电子线路2754806679完整课件

电子线路2754806679(1)2024/1/7电子线路2754806679(1)研究电子线路的必要性1、自然界信号的处理2电子线路2754806679(1)研究电子线路的必要性2、数字通信系统3电子线路2754806679(1)研究电子线路的必要性3、磁盘驱动电子学4电子线路2754806679(1)主要内容二极管三极管场效益管放大器电路5电子线路2754806679(1)第1章晶体二极管1.1半导体物理基础知识1.2PN结1.3晶体二极管电路的分析方法1.4晶体二极管的应用6电子线路2754806679(1)导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物半导体物理基础（1）7电子线路2754806679(1)半导体物理基础（2）本征半导体

什么是本征半导体：晶格整齐无缺陷的单晶半导体。2.本征半导体晶格结构

（1）半导体原子结构惯性核价电子

（2）晶格结构8电子线路2754806679(1)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=0K（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。本征激发9电子线路2754806679(1)

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10电子线路2754806679(1)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11电子线路2754806679(1)

N型半导体：+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（如磷P：施主杂质）构成。12电子线路2754806679(1)P型半导体+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（如硼B：受主杂质）构成。13电子线路2754806679(1)杂质半导体中载流浓度计算N型半导体（热平衡）（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。14电子线路2754806679(1)半导体两种导电机理——漂移和扩散

载流子在电场作用下的运动运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。漂移电流密度总漂移电流密度：迁移率漂移与漂移电流空穴电流电子电流+--VSI15电子线路2754806679(1)电导率：半导体的电导率电阻：电压：V=E

l电流：I=SJt+-V长度l截面积S电场EI16电子线路2754806679(1)

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xnopo17电子线路2754806679(1)半导体物理基础小结1、半导体的导电性、本征半导体的激发和符合、热平衡浓度2、杂质半导体、载流子浓度3、半导体导电机理、扩散电流、漂移电流18电子线路2754806679(1)PN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结晶体二极管结构及电路符号：PN正极负极19电子线路2754806679(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20电子线路2754806679(1)注意：掺杂浓度（Na、Nd）越大，内建电位差

VB

越大，阻挡层宽度

越小。温度升高时，由于ni增大的影响比VT大，因而VB将相应减小。通常温度每升高1℃，VB约减小2.5mV。

内建电位差：阻挡层宽度：室温时锗管VB

0.2~0.3V硅管VB

0.5~0.7V21电子线路2754806679(1)PN结的伏安特性PN结——单向导电特性P+N内建电场Elo+-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

22电子线路2754806679(1)PN结——单向导电特性P+N内建电场Elo-+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。23电子线路2754806679(1)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：

24电子线路2754806679(1)PN结——伏安特性曲线ID(mA)V(V)VD(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。25电子线路2754806679(1)PN结温度特性iD(mA)V(v)T1T2>T1T2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。26电子线路2754806679(1)|V反|

=V(BR)时，

IR急剧

，

PN结反向击穿。PN结的击穿特性雪崩击穿齐纳击穿PN结掺杂浓度较低(lo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)ID(mA)V(V)形成原因:

场致激发。

发生条件PN结掺杂浓度较高(lo较窄)外加反向电压较小(<6V)

27电子线路2754806679(1)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VZID(mA)V(V)IZminIZmax+-VZ利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。要求：Izmin<Iz<Izmax28电子线路2754806679(1)试题一个普通二极管D1其反向击穿电压约为100V，一个稳压管D2其稳定电压为5V。当它们都流过1mA的正向电流时，一个正向压降为0.6V，另一个为0.7V。试分析哪个为普通二极管，哪个为稳压管？为什么？29电子线路2754806679(1)PN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)CTV0xn少子浓度x0-xpP+N30电子线路2754806679(1)

PN结电容PN结反偏时，CT>>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。31电子线路2754806679(1)变容二极管

一个PN结，外加反向电压时，它的反向电流很小，近似开路，因此是一个主要由势垒电容构成的较理想的电容器件，且其增量电容值随外加反向电压而变化。利用这种特性制作的二极管称为变容二极管，简称变容管(VaractorDiode)，它的电路符号如图。主要参数有变容指数n；电容变化范围；品质因数Q；最大允许反向电压等。

变容管是应用十分广泛的一种半导体器件。例如，谐振回路的电调谐；压控振荡器；频率调制；参量电路等。

32电子线路2754806679(1)PN小结1、势垒层的形成、内建电势2、PN结的伏安特性、正向、反向3、PN结的击穿4、PN结的非线性容性33电子线路2754806679(1)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：适于任一工作状态的通用曲线模型便于计算机辅助分析的数学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34电子线路2754806679(1)数学模型—伏安特性方程式理想模型：修正模型：rS—体电阻+引线接触电阻+引线电阻其中：n—非理想化因子I

正常时:n

1I

过小或过大时:n21.3.1晶体二极管的模型35电子线路2754806679(1)曲线模型—伏安特性曲线V(BR)I

(mA)V(V)VD(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。36电子线路2754806679(1)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)IV0abIVVD(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。37电子线路2754806679(1)小信号电路模型：为二极管增量结电阻。（室温）：PN结串联电阻，数值很小。Cj：PN结结电容，由CD和CT两部分构成。IVQrsrjCj38电子线路2754806679(1)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）晶体二极管电路分析方法要点：将二极管分离39电子线路2754806679(1)图解法写出管外电路直流负载线方程。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。40电子线路2754806679(1)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，即为Q点。41电子线路2754806679(1)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。42电子线路2754806679(1)简化分析法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。43电子线路2754806679(1)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=–18<0V，解：故D截止。VAO=12V。

+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3K

(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3K

6V9V(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。

44电子线路2754806679(1)（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+-+-2V100

RvOvit620vi(V)vO(V)t02645电子线路2754806679(1)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