模拟电子线路一单元课件

1、课程概述电子线路：指包含电子器件，并能对电信号实现某种处理的功能电路。电路组成：电子器件 + 外围电路电子器件：二极管、场效应管、集成电路。外围电路：直流电源、电阻、电容、电流源电路等。课程概述电子线路：指包含电子器件，并能对电信号电路组成：电子第 1 章晶体二极管1.0概述1.1半导体物理基础知识1.2PN 结1.3晶体二极管电路分析方法1.4晶体二极管的应用第 1 章晶体二极管1.0概述1.1半导体物理基础知概 述晶体二极管结构及电路符号：PN 结正偏(P 接 +、N 接 -)，D 导通。PN正极负极晶体二极管的主要特性：单方向导电特性PN 结反偏(N 接 +、P 接 -)，D 截止。即主

2、要用途：用于整流、开关、检波电路中。 晶体二极管概 述晶体二极管结构及电路符号：PN 结正偏(P 接 +、实际二极管的照片电路符号实际二极管的照片电路符号1.1半导体物理基础知识半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅(Si)、锗(Ge)原子结构及简化模型：+14284+3228418+4价电子惯性核 晶体二极管1.1半导体物理基础知识半导体：导电能力介于导体与绝缘体之硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和锗共价键结构示意图：共价键1.1.1本征半导体 晶体二极管硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材在硅和锗晶体

3、中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在 本征激发 当 T 升高或光线照射时产生自由电子空穴对。 共价键具有很强的结合力。 当 T = 0 K(无外界影响) 时，共价键中无自由移动的电子。这种现象称注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。本征激发。(动画) 晶体二极管 本征激发 当 T 升高或光线照射时产生自由电子空穴对。 在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没

4、有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子 带负电半导体中有两种导电的载流子 空穴的运动空 穴 带正电当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原温度一定时： 激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。 热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：本征半导体中本征激发产生自由电子空穴对。电子和空穴相遇

5、释放能量复合。T导电能力ni或光照热敏特性光敏特性 温度一定时： 热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：本征半导体中 N 型半导体：(动画)1.1.2杂质半导体+4+4+5+4+4简化模型：N 型半导体多子自由电子少子空穴自由电子本征半导体中掺入少量五价元素构成。Negative N 型半导体：1.1.2杂质半导体+4+4+5+4+4在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给

6、出一个电子，称为施主原子。在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些 P 型半导体(动画)+4+4+3+4+4简化模型：P 型半导体少子自由电子多子空穴空 穴本征半导体中掺入少量三价元素构成。 P 型半导体(动画)+4+4+3+4+4简化模型：P 型半在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的

7、杂质半导体中载流浓度计算N 型半导体(质量作用定理)(电中性方程)P 型半导体杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。多子浓度取决于掺杂浓度。 杂质半导体中载流浓度计算N 型半导体(质量作用定理)(电中1.1.3两种导电机理漂移和扩散漂移与漂移电流载流子在电场作用下的运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。漂移电流密度总漂移电流密度：迁移率1.1.3两种导电机理漂移和扩散漂移与漂移电流载流 半导体的电导率电压： V = E l电流： I = S Jt+ -V长度 l截面积 S电场 EI电阻：电导率： 半导体的电导率电压： V = E l电流： I载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流

8、称扩散电流。扩散电流密度： 扩散与扩散电流N 型 硅光照n(x)p(x)载流子浓度xn0p0载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散1.2PN 结利用掺杂工艺，把 P 型半导体和 N 型半导体在原子级上紧密结合，P 区与 N 区的交界面就形成了 PN 结。 掺杂N 型P 型PN 结1.2PN 结利用掺杂工艺，把 P 型半导体和 N 型1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中

9、内电场阻碍P中的1.2.1动态平衡下的 PN 结阻止多子扩散出现内建电场开始因浓度差产生空间电荷区引起多子扩散利于少子漂移最终达动态平衡注意： PN 结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过 PN 结的电流为零。 PN 结形成的物理过程(动画)1.2.1动态平衡下的 PN 结阻止多子扩散出现内建电场开 内建电位差：室温时锗管 VB 0.2 0.3 V硅管 VB 0.5 0.7 V 阻挡层宽度： 注意：掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位差 VB越大，阻 挡层宽度 l0 越小。 内建电位差：室温时锗管 VB 0.2 0.3 V1.2.2PN 结的伏安特性 PN 结单向导电特性P+N内建电

10、场 El0+ -VPN 结正偏阻挡层变薄内建电场减弱多子扩散 少子漂移多子扩散形成较大的正向电流 IPN 结导通I电压 V 电流 I 二极管1.2.2PN 结的伏安特性 PN 结单向导电特性P+RE一、PN 结正向偏置(动画)内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。+RE一、PN 结正向偏置(动画)内电场外电场 PN 结单向导电特性P+N内建电场 El0- +VPN 结反偏阻挡层变宽内建电场增强少子漂移多子扩散少子漂移形成微小的反向电流 IRPN 结截止IRIR 与 V 近似无关。温度 T 电流 IR结论：PN 结具有单方向导电特性。 PN 结单向导电特性P

11、+N内建电场 El0- +二、PN 结反向偏置(动画)+内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE二、PN 结反向偏置(动画)+内电场外电场变厚二极管的单向导电性仿真二极管的单向导电性仿真模拟电子线路一单元课件 PN 结伏安特性方程式PN 结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述： 热电压 26 mV(室温)其中：IS 为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。正偏时： 反偏时： PN 结伏安特性方程式PN 结正、反向特性，可用理想的 PN 结伏安特性曲线IDVVD(on)-ISSiGeVD(on) =

