二极管及其基本电路

1 第1章 二极管及其基本应用电路

各种电子设备的主要组成部分是电子线路，而电子线路的核心是半导体器件，如半导体二极管（简称二极管）、晶体管（通常称为三极管）、场效应管和集成电路。半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，由于它具有体积小、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应用。

由于二极管是各种半导体器件及其应用电路的基础，因此本章首先讨论二极管的基本特性及其基本应用电路。

1.1 半导体基础知识

半导体器件是电子电路中应用最普遍的基本元件，是由经过特殊加工且性能可控的半导体材料制成的。

1.1.1 本征半导体 1.半导体材料

所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质。最常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）两种元素半导体。

半导体的真正应用价值并不在于其导电能力与导体或绝缘体在数值上的差异（如电阻率的大小等），最主要的是它具有如下两种独特性质。

① 当半导体受到外界光和热的激发时，其导电能力会发生显著变化（即光敏与热敏特性）。

② 在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电能力也会有显著的增加（即掺杂特性）。

2.本征半导体及其导电作用

（1）本征半导体

本征半导体是完全纯净的、结构完整的半导体晶体，如图1-1a所示。

图1-1 本征半导体

a）结构示意图 b）本征激发

在热力学温度为0K（即-273.15℃）时，本征半导体中的价电子不能挣脱共价键的束缚，不能自由移动。此时，本征半导体是不能导电的。当温度升高或受光照射时，价电子以热运

2 动的形式不断地从外界获取能量，少数价电子获得足够大的能量从而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，如图1-1b（B处）所示，这种现象称为本征激发。

（2）两种载流子

当价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，就同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位，这个空位称为空穴。空穴是一种带正电荷的载流子，其电量与电子电量相等。如图1-1b所示，其中A处为空穴，B处为自由电子。显然，自由电子和空穴是成对出现的，所以称为电子空穴对。

导言 我们为什么要学习模拟电子技术

在自然界以及人类活动中，存在着各种各样的信息。承载着这些信息的载体，

就叫做信号。现实生活中，我们会遇到种类繁多的信号，比如声信号、光信号、

温度信号等等，这些时间连续、幅值连续的信号叫做模拟信号，也就是数学当中

的连续函数。在对这些信号进行处理时，为了方便研究，需要将它们转换成电信

号。将各种非电信号转换为电信号的器件或装置叫做传感器，在电路中常将它描

述为信号源。

然而，传感器输出的电信号通常是很微弱的，如细胞电生理实验中所检测到

的电流仅有皮安（pA，A1210-）量级。对于这些过于微弱的信号，一般情况下

既无法直接显示，也很难作进一步处理。因此，需要将这些信号输入到放大电路

中进行放大处理。

如何利用各种元件设计出合理的放大电路，对信号源进行有效的、减少失真

的处理，是这门课程的主要内容。可以说，“放大”一词，就是这门课的核心。

课时一：二极管及其基本电路

一、PN结

1. 形成 通过一定的工艺，在同一块半导体的一边掺杂成P型，另一边掺杂成N型，

当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时，交界面上就会形成稳定的空间电荷区，

又称势垒区或耗尽层，即为PN结的形成。

2. 单向导电性 PN结正向偏置时，耗尽层变窄，呈现低电阻，称为正向导通；

PN结反向偏置时，耗尽层变宽，呈现高电阻，称为反向截止。

3. 电容效应 PN结的电容效应包括扩散电容DC和势垒电容BC。

4. 反向击穿特性 PN结的反向击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿两种现象。

二、半导体二极管

半导体二极管就是一个封装的PN结。

1. 二极管的伏安特性 1) 伏安特性表达式

二极管是一个非线性器件，其伏安特性的数学表达式为 )1(-=TDVvSDeIi 在室温下（KT300=时），mVVT26=。󰀡[例1.1]在室温下，若二极管的反向饱和电流为nA1，求它的正向电流为mA5.0时

