0；
虚线为实际的伏安特性。
vDO
iD
(a) 图 2－
11
2,恒压降模型
vD0
iD
(a)
iD
(b)
图 2－
12
+ –vD
导通时，正向压降为 0.7V(硅 )
否则，电流为 0。
要求 iD?1mA
3,折线模型
vDO
iD
(a)
iD
(b)
+ –vD
Vth
图 2－
13
Vth为二极管的死区电压
(门坎电压 )，硅约 0.5V.
rD的确定。
当 iD =1mA,管压降为 0.7V。
rD
Vth rD1mA
0.7V+ –
0.7 = Vth +1·rD
rD = 0.2K
rD,Vth不是固定不变的。
4,小信号模型
二极管的微变电阻 rd的定义,
二极管特性曲线工作点 Q附近电压的变化量与相应的电流变化量之比即
D
D
d i
vr
图 2－ 14
vDO
Q
VD
vD
iD
ID
iD
求 rd：
)1( TS V
V
eII
TT
S
d
T
d
d1
V
Ie
V
I
v
I
r
V
V
)K3 0 0T( I )mV(26 Td 当IVr
如 I = 2mA时,rd = 13?
工作在线性区，
信号为微变量，
且为低频信号。
若 二极管二极管可用微变电阻 rd代替。
+
_
iD
vD rd
图 2－ 14(b)
二、模型分析法应用举例模型分析法可分析二极管电路的静态工作情况，限幅电路、开关电路，等等。
例 2－ 1 设电路如图,R=10K?。对于下列两种情况，求电路的 ID和 VD的值。
(1) VDD =10V; (2) VDD =1V;
(每种情况都用理想模型、恒压降模型、
折线模型求解 )
VDD
vD
iD
R
解,(1) VDD =10V
理想模型,D加正偏，
导通时正向压降为 0。
mA1DDD RVI 0D?V
恒压降模型：导 通时正向压降为 0.7V。
(锗约为 0.2V)
mA93.010 7.010DDDD R VVI
V7.0D?V
+
_
折线模型
VDD rD
iD
R
Vth mA9 3 1.0
2.010
5.010
D
thDD
D
rR
VV
I
+
_
V69.0DDthD rIVV
vD
(2) VDD = 1V
理想模型,mA1.0101DDD RVI
恒压降模型,mA03.010 7.01DDDD R VVI
0D?V
V7.0D?V
折线模型,mA049.02.010 5.01
D
thDD
D
rR
VVI
V51.02.0049.05.0DDthD rIVV
当 VDD较低时，折线模型得出的结果合理些。
例 2－ 2 用恒压降模型计算下图中流过二极管中的电流 ID。
5V
3K3K A
ID
B
10V
解,把二极管以外的部分用一个电压源和一个电阻串联等效（运用戴维南定理）
2.5V
A
ID
B
1.5K
二极管正向导通其正向压降为 0.7V。
mA2.15.1 7.05.2 D I
若用折线模型 mA18.12.05.1 5.05.2DI
例 2－ 3 一限幅电路如下图,R=1K,VREF= 3V,
设 vi = 6sin?tV。 试绘出相应的输出电压 v0
的波形。 (用折线模型分析 )
解,折线模型为
vi v0Vth
+
_
+
_
D
rD 0.2K
R iD
VREF
0.5Vvi v0VREF
+
_
+
_
R
D
.
当 vi的幅值大于 VREF + Vth = 3.5V时，管子导通。
vo = VREF + Vth + rD · iD = 3.5 + 0.2 iD
当 vi的幅值为 6V时,2.1 5.26
D
thR E F
D
rR
VVi
V92.32.1 5.22.05.3ov
管子导通时 vo的波形如蓝线所示。t
vi
3.5
3.92
vo
6
否则，管子截止。 vo= vi。
vo波形如红线所示
§ 2.5 特殊二极管齐纳二极管 (稳压二极管 )
1,特点：
掺杂浓度高（容易形成强电场）
作稳压用，一般工作在反向击穿区
2,伏安特性曲线,
正向特性和普通二极管同反向击穿区曲线越陡，即动态电阻 rZ 越小，
稳压性能越好。
Z
Z
Z I
Vr
图 2－ 15
V(V)
I(mA)
ZI?
ZV
ZV?
