电工与模数电技术 课程安排 电工电子技术、信息技术及计算机技术是注册电气工程师执业资格考试公共基础部分的内容，模拟电子技术及数字电子技术是专业基础的内容。五门课加起来52~56分，不仅本身就占基础考试总分数240分的22%，而且这五门课是电气工程基础等课程的基础。 电工电子技术、信息技术及计算机技术包括模拟电子技术及数字电子技术的基础内容。把电工电子技术、模拟电子技术及数字电子技术拆分为电工技术、模拟电子技术、数字电子技术及计算信息技术来教学，能够避免重复、节省时间、提高效率。 为了充分利用最少的时间，使学员考试效果最好，本课程主要是结合考试大纲及历年考试情况重点介绍基本知识点及计算方法，尤其是传统教科书没讲但对考试又十分有用的计算方法。 主讲人：元增民

电工与模数电技术 模拟电子技术 主讲人：元增民

作业: 思考题 1.1.5 硅二极管的正向压降名义值为0.7V，为什么实际分布在0.5V~0.8V宽范围上？ PPT1 第1章 晶体管(1) 1.1 半导体pn结与晶体二极管数理模型 1.1.1 半导体 1. 本征半导体、本征激发及载流子 2. 杂质半导体—N型半导体与P型半导体 3. 多数载流子与少数载流子 1.1.2 pn结的扩散势及其内电场 1. 扩散势与pn结内电场及势垒的形成 2. 外加电压对pn结内电场的影响——单向导电性 3. 光照对pn结内电场的影响——光电效应 1.1.3 pn结(二极管)及其数学模型 作业: 思考题 1.1.5 硅二极管的正向压降名义值为0.7V，为什么实际分布在0.5V~0.8V宽范围上？

本节要务 PN结单向导电性 1.二极管输入特性曲线—动态电阻 2.掺杂浓度对二极管正向压降的影响 3.PN结光电效应

人身体中的单向开关 上帝赏赐给人类单向开关，人类也能制造出更多的单向开关！ 心脏的周期性收缩与舒张示意图 心脏中的四只单向开关：二尖瓣、三尖瓣、肺动脉瓣、主动脉瓣 心房是静脉的末端，心室是动脉的起端。泵血功能主要由心室的强力收缩来实现 心脏搏动动画网址： http://jxzy.smu.edu.cn/151/PrjFile/huli/UploadFiles/Media/eManSys_0725194027.swf http://cz2010.qlteacher.com/Article/view/47441eManSys_0725194027.swf => 上帝赏赐给人类单向开关，人类也能制造出更多的单向开关！

(a) 硅、锗晶体立体结构图 (b) 硅、锗晶体的平面表达 第1章 晶体管 1.1 半导体pn结与晶体二极管 1.1.1 半导体 电导率介于导体与绝缘体之间的材料称为半导体。 常见半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。 (a) 硅、锗晶体立体结构图 (b) 硅、锗晶体的平面表达 图1.1.1 本征半导体硅、锗的晶体结构 共价键中的电子相互约束，很难成为自由电子，是本征半导体材料及高纯半导体材料电导率很低的主要原因。

1. 本征半导体、本征激发及载流子 每立方厘米硅晶体约有5×1022个硅原子。成分纯净、结构单晶的理想半导体材料称为本征半导体.制造二极管、三极管要用纯度>99.999 999 9%(俗称九个9)的半导体材料。 本征激发：半导体中不断地成对出现微量自由电子—空穴，又不断地复合。每立方厘米本征半导体中的自由电子数用Ni表示，等量空穴数用Pi表示，下标i来自intrinsic(本征)。Pi=Ni。Ni和Pi统称为本征载流子浓度。室温下硅本征载流子浓度Ni=Pi≈1.4×1010/cm3。 自由电子和空穴叫做载流子。室温时硅晶体中每36000亿个硅原子中才有一个释放出一个自由电子，故本征硅晶体导电性很差。 温度越高，本征激发越厉害，半导体电导率就越高。

