模拟电子电路基础（常见半导体+multisim学习1）

1.半导体的基础

1.1.半导体基础知识

1.1.1本征半导体

1.1.2杂质半导体

1.1.3PN结

1.2半导体二极管

1.2.1半导体二极管的几种常见结构

1.2.2二极管的伏安特性曲线

1.2.3二极管的主要参数

1.2.4二级管的等效电路

1.2.5稳压二极管

1.2.其他类型二极管

2.multisim的仿真

2.1器件选型

2.1.1电流表

2.1.2电压表

编辑

2.1.3按键开关

2.1.4直流电源

2.1.5 IV分析仪

2.2电源指示灯电路

2.2.1理论部分

2.2.2Multisim不同发光二极管的压降仿真

2.3二极管的常见测试

2.3.1二极管伏安特性曲线的正向导通压降

2.3.2二极管伏安特性曲线的正向导通压降

2.3.3IV法测二极管的伏安特性曲线

2.3.4万用表测试二极管的电阻值

2.3.5交流电源和直流电源同时作用于二极管

2.3.6稳压二极管的伏安特性的测试

编辑

2.4限幅电路

2.4.1基础理论部分

2.3.2multisim仿真

1.半导体的基础

1.1.半导体基础知识

1.1.1本征半导体

将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成的单晶体，称为本征半导体。
半导体

（1）物体的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们受外界环境影响时，最外层电子容易脱离原子核的束缚，形成自由电子，在外电场的作用下产生定向移动。

（2）高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），他们的最外层电子受原子核束缚力很强，所以导电性差，成为绝缘体

（3）常用半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子即不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧

（4）在形成晶体结构得半导体中，人为掺入特定得杂志元素，导电性能具有可控性；并且，在光照和热辐射条件下，其导电性能还有明显变化；这些特殊得性质就决定了半导体可以制成各种电子元器件

本征半导体的晶体结构

（1）将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格

（2）由于相邻原子间的距离很小，因此，相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子，这样的组合称为共价键结构。+4表示除价电子以外的正离子

本征半导体中的两种载流子

（1）晶体中的共价键具有很强的结合力，因此，在常温下，仅有极少数的价由子由于热运动(热激发)获得足够的能量，从而挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时，在共价键中留下一个空位置，称为空穴。

（2）原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。在本征半导体中，自由电子与空穴是成对出现的，即自由电子与空穴数目相等。这样，若在本征半导体两端外加一电场，则一方面自由电子将产生定向移动,形成电子电流;另一方面由于空穴的存在,价电子将按一定的方向依次填补空穴，也就是说空穴也产生定向移动，形成空穴电流由于自由电子和空穴所带电荷极性不同，所以它们的运动方向相反，本征半导体中的电流是两个电流之和。

（3）运载电荷的粒子称为载流子。导体导电只有一种载流子，即自由电子导电；而本征半导体有两种载流子，即自由电荷和空穴均参与导电，这就是半导体导电的特殊性质

本征半导体中载流子的浓度

（1）半导体在热激发产生自由电子和空穴对的的现象称为本征激发。

（2）自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合

（3）在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，故达到动态平衡。换言之，在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等，当环境温度升高时，热运动加剧,挣脱共价键束缚的自由电子增多,空穴也随之增多，即载流子的浓度升高，因而必然使得导电性能增强。反之，若环境温度降低，则载流子的浓度降低，因而导电性能变差。

（4）可见，本征半导体载流子的浓度是环境温度的函数。理论分析表明，本征半导体载流子的浓度为

$n_i=p_i=K_1T^{\frac{3}{2}}e^{\frac{-E_{GO}}{2KT}}$

式中 $n_i$ 和 $p_i$ 分别表示自由电子和空穴的浓度（ $cm^{-3}$ ），T为热力学温度，k为波尔茨曼常数。 $E_{GO}$ 为热力学零度时破坏共价键所需的能量，又称禁带宽度。K是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量

