模擬電子線路：第1章 晶體二極管

《模擬電子線路》課程的性質(zhì)，內(nèi)容及特點：1.性質(zhì):這是電子類專業(yè)一門重要的必修技術基礎課程。2.內(nèi)容:（1）理論教學（6章，60學時）（2）實驗（單獨，地點：克立樓4樓）（3）課程設計（單獨，一周）

前言

3.考試要求：平時成績：30%

期末成績：70%4.參考書：1）、童詩白，華成英主編，模擬電子技術，高等教育出版社，2）、楊素行主編，模擬電子技術基礎簡明教程，高等教育出版社，3）孫肖子，張企民主編，模擬電子技術，西安電子科技大學出版社，4）《普通高等教育“十一五”國家規(guī)劃級教材·電子線路:設計·實驗·測試(第4版）5）、《Matlab·Multisim電工電子技術仿真應用》第1章晶體二極管1.0概述1.1半導體物理基礎知識1.2

PN結1.3晶體二極管電路分析方法1.4晶體二極管的應用概述晶體二極管結構及電路符號：PN結正偏(P接+、N接-)，D導通。PN正極負極晶體二極管的主要特性：單方向導電特性PN結反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、開關、檢波電路中。第1章晶體二極管1.1半導體物理基礎知識半導體：導電能力介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)。硅(Si)、鍺(Ge)原子結構及簡化模型：+14284+3228418+4價電子慣性核第1章晶體二極管硅和鍺的單晶稱為本征半導體。它們是制造半導體器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和鍺共價鍵結構示意圖：共價鍵1.1.1本征半導體第1章晶體二極管

本征激發(fā)

當T

升高或光線照射時產(chǎn)生自由電子空穴對。

共價鍵具有很強的結合力。當T=0K(無外界影響)

時，共價鍵中無自由移動的電子。這種現(xiàn)象稱注意：空穴的出現(xiàn)是半導體區(qū)別于導體的重要特征。本征激發(fā)。第1章晶體二極管當原子中的價電子激發(fā)為自由電子時，原子中留下空位，同時原子因失去價電子而帶正電。當鄰近原子中的價電子不斷填補這些空位時形成一種運動，該運動可等效地看作是空穴的運動。注意：空穴運動方向與價電子填補方向相反。自由電子—帶負電半導體中有兩種導電的載流子

空穴的運動空穴—帶正電第1章晶體二極管溫度一定時：激發(fā)與復合在某一熱平衡值上達到動態(tài)平衡。

熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度：本征半導體中本征激發(fā)——產(chǎn)生自由電子空穴對。電子和空穴相遇釋放能量——復合。T導電能力ni或光照熱敏特性光敏特性第1章晶體二極管

N型半導體：1.1.2雜質(zhì)半導體+4+4+5+4+4簡化模型：N型半導體多子——自由電子少子——空穴自由電子本征半導體中摻入少量五價元素構成。第1章晶體二極管P型半導體+4+4+3+4+4簡化模型：P型半導體少子——自由電子多子——空穴空穴本征半導體中摻入少量三價元素構成。第1章晶體二極管

雜質(zhì)半導體中載流濃度計算N型半導體(質(zhì)量