2. 杂质半导体—N型半导体与P型半导体 (1) 掺入杂质为三价元素或五价元素。 四价主体各掺入三、五价元素能形成特性互补的杂质半导体。 (2) 掺杂量适当，通常为百万分之一甚至更微量的掺杂。 掺杂使自由电子和空穴数量不等而形成多子和少子。掺杂浓度一是体积掺杂浓度，符号Nd，下标d来自doping，二是相对掺杂浓度，即杂质与主体原子数的比值，符号Nrel。Nd与Nrel的关系为 Nd=Nrel×5×1022/cm3 (1.1.1) 为使多子少子明显差异，掺杂浓度应远远大于本征载流子浓度。对硅就是远远大于Ni=Pi≈1.4×1010/cm3。为不影响晶体原结构，掺杂浓度应远远小于主体原子浓度，对硅是远远小于5×1022/cm3。因此，对硅来说，体积掺杂浓度应介于5×1012/cm3~5×1016/cm3之间，折合相对掺杂浓度Nd=10-7‰~10-3‰。相对掺杂浓度是在三维空间定义的。相对掺杂浓度达到上限百万分之一即10-6时，在每个晶格方向上看，就是每100个晶格才掺入一个杂质原子。

图1.1.3 (a) P型半导体的平面展开表示 (b) P型半导体的简化平面展开 (1) N型半导体 红圈：硅原子实 黑圈：五价杂质 蓝点：共价键电子 红点：自由电子 图 例 图1.1.2 (a) N型半导体的平面展开表示 (b) N型半导体的简化平面展开 本征激发形成载流子，掺入三、五价杂质能形成更多的载流子 (2) P型半导体 红圈：硅原子实 黑圈：三价杂质 蓝点：共价键电子 小红圈：空穴 图 例 图1.1.3 (a) P型半导体的平面展开表示 (b) P型半导体的简化平面展开 掺入三价杂质所形成的空穴，或空位，本身并不带电。称空穴为载流子，只是因为空穴为电子的移动即导电提供方便而已。

3. 多数载流子与少数载流子 N型半导体中不仅有大量自由电子，由于热激发影响，还有极微量空穴；P型半导体中不仅有大量空穴，还有极微量自由电子。N型半导体中大量自由电子称为多数载流子，极微量空穴称为少数载流子。P型半导体中大量空穴称为多数载流子，极微量自由电子称为少数载流子。多数载流子简称为多子，少数载流子简称为少子。 半导体掺杂前后两种载流子浓度的乘积保持不变。 NdPd=NiPi=Ni2=Pi2 (1.1.2) 多子浓度约等于所掺入的杂质浓度。由上式可计算少子浓度。 例如，常温下硅中掺入五价杂质即自由电子浓度Nd=1015/cm3，则自由电子浓度与空穴浓度的比值锐增为 Nd/Pd=(Nd/Ni)2=[1015/cm3/(1.4×1010/cm3)]2 ≈ 50×108 每50亿个自由电子才对应1个空穴！空穴如此之少，故常忽略！

表1.1.1 室温300K(27℃)下常见材料的Ni、Pi值及器件极限最高工作温度 少子及温度对半导体器件工作的影响 少子越少，器件工作越好。理想半导体应当没有少子。本征半导体中自由电子和空穴原始量Ni、Pi越多，所制成的半导体器件极限最高工作温度就越低。表1.1.1展示了室温300K(27℃)下锗、硅、砷化镓半导体材料的本征载流子浓度及其所制成的半导体器件的极限最高工作温度。 表1.1.1 室温300K(27℃)下常见材料的Ni、Pi值及器件极限最高工作温度 材料 锗 硅 砷化镓 本征载流子浓度Ni=Pi 2.4×1013/cm3 1.4×1010/cm3 1.1×107/cm3 器件极限最高工作温度 100°C 250°C 450°C (1) 电导率介于导体与绝缘体之间 (2) 物质结构为单晶体。 (3) 微量掺杂后电导率猛然增大。 (4) 光照或受热后电导率稍微增大。 半导体材料的四个基本特点

1.1.2 pn结自由电子扩散势及其内电场 1. 自由电子扩散势与pn结内电场的形成 重物下落是受到重力的作用，电子移动是受到电动势的作用。自由电子从N区移到P区所受电动势叫扩散势，符号Ee，下标e来自electron(电子)，其极性P正N负，其值与材料及掺杂浓度有关，受温度影响。室温下硅pn结自由电子扩散势Ee及温度系数为 Ee=(0.119lgNd-1.17)V (1.1.3) (1.1.4) 室温下硅pn结逃逸势及其温度系数各为 Ee=[0.119lg(5×1015)-1.17]V=1.868-1.17≈0.7V 表1.1.2 室温下硅pn结扩散势Ee (正向压降)及其温度系数 lgNd 12 14 15 16 17 18 19 Ee/V .26 .50 .62 .73 .85 .97 1.09 -3.4 -2.6 -2.2 -1.8 -1.4 -1.0 -0.6