1.1.2杂质半导体

基本概念

（1）通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂志元素，便可得到杂志半导体。

（2）按掺入的元素不同，形成N型半导体和P型半导体；控制掺入杂志元素的浓度，就可以控制杂杂半导体的导电性能

N型半导体

（1）在纯净的硅晶体中掺人五价元素(如磷)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体

（2）由于杂质原子的最外层有五个价电子，所以除了与其周围硅原子形成共价键外，还多出一个电子，多出的电子不受共价键的束缚，只需获得很少的能量，就成为自由电子。

（3）在常温下，由于热激发，就可使它们成为自由电子。而杂质原子因在晶格上,且又缺少电子，故变为不能移动的正离子。

（4）N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，故称自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子;简称前者为多子，后者为少子由于杂质原子可以提供电子，故称之为施主原子。入型半导体主要靠自由电子导电,掺人的杂质越多,多子(自由电子)的浓度就越高，导电性能也就越强。

P型半导体

（1）在统净的硅晶体中掺人三价元案(如硼)，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半导体

（2）由于杂质原子的最外层有了3个价电子，所以当它们与周围的硅原子形成共价键时，就产生了一个“空位”(空位为电中性)，当硅原子的外层电子填补此空位时，其共价键中便产生一个空穴，而杂质原子成为不可移动的负离子。因而P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。与N型半导体相同，掺人的杂质越多，空穴的浓度就越高，使得导电性能越强。因杂质原子中的空位吸收电子,故称之为受主原子。

总结

（1）从以上分析可知,由于掺入的杂质使多子的数目太大增加，从而使多子与少子复合的机会大大增多。因此,对于杂质半导体，多子的浓度愈高，少子的浓度就愈低。

（2）可以认为，多子的浓度约等于所掺杂质原子的浓度，因而它受温度的影响很小;而少子是本征激发形成的,所以尽管其浓度很低，却对温度非常敏感，这将影响半导体器件的性能。

1.1.3PN结

PN结的概念

（1）采用不同的参杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一硅片上，在它们的交界面就形成了PN结

PN结的形成

（1）物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动

（2）当把P型半导体和N型半导体制作在一起时，在它们的交界面，两种载流子的浓度差很大，因而P区的空穴必然向N区扩散，与此同时，N区的自由电子也必然向P区扩散，P区标有负号的小圆图表示除空穴外的负离子(即受主原子)，N区标有正号的小圆圈表示除自由电子外的正离子(即施主原子)。

（3）由于扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动的，称为空间电荷区)从而形成内电场。随着扩散运动的进行,空间电荷区加宽,内电场增强，其方向由N区指向P区,正好阻止扩散运动的进行。

（4）在电场力的作用下，载流子的运动称为漂移运动。在空间电荷区形成后，在内电场的作用下，少子产生漂移运动。空穴从N区向P区运动，而自由电子从P区向N区运动

（5）在无外加电场和其他激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，从而形成PN结

（6）空间电荷区具有一定的宽度，电位差为 $U_{ho}$ ，电流为零。空间电荷区内的电量相等，因此当P区和N区杂质浓度相等时，负离子和正离子的宽度也相等，称为对称结

（7）当两边杂质浓度不同时，浓度高一侧的离子区宽度低于浓度低的一侧，称为不对称的PN结

（8）绝大部分空间电荷区自由电子和空穴非常少，在分析PN结特性时候常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，这种方式称为耗尽层近似，故也称空间电荷区为耗尽层

PN结的单向导电性

（1）PN结外加正向电压时处于导通状态：当电源的正极（或正极串联电阻后）接到PN结的P端，且电源的负极（或负极串联电阻后）接到PN结的N端，称PN结外加正向电压，也称正向接法或正向偏置。

（2）此时外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，漂移运动减弱

（3）由于电源作用，扩散运动将源源不断地进行，从而进行正向电流，PN结导通。PN结导通时的结压降只有零点几伏，因而应在它所在的回路中串联一个电阻，以限制回路的电流，防止PN结因正向电流过大而损坏

（4） PN结外加反向电压时处于截止状态：当电源的正极（或正极串联电阻后）接到PN结的N端，且电源的负极（或负极串联电阻后）接到PN结的P端，称PN结外加反向电压，也称反向接法或反向偏置。

（5）此时外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻止扩散运动的进行，而加剧漂移运动的进行，形成反向电流，也成为漂移电流。