应加多大的电压。

2) 伏安特性曲线

二极管的伏安特性曲线如下图所示。

光电二极管及其放大电路设计

引言：

光电二极管是一种能够将光信号转换为电信号的器件，广泛应用于光电转换、通信、遥感等领域。光电二极管通过光电效应实现光信号的转换，而放大电路则能够对光电二极管输出的微弱信号进行放大，提高信号的可靠性和稳定性。本文将介绍光电二极管的基本原理和构造，并探讨光电二极管放大电路的设计。

一、光电二极管的基本原理

光电二极管是一种基于光电效应工作的半导体器件，它的工作原理与普通二极管类似。当光照射到光电二极管的PN结时，光子的能量被电子吸收，使得电子从价带跃迁到导带，产生电流。这种光电效应使得光电二极管能够将光信号转换为电信号。

二、光电二极管的构造

光电二极管由PN结和外部电路组成。PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，形成了一个具有电势垒的界面。当光照射到PN结时，光子的能量被电子吸收，使得电子从价带跃迁到导带，形成电流。外部电路则用于接收和处理光电二极管输出的电信号。

三、光电二极管的放大电路设计

为了提高光电二极管输出信号的可靠性和稳定性，常常需要设计放大电路对其进行放大。光电二极管放大电路主要包括前端放大电路和后端放大电路。

1. 前端放大电路

前端放大电路主要用于对光电二极管输出的微弱电信号进行放大和滤波，以提高信号的强度和稳定性。常用的前端放大电路有共基极放大电路、共射极放大电路和共集电极放大电路等。这些放大电路能够将光电二极管输出的微弱信号放大到适合后续处理的幅度。

2. 后端放大电路

后端放大电路主要用于进一步放大前端放大电路输出的信号，并进行滤波和调理，使得信号能够更好地适应后续电路的要求。常用的后端放大电路有差动放大电路、共模放大电路和运放放大电路等。这些放大电路能够进一步放大信号，并对其进行滤波、放大和调理，以满足特定的应用需求。

四、光电二极管及其放大电路的应用

光电二极管及其放大电路广泛应用于光电转换、通信、遥感等领域。在光电转换领域，光电二极管可用于测量光强、光功率、光谱等参数。在通信领域，光电二极管可用于光纤通信、光导航等。在遥感领域，光电二极管可用于探测大气、水体、地表等的光学信号。

第二章 半导体二极管及其基本电路

2-1．填空

（1）N型半导体是在本征半导体中掺入 ；P型半导体是在本征半导体中掺入 。

（2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流会

。

（3）PN结的结电容包括

和

。

（4）晶体管的三个工作区分别是 、 和 。在放大电路中，晶体管通常工作在 区。

（5）结型场效应管工作在恒流区时，其栅-源间所加电压应该

。（正偏、反偏）

答案：（1）五价元素；三价元素；（2）增大；（3）势垒电容和扩散电容；（4）放大区、截止区和饱和区；放大区；（5）反偏。

2-2．判断下列说法正确与否。

（1）本征半导体温度升高后，两种载流子浓度仍然相等。（ ）

（2）P型半导体带正电，N型半导体带负电。（ ）

（3）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证RGS大的特点。（ ）

（4）只要在稳压管两端加反向电压就能起稳压作用。（ ）

（5）晶体管工作在饱和状态时发射极没有电流流过。（ ）

（6）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（ ）

（7）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ）

（8）若耗尽型N沟道MOS场效应管的UGS大于零，则其输入电阻会明显减小。（）

答案：（1）对；温度升高后，载流子浓度会增加，但是对于本征半导体来讲，电子和空穴的数量始终是相等的。

（2）错；对于P型半导体或N型半导体在没有形成PN结时，处于电中性的状态。

（3）对；结型场效应管在栅源之间没有绝缘层，所以外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证RGS大的特点。

（4）错；稳压管要进入稳压工作状态两端加反向电压必须达到稳压值。