12、0.7 VIS = (10-9 10-16) A硅 PN 结VD(on)= 0.25 V锗 PN 结IS = (10-6 10-8) AV VD(on)时 随着V 正向R 很小 I PN 结导通；V 6 V) 形成原因：碰撞电离。V(BR)IDV形成原因：场致激发。 发生条件PN 结掺杂浓度较高(l0 较窄)外加反向电压较小( 6 V)O1.2.3PN 结的击穿特性|V反| = V(BR)时，因为 T 载流子运动的平均自由路程 V(BR)。 击穿电压的温度特性 雪崩击穿电压具有正温度系数。 齐纳击穿电压具有负温度系数。因为 T 价电子获得的能量 V(BR)。 稳压二极管 利用 PN 结的反向击

13、穿特性，可制成稳压二极管。 要求：IZmin IZ CD ，则 Cj CT PN 结总电容： Cj = CT + CD PN 结正偏时，CD CT ，则 Cj CD故：PN 结正偏时，以 CD 为主。 故：PN 结反偏时，以 CT 为主。通常：CD 几十 pF 几千 pF。通常：CT 几 pF 几十 pF。 PN 结电容 PN 结反偏时，CT CD ，则 C1.3晶体二极管电路分析方法晶体二极管的内部结构就是一个 PN 结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型： 便于计算机辅助分析的数学模型 适于任一工作状态的通用曲线模型直流简化电路模型交流小信号电路模型 电路分析时

14、采用的1.3晶体二极管电路分析方法晶体二极管的内部结构就是一1.3.1晶体二极管的模型数学模型伏安特性方程式理想模型：修正模型：其中：n 非理想化因子I 正常时：n 1I 过小或过大时：n 2rS 体电阻 + 引线接触电阻 + 引线电阻注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际 IS 理想 IS。 晶体二极管1.3.1晶体二极管的模型数学模型伏安特性方程式理想模曲线模型伏安特性曲线V(BR)I /mAV/VVD(on)-IS当 V VD(on) 时 二极管导通当 V 0，则管子导通；反之截止。实际二极管：若 V VD(on)，管子导通；反之截止。当电路中存在多个二极管时，

15、正偏电压最大的管子 优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。 晶体二极管 简化分析法即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得例 2设二极管是理想的，求 VAO 值。图(a)，假设 D 开路，则 D 两端电压： VD = V1 V2 = ( 6 12)V = 18 V 0 V，VD2 = V2 (V1) = 15 V 0 V。 由于 VD2 VD1 ，则 D2 优先导通。此时 VD1 = 6 V 2 V 时，D 导通，则 vO = vivi 2 V 时，D 截止，则 vO = 2 V由此可画出 vO 的波形。 +-DV+-+-2 V100 Rvovit62OVi/VVo/VtO26(2)画输

16、出信号波形方法根据输入信号大小 判断二极管 小信号分析法 即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。分析步骤： 将直流电源短路，画交流通路。 用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。 利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。 小信号分析法 即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，1.4晶体二极管的应用电源设备组成框图： (动画)电 源变压器整流电路滤波电路稳压电路vivotvitv1tv2tv3tvo 晶体二极管1.4晶体二极管的应用电源设备组成框图： (动画)电 源整 整流电路1.4.1整流与稳压电路D+-+-RvOvi当 vi 0 V

17、时，D 导通，则 vO = vi当 vi 0 V 时，D 截止，则 vO = 0 V由此，利用二极管的单向导电性，实现了半波整流(动画) 。 若输入信号为正弦波： 平均值： VOtOvitOvOVimVim 整流电路1.4.1整流与稳压电路D+RvOvi当 vi桥式整流电路的仿真桥式整流电路的仿真整流后的波形整流后的波形VD1开路,整流后的波形半波VD1开路,整流后的波形半波 稳压电路某原因 VO IZ I 限流电阻 R：保证稳压管工作在 IZmin IZmax 之间稳压原理： VO VRVO = VZ输出电压：D+-+-RRLILVIVOIZI 稳压电路某原因 VO IZ I 限流电阻 1.

18、4.2限幅电路(或削波电路)V2 vi V1 时，D1、D2 截止，vo = vi tOvitOvoVi V1 时，D1 导通、D2 截止，vo = V1 Vi V2 时，D2 导通、D1 截止，vo = -V2 由此 ，电路实现双向限幅功能。vovi+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中：V1 为上限幅电平， V2 为下限幅电平。V1-V2-V2V11.4.2限幅电路(或削波电路)V2 vi V1补: 半导体器件的种类及发展、种类： 二极管、三极管、场效应管、集成电路（IC） Integrated Circuit、发展：电子器件的更新换代推动电子技术的发展，其中电子学发展史上三个重要里程碑：1)1906年电子管发明（进入电子时代）2)1948年晶体管问世（半导体器件）3)60年代集成电路出现(进入信息时代) 目前，贝尔实验室正研制超小体积和超低功耗的第四代半导体器件，它的问世将掀起电子技术新革命:补: 半导体器件的种类及发展、种类：、发展： 目前1第一代电子器件电子管 1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）等发明，可实现整流、稳压、检波、放大、振荡等多种功能电路。 电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m2，重3