（6）因为少子的数目极少，即使所用少子都参与漂移运动，反相电流也非常小，所以近似将忽略不计，认为PN结外加反向电压时处于截止状态

PN结的伏安特性

（1）由理论分析可知，PN结所加端电压 $u$ 与流过它的电流 $i$ 的关系

$i=I_S(e^{\frac{qu}{KT}}-1)$

式中 $I_S$ 为反向电流，q为电子的电量，k为波尔茨曼常数，T为热力学温度。将 $\frac{KT}{q}$ 用 $U_T$ 取代

$i=I_S(e^{\frac{u}{U_T}}-1)$

常温下，即T=300K时，取 $U_T$ 为26mV，称 $U_T$ 为温度的电压当量

（2）当PN结外加正向电压，且 $u>>U_T$ 时， $i=I_Se^{\frac{u}{U_T}}$ ，即 $i$ 随 $u$ 按指数规律变化；当PN结外加正向电压，且 $|u|>>U_T$ 时， $i=-I_S$ ，此时 $i$ 与u的关系的关系曲线称为PN结的伏安特性，其中 $u>0$ 的部分称为正向特性， $u<0$ 的部分称为反向特性

（3）当反向电压超过一定数值 $U_{BR}$ 后，反向电流急剧增加，称为反向击穿。击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。

（4）在高掺杂的情况下,因耗尽层宽度很窄，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子--空穴对,致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿，可见齐纳击穿电压较低。如果掺杂浓度较低，耗尽层宽度较宽，那么低反向电压下不会产生齐纳击穿。当反向电压增加到较大数值时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与共价键中的价电子相碰撞。把价电子撞出共价键,产生电子-空穴对。新产生的电子与空穴被电场加速后又撞出其他价电子，载流子雪崩式的激增，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿

PN结的电容效应

（1）势垒电容：当PN结外加的反向电压，即耗尽层的电荷量是随外加电压而增大而减小，这种现象与电容器的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化等效的电容称为势垒电容 $C_b$ 。 $C_b$ 具有非线性，它与结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。

（2）扩散电容：PN结处于平衡状态时的少子常称为平衡少子。PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。当外加正向电压一定时，靠近耗尽层交界面的地方非平衡少子的浓度高，而远离交界面的地方浓度低，且浓度自高到低逐渐衰减，直到零。形成一定的浓度梯度(即浓度差),从而形成扩散电流。当外加正向电压增大时,非平衡少子的浓度增大且浓度梯度也增大,从外部看正向电流(即扩散电流)增大。当外加正向电压减小时与上述变化相反。

（3）下图所示的三条曲线是在不同正向电压下P区少子浓度的分布情况。各曲线与 $n_{p}=n_{p0}$ 所对应的水平线之间的面积代表了非平衡少子在扩散区域的数目，当外加正向电压增大时，曲线由1变成2，非平衡少子数目增多；当外加电压减小时，曲线由1变为3，非平衡少子数目减小。

（4）扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同，这种电容称为扩散电容 $C_d$ 。

1.2半导体二极管

1.2.1半导体二极管的几种常见结构

基础概念

（1）将PN结用外壳封装起来，并用上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。由P区引出，由N区引起的电极为阴极，常见的外形如下图所示

（2）图a所示得到点接触型二极管，由一根金属丝经过特殊工艺与半导体表面相接形成PN结。因而结面积小，不能通过较大的电流。但其结电容较小，一般在1pF以下，工作频率可达100MHz以上。因此适用于高频电路和小功率整流

（3）图b所示的面接触型的二极管是采用合金法工艺制成的。结面积大，能够流过较大的电流，但其结电容大，因而只能在较低频率下，一般仅作为整流管

（4）图c所示的平面二极管是采用扩散法制成的。结面积较大的可用于大功率整流，结面积小的刻作为脉冲数字电路中开关管

1.2.2二极管的伏安特性曲线

二级管和PN结伏安特性的区别

（1）与PN结一样，二极管具有单向导电性。但是由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压要大于PN结上的压降；或者说。在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于PN结的电流；在大电流情况下，这种影响更为明显。另外，由于二极管表面的漏电流的存在，使外加反向电压时的反向电流增大

（2）实测二极管的伏安特性曲线才发现，只有在正向电压足够大时，正向电流才从零随端电压按指数规律增大。使二极管开始导通的临界电压称为开启电压 $U_{on}$ 。当二极管所加反向电压的数值足够大时，反向电流为 $I_S$ 。反向电压大大将使二极管击穿，不同型号二极管的击穿电压差别很大。

（3）列出两种材料小功率二极管所加开启电压、正向导通电压范围、反向饱和电流的数量级。由于硅材料PN结平衡耗尽层 $U_{ho}$ 比锗材料的大，使得硅材料的 $U_{on}$ 比锗材料的大