O
3,符号用 2CW,2DW命名
+
－
例 2－ 4设硅稳压管 DZ1,DZ2的稳定电压分别为 5V、
10V,又已知 DZ1,DZ2正向压降为 0.7V,求 V0
解,(a) DZ1,DZ2工作在反向击穿区
V0 = 5 +10 =15V
(b) DZ1,DZ2工作在正向导通区
V0 = 0.7 + 0.7 =1.4V
DZ1
DZ2
+
25V
1K
V0
(a)
DZ1
DZ2
+
25V
1K
V0
(b)
(恒压降模型 )
§ 2.1 半导体的基本知识一、本征半导体纯净的半导体晶体称为本征半导体第二章半导体二极管及其基本电路
1,本征半导体的共价键结构（硅）：
硅原子外层轨道 4个价电子,它与相邻原子靠得很近,使价电子成为两个原子公有,形成共价键结构 。
+4 +4
+4+4
共价键 共价键中的 两个电子图 2－ 1
2,本征半导体的特点：
在 T = 0 K（ 绝对零度 ） 和无外界激发,
没有自由运动的带电粒子 ——载流子；
T?,受热激发,如 T = 300K（ 室温 ）,
少数价电子会挣脱束缚成为自由电子,
留下空穴 ——本征激发 。
3,本征半导体中的两种载流子：
自由电子
空穴 （ 价电子挣脱束缚后留下的空位 ）
a,带正电，所带电量与电子相等；
b,可以,移动”；
c,本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相等。
4,本征半导体中的载流子浓度
kT
E G
eTApn 22
3
ii
ni,自由电子的浓度
pi,空穴的浓度
A,系数（与半导体材料有关）
T,绝对温度
EG,价电子挣脱共价键所需能量,又叫禁带宽度
K,波尔兹曼常数结论：半导体材料一定，载流子浓度随温度按指数规律增大。
二、杂质半导体半导体的导电能力取决于载流子的数目,
本征半导体受热激发只产生少量电子空穴对,
载流子浓度很低,外加电场作用,电流极其微弱； 若在本征半导体中掺入微量杂质，则导电性能大为改观，掺入百万分 之一 的杂质，载流子浓度增加 1百万倍。
1,N型半导体
形成本征掺杂,本征半导体 得到大量电子
（无空穴）
磷本征激发：得到少量电子空穴对
+4 +4
+4+5
磷原子多余电子图 2－ 2
特点
a,自由电子为多数载流子（多子）
空穴为少数载流子 （少子）；
b,磷原子被称为施主杂质，本身因失去电子而成为正离子。
N型半导体可简化成 +
图 2－ 3
2,P型半导体
形成本征掺杂,本征半导体 得到大量空穴
（无电子）
硼
+4 +4
+4+3
图 2－ 4
硼原子空穴本征激发：得到少量电子空穴对
特点
a,空穴为多数载流子 （多子）
自由电子为少数载流子（少子）；
b,硼原子被称为受主杂质，本身因获得电子而成为负离子。
P型半导体可简化成 －
图 2－ 5
§ 2.2 PN结的形成一,PN结的形成用化学方法把 N型半导体和 P型半导体结合在一起。
图 2－ 6
– – –
– – –
– – –
P型
+ + +
+ + +
+ + +
N型
浓度差别 多子扩散 空间电荷区
当扩散和漂移达到动平衡，即形成 PN结。
内电场
内电场 少子漂移
+ + +
+ + +
+ + +
– – –
– – –
– – –
+
+
+
–
–
–
P型区 N型区空间电荷区图 2－ 7
内电场 V0
二,PN结的符号把 PN结封壳，引线即成二极管。
其符号和 PN结相同。
阳极 阴极一、二极管（ PN结 ）的单向导电性
1,正偏,P? +,N
PN结变窄（由 11?到 22?）
PN结正向电阻很小。
内电场变小（ 由 V0变到 V0? VF ）
形成扩散电流即正向电流 IF ；
VF?,IF；
利于扩散
1?
21
2?
2 1
2? 1?
P N
VFI
F
图 2－ 8
§ 2.3 半导体二极管
2,反偏 P,N? +
PN结变宽（由 11?到 22?）
PN结反向电阻很大。
内电场变大（由 V0变到 V0 + VF ）
形成漂移电流即反向（饱和）电流 IS ；
VR?,IS 不变；
利于漂移
2?
12
1?
1 2
1? 2?
P N
VRI
F
图 1－ 9
IR(或 IS )
总结：二极管 (PN结 )正向电阻小,反向电阻大,这就是它的单向导电性 。
二、二极管的伏安特性 I = f (V)
正向死区死区电压：硅 0.5V 锗 0.1V
图 2－ 10
O
V(V)
IS
IF
I(mA)
+ –
I
V
正向导通区
)1(,TSF V
V
eIIIa
IS,反向饱和电流
VT,温度的电压当量
T =300K时,VT =26mV
b,当 V >> VT
TS V
V
eII? I 和 V成指数关系
反向截止区
I =?IS
反向击穿区反向电流急剧增加,管子被击穿。
反向电压 × 反向电流 < PN结允许的耗散功率称为电击穿，电击穿是可逆的，如稳压管。
反向电压 × 反向电流 > PN结允许的耗散功率称为热击穿。热击穿管子损坏，是不可逆的。
三、二极管的直流参数
1,最大整流电流 IF：
管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流；
2,反向击穿电压 VBR：
管子反向击穿时的电压值一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。
§ 2.4 二极管基本电路及其分析方法一、二极管正向伏安特性的模型
1,理想模型
iD
(b)
+ –vD
正偏时，管子导通正向压降为 0；
反偏时，管子截止，电流为 0；
虚线为实际的伏安特性。
vDO
iD
(a) 图 2－
11
2,恒压降模型
vD0
iD
(a)
iD
(b)
图 2－
12
+ –vD
导通时，正向压降为 0.7V(硅 )
否则，电流为 0。
要求 iD?1mA
3,折线模型
vDO
iD
(a)
iD
(b)
+ –vD
Vth
图 2－
13
Vth为二极管的死区电压
(门坎电压 )，硅约 0.5V.