固体的电子与原子好似和尚与庙。和尚是活的庙是固定的。电子是活的原子是固定的。跑了和尚跑不了庙。 N区自由电子跑到P区填充空穴，原地留下正离子，N区形成正电荷区，同时P区形成负电荷区。P区负电荷区与N区正电荷区组成pn结内电场。 逃逸势Ee对电子扩散是动力，是常数，内建电势Ub是阻力，是变数。内电场越宽，Ub就越大。随着扩散，内电场越来越宽，Ub越来越大，最终Ub达到Ee而平衡 Ub=Ubf=Ee 自由电子扩散停止，自由pn结内电场最终形成。下标f来自free(自由)。 (a) pn结刚刚形成，还没有内电场 (b) 电子正在从N区向P区扩散中 (c) Ub=Ee，电子停止扩散 图1.1.4 pn结及其内电场

2. 外加电压对pn结内电场的影响——单向导电性 1) 外加正向电压 (a) 外加正向电压时pn结内电场变窄 (b) 正向电压较大时pn结内电场消失 图1.1.5 外加正向电压对pn结内电场的影响 pn结正向导通时 (1.1.5) 2) 外加反向电压 (a) 外加反向电压时内电场变厚 (b) 外加反向电压时内电场宽度达到极限 图1.1.6 外加反向电压对pn结内电场的影响

外加负电压很大时pn结会反向击穿的两种解释 形象解释：一个人扛重物有限制。超重时人会被压垮。pn结承受反压能力也有限。pn结承受反压很大很大，也会被压垮，即反向击穿。 科学解释：pn结N区自由电子及P区空穴都是有限的。反压很大时，无论所有空穴都已经被填满了，还是所有自由电子都已经扩散到P区了，内电场都不能再继续变宽。内电场不能跟着反压继续变宽，结果整个电路就失去平衡。整个电路失去平衡，外加负电压就会克服内电场势垒连续地输送电子，把pn结击穿。

2) pn结在光照下的表现——光电效应(选讲) 不受光照的pn结内电场势垒达到逃逸势而平衡，使pn结呈现中性。光照也能打破内建电势与逃逸势的平衡，并使pn结呈现电性。这就是pn结的光生伏特效应。 图1.1.7 开路pn结在光照下内电场消失、逃逸势得以现身 pn结受光照时各处都可能产生光生电子空穴对。其中内电场的光生电子在内建电势作用下奔向内电场正边缘、空穴奔向负边缘，故内电场持续变窄最终消失。内电场消失时逃逸势得以独立现身，以电动势出现在pn结两端。逃逸势是光电池电动势的源泉。光生电动势P正N负。这是光电池及光电二极管工作原理。

图1.1.8 pn结与晶体二极管的符号及塑封、玻封、金封二极管外形 1. 二极管工作原理 在pn结两端制作引线并适当封装，就制成二极管。 图1.1.8 pn结与晶体二极管的符号及塑封、玻封、金封二极管外形 二极管封装形式：塑料封装(塑封)、玻璃封装(玻封) 金属封装(金封) 2. 二极管伏安特性及数理模型 图1.1.9二极管 图1.1.10 二极管 正向特性实验电路 反向特性实验电路 图1.1.11 二极管伏安特性曲线

(a) 指数曲线模型 (b) 折线模型 (c) 恒压降模型 (d) 零压降模型 二极管四种数理模型 (a) 指数曲线模型 (b) 折线模型 (c) 恒压降模型 (d) 零压降模型 图1.1.12 晶体二极管伏安特性的四种数理模型 1) 非线性模型 (1) 指数曲线模型 (1.1.6) k为待定比例系数，Is为待定电流常数，UT是一个与绝对温度T成正比的电压当量，UT=0.08614T(mV)，0.08614mV/℃≈ 0.1mV/℃就是UT的温度系数。 T=302K(≈29ºC)时，UT=0.08614×302≈26mV。模拟电子学中UT是一个与圆周率π一样重要的常数，很多设计计算都要用到UT。

为求二极管伏安特性曲线的斜率，微分有 用rd代表pn结动态电阻，把电流由小写字母i改写为大写字母I有 (1.1.2c) (2) 多项式模型 pn结二极管的多项式数理模型如下 i=a1u+a2u²+a3u³+…… (1.1.7) a1、a2、a3为常系数。多项式模型用于混频分析计算时较方便。 2) 折线模型(近理想模型) 正向电压ud<Ud(on)时认为二极管不导通，伏安特性简化为电流恒为0；ud>Ud(on)时管子导通，认为管子动态电阻rd不变，简化为斜线，见图1.1.14(b)。折线模型较贴近实际，又比较容易使用。 3) 恒压降模型(准理想模型) 4) 零压降模型(理想模型)