（4）当温度升高时，二极管的正向导通曲线将会左移，反向导通曲线将下移。在室温附近，若正向电流不变，则温度每升高 $1^0C$ ，正向压降减小2~2.5mV；温度没升高 $10^0C$ ，反向电流 $I_S$ 约增大一倍

1.2.3二极管的主要参数

1.2.4二级管的等效电路

（1）理想图所示的折线化伏安特性曲线表明二级管导通时正向压降为0，截止时反向电流为0，称为理想二极管，相当于理想二极管，用空心的二极管符号表示

（2）有压降所示的折线化伏安特性曲线表明二级管导通时正向压降是一个常量 $U_{on}$ ，截止时反向饱和电流为零。因而等效电路是理想二极管串联电压源 $U_{on}$

（3）有压降，有电阻所示的折线化伏安特性曲线表明当二极管正向电压U大于 $U_{on}$ 后其电流 $I$ 与 $U$ 成线性关系，直线斜率为 $\frac{1}{r_D}$ .二极管截止时反向电流为零，因此等效电路是理想二极管串联电压源 $U_{on}$ 和电阻 $r_D$ ，且 $r_D=\frac{\Delta U}{\Delta I}$

二极管的微变等效电路

（1）当二极管外加正向直流正向电压时，将有一直流电流，曲线上反映该电压和电流的点称为Q，称为静态工作点。若在Q点基础上外加微小变化量，则可以用以Q点为切点的直线来近似微小变化时的曲线。

（2）式子中的 $I_D$ 是Q点的电流。由于二极管的正向特性为指数曲线，所以Q点愈高， $r_d$ 的数值越小

1.2.5稳压二极管

基本概念、

（1）稳压管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定的功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性。因此被使用在稳压电源与限幅电路中

稳压管的伏安特性

（1）稳压管的伏安特性与普通二极管相类似，如下如正向特性为指数曲线。当稳压管外加反向电压的数值达到一定程度时则击穿，击穿区的曲线很陡，几乎平行于纵轴表现其具有稳压特性.只要控制反向电流不超过一定的值，管子就不会因为过热而损坏

（2）在等效电路中 $D_I$ 表示稳压管加正向电压与虽加反向电压但未击穿的情况，理想二极管、电压管 $U_Z$ 和电阻 $r_z$ 的串联支路表示稳压管反向击穿时的等效电路

稳压管的主要参数

（1）稳定电压 $U_Z$ ： $U_Z$ 是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。由于半导体器件参数的分散性，同一型号的稳压管的 $U_Z$ 存在一定的差别

（2）稳压电流 $I_Z$ ： $I_Z$ 是稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变差，设置根本不稳压，故也常将 $I_Z$ 为 $I_{Zmin}$

（3）额定功耗 $P_{ZM}$ ： $P_{ZM}$ 等于稳压管的稳定电压 $U_Z$ 与最大稳定电流 $I_{ZM}$ （或记作 $I_{Zmax}$ ）的乘积。稳压管的功耗超过此值时，会因结温升过高而损坏。对于一支具体的稳压管，可以通过其 $P_{ZM}$ 的值，求出 $I_{ZM}$

（4）动态电阻 $r$ ： $r_Z$ 是稳压管工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比，即 $r_z=\frac{\Delta U_z}{\Delta I_z}$ , $r_Z$ 愈小，电流变化时 $U_Z$ 的变化愈小即稳压管的稳压特性愈好。对于不同型号的管子, $r_Z$ 将不同，从几欧到几十欧。对于同一只管子，工作电流愈大, $r_Z$ 愈小。

（5）温度系数α：α表示温度每变化 $1^OC$ 稳压值的变化量，即 $\alpha =\frac{\Delta U_Z}{\Delta T}$ 。稳定电压小于4 V的管子具有负温度系数(属于齐纳击穿)，即温度升高时稳定电压值下降;稳定电压大于7V的管子具有正温度系数(属于雪崩击穿) ,即温度升高时稳定电压值上升;而稳定电压在4~7 V之间的管子，温度系数非常小，近似为零(齐纳击穿和雪崩击穿均有)。

（6）由于稳压管的反向电流小于 $I_{Zmin}$ 时不稳压，大于 $I_{Zmax}$ 时会因超过额定功耗而损坏，所以在稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流，从而保证稳压管正常工作，故称这个电阻为限流电阻。只有在R取值合适时，稳压管才能安全地工作在稳压状态。