rD的确定。
当 iD =1mA,管压降为 0.7V。
rD
Vth rD1mA
0.7V+ –
0.7 = Vth +1·rD
rD = 0.2K
rD,Vth不是固定不变的。
4,小信号模型
二极管的微变电阻 rd的定义,
二极管特性曲线工作点 Q附近电压的变化量与相应的电流变化量之比即
D
D
d i
vr
图 2－ 14
vDO
Q
VD
vD
iD
ID
iD
求 rd：
)1( TS V
V
eII
TT
S
d
T
d
d1
V
Ie
V
I
v
I
r
V
V
)K3 0 0T( I )mV(26 Td 当IVr
如 I = 2mA时,rd = 13?
工作在线性区，
信号为微变量，
且为低频信号。
若 二极管二极管可用微变电阻 rd代替。
+
_
iD
vD rd
图 2－ 14(b)
二、模型分析法应用举例模型分析法可分析二极管电路的静态工作情况，限幅电路、开关电路，等等。
例 2－ 1 设电路如图,R=10K?。对于下列两种情况，求电路的 ID和 VD的值。
(1) VDD =10V; (2) VDD =1V;
(每种情况都用理想模型、恒压降模型、
折线模型求解 )
VDD
vD
iD
R
解,(1) VDD =10V
理想模型,D加正偏，
导通时正向压降为 0。
mA1DDD RVI 0D?V
恒压降模型：导 通时正向压降为 0.7V。
(锗约为 0.2V)
mA93.010 7.010DDDD R VVI
V7.0D?V
+
_
折线模型
VDD rD
iD
R
Vth mA9 3 1.0
2.010
5.010
D
thDD
D
rR
VV
I
+
_
V69.0DDthD rIVV
vD
(2) VDD = 1V
理想模型,mA1.0101DDD RVI
恒压降模型,mA03.010 7.01DDDD R VVI
0D?V
V7.0D?V
折线模型,mA049.02.010 5.01
D
thDD
D
rR
VVI
V51.02.0049.05.0DDthD rIVV
当 VDD较低时，折线模型得出的结果合理些。
例 2－ 2 用恒压降模型计算下图中流过二极管中的电流 ID。
5V
3K3K A
ID
B
10V
解,把二极管以外的部分用一个电压源和一个电阻串联等效（运用戴维南定理）
2.5V
A
ID
B
1.5K
二极管正向导通其正向压降为 0.7V。
mA2.15.1 7.05.2 D I
若用折线模型 mA18.12.05.1 5.05.2DI
例 2－ 3 一限幅电路如下图,R=1K,VREF= 3V,
设 vi = 6sin?tV。 试绘出相应的输出电压 v0
的波形。 (用折线模型分析 )
解,折线模型为
vi v0Vth
+
_
+
_
D
rD 0.2K
R iD
VREF
0.5Vvi v0VREF
+
_
+
_
R
D
.
当 vi的幅值大于 VREF + Vth = 3.5V时，管子导通。
vo = VREF + Vth + rD · iD = 3.5 + 0.2 iD
当 vi的幅值为 6V时,2.1 5.26
D
thR E F
D
rR
VVi
V92.32.1 5.22.05.3ov
管子导通时 vo的波形如蓝线所示。t
vi
3.5
3.92
vo
6
否则，管子截止。 vo= vi。
vo波形如红线所示
§ 2.5 特殊二极管齐纳二极管 (稳压二极管 )
1,特点：
掺杂浓度高（容易形成强电场）
作稳压用，一般工作在反向击穿区
2,伏安特性曲线,
正向特性和普通二极管同反向击穿区曲线越陡，即动态电阻 rZ 越小，
稳压性能越好。
Z
Z
Z I
Vr
图 2－ 15
V(V)
I(mA)
ZI?
ZV
ZV?
O
3,符号用 2CW,2DW命名
+
－
例 2－ 4设硅稳压管 DZ1,DZ2的稳定电压分别为 5V、
10V,又已知 DZ1,DZ2正向压降为 0.7V,求 V0
解,(a) DZ1,DZ2工作在反向击穿区
V0 = 5 +10 =15V
(b) DZ1,DZ2工作在正向导通区
V0 = 0.7 + 0.7 =1.4V
DZ1
DZ2
+
25V
1K
V0
(a)
DZ1
DZ2
+
25V
1K
V0
(b)
(恒压降模型 )
