模拟电子线路一单元课件

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。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。即主要用途：用于整流、开关、检波电路中。

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。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。电子和空穴相遇释放能量——复合。T导电能力ni或光照热敏特性光敏特性

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。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。

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。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。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：迁移率半导体的电导率电压：V=E

l电流：I=SJt+-V长度l截面积S电场EI电阻：电导率：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xn0p01.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:1.2.1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)内建电位差：室温时锗管VB

0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V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。－－－－++++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。

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。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

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26mV(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——伏安特性曲线IDVVD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN结VD(on)=0.25V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<VD(on)时IR很小(IR-IS)反向R很大PN结截止。温度每升高10℃，IS约增加一倍。温度每升高1℃，VD(on)约减小2.5mV。O1.2.3PN结的击穿特性|V反|

=V(BR)时，IR急剧，

PN结反向击穿。雪崩击穿齐纳击穿PN结掺杂浓度较低(l0较宽)发生条件外加反向电压较大(>6V)

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(<6V)O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结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。要求：IZmin<IZ<IZmaxVZIDVIZminIZmax+-VZO稳压仿真1.2.4PN结的电容特性势垒区内空间电荷量随外加电压变化产生的电容效应。势垒电容CT

扩散电容CD

阻挡层外(P区和N区)贮存的非平衡电荷量,随外加电压变化产生的电容效应。CT(0)CTVOxn少子浓度xO-xpP+N

PN结电容

PN结反偏时，CT>>CD，则Cj

CTPN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。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采用的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：n1I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<VD(on)时二极管截止当反向电压V

V(BR)时二极管击穿晶体二极管的伏安特性曲线，通常由实测得到。简化电路模型折线等效：在主要利用二极管单向导电性的电路中，实际二极管的伏安特性。IVVD(on)IVOabIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想状态：与外电路相比，VD(on)和RD均可忽略时，二极管的伏安特性和电路符号。开关状态：与外电路相比，RD可忽略时的伏安特性。简化电路模型：折线等效时，二极管的简化电路模型。小信号电路模型rsrjCjIVQrs：PN结串联电阻，数值很小。rj：为二极管增量结电阻。Cj：PN结结电容，由CD和CT两部分构成。注意：高频电路中，需考虑Cj影响。因高频工作时，

Cj容抗很小，PN结单向导电性会因Cj的交流旁路作用而变差。图解法分析二极管电路主要采用：图解法、简化分析法、小信号等效电路法。(重点掌握简化分析法)写出管外电路直流负载线方程。1.3.2晶体二极管电路分析方法利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。要求：已知二极管伏安特性曲线和外围电路元件值。分析步骤：作直流负载线。分析直流工作点。优点：直观。既可分析直流，也可分析交流。例1已知电路参数和二极管伏安特性曲线，试求电路的静态工作点电压和电流。IVQ+-RVDDDI+-V由图可写出直流负载线方程：V=VDD

-

IR在直流负载线上任取两点：解：VDDVDD/R连接两点，画出直流负载线。VQIQ令I=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；所得交点(VQ

,

IQ)，即为Q

点。简化分析法即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化电路模型替代，然后分析求解。(1)估算法判断二极管是导通还是截止？假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位。理想二极管：若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，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=–18V<0V，解：故D截止。VAO=12V。+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3k(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3k6V9V(b)图(b)，假设D1、D2开路，则D两端电压：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V。

由于VD2>VD1，则D2优先导通。此时VD1

=–6V<0V，故D1截止。VAO=–V1=–6V。(2)画输出信号波形方法根据输入信号大小判断二极管的导通与截止找出vo与vi关系画输出信号波形。例3设二极管是理想的，vi

=6sint(V)，试画vo波形。解：vi>2V时，D导通，则vO=vivi

2V时，D截止，则vO=2V由此可画出vO的波形。

+-DV+-+-2V100Rvovit62OVi/VVo/VtO26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。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

晶体二极管整流电路1.4.1整流与稳压电路D+-+-RvOvi当vi>0V时，D导通，则vO=vi当vi

0V时，D截止，则vO=0V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桥式整流电路的仿真整流后的波形VD1开路,整流后的波形半波稳压电路某原因VOIZI限流电阻R：保证稳压管工作在IZmin~IZmax之间稳压原理：

VOVRVO=VZ输出电压：D+-+-RRLILVIVOIZI1.4.2限幅电路(或削波电路)V2<vi

<V1时，D1、D2截止，vo=vitOvitOvoVi

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-V2V1补:半导体器件的种类及发展１、种类：

二极管、三极管、场效应管、集成