1.2.其他类型二极管

发光二极管

（1）发光二极管包括可见光，不可见光、激光等不同类型。发光二极管也具有单向导电性，只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，它的开启电压比普通二极管大。发光二极管因其驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高
等优点，广泛用于显示电路中

光电二极管

（1）光电二极管是远红外线接收管,是一种光能与电能进行转换的器件，PN结型光电二极管充分利用P结的光敏特性，将接收到的光的变化转换成电流的变化。

（2）下图所示为光电二极管的伏安特性。在无光照时，与普通二极管一样，具有单向导电性。外加正向电压时电流与端电压成指数关系，见特性曲线的第一象限 ;外加反向电压时反向电流称为暗电流通常小于0.2uA

（3）在有光照时，特性曲线下移,它们分布在第三、四象限内。在反向电压的一定范围内，即在第三象限,特性曲线是一组横轴的平行线。光电二极管在反压下受到光照而产生的电流称为光电流,光电流受人射照度的控制。照度一定时 ,光电二极管可等效成恒流源。照度愈大，光电流愈大，在光电流大于几十微安时，与照度成线性关系。这种特性可广泛用于遥控、报警及光电传感器中。特性曲线在第四象限时呈光电池特性。

（4）特性曲线在第四象限呈现光电池特性

（5）图(b)、(c)、(d)分别是光电二极管工作在特性曲线的第一、三、四象限时的原理电路。图(b)所示电路与普通二极管加正向电压的情况相同。图(c)中的电流仅决定于光电二极管受光面的入射照度,电阻R将电流的变化转换成电压的变化, $U_R=iR$ 。图(d)中，当R一定时，入射照度愈大, $i$ 愈大,R上获得的能量也愈大，此时光电二极管作为微型光电池。

2.multisim的仿真

2.1器件选型

2.1.1电流表

2.1.2电压表

、

2.1.3按键开关

2.1.4直流电源

2.1.5 IV分析仪

2.2电源指示灯电路

2.2.1理论部分

原理图

发光二级管各颜色的正向偏置

限流电阻的选择

（1）限流电阻Ω = (电源电压V - LED正向压降*LED个数) / 正向电流

2.2.2Multisim不同发光二极管的压降仿真

总他仿真图

2.3二极管的常见测试

2.3.1二极管伏安特性曲线的正向导通压降

2.3.2二极管伏安特性曲线的正向导通压降

2.3.3IV法测二极管的伏安特性曲线

2.3.4万用表测试二极管的电阻值

2.3.5交流电源和直流电源同时作用于二极管

（1）对于下图所示电路，在交流信号 $u_I$ 幅值较小且频率较低的情况下， $u_R$ 的波形如右图所示，他是在一定直流电压基础上的叠加上一个与 $u_I$ 一样的正弦波，该正弦波的幅值决定于 $r_d$ 与R的分压。图中标注的 $U_D$ 是直流电压源V单独作用时二极管的正向压降，即Q点电压

2.3.6稳压二极管的伏安特性的测试

2.4限幅电路

2.4.1基础理论部分

串联限幅电路

（1）当输入电压处于正向且小于 $E$ 时，由于输出电压为电阻和E两端的电压，此时输出电压将会被限幅在 $E$ ，当输入电压增加到大于 $E$ 时，此时输入电压多余部分将会分配到电阻R上，此时输出电压等于电阻R上的电压与 $E$ 上的电压之和。

并联限幅电路

（1）当输入电压处于正向且小于 $U_D+E$ 时，此时输出电压将随输入电压变化。当大于 $U_D+E$ 时，由二极管的伏安特性曲线，此时二极管的电压将会发生极小的变化，且输出电压为二极管和直流电源两端的电压，此时输出电压将会被近似限幅在 $U_D+E$ 位置，当输入电压为负向电压时，此时二极管处于截止状态，当二极管无法被击穿时，将随着输入电压变化

双向限幅电路

（1）设忽略VD1的压降，当 $U_i>E$ 时，VD1正向偏置，VD2反向偏置，VD1导通，VD2截止， $U_O$ = $E$ 。当 $U_i<-E$ 时，VD2正向偏置，VD1反向偏置，VD2导通，VD1截止。 $U_O$ = $-E$
当 $-E<U_i<E$ 时，VD1、VD2均反向偏置而截止， $U_o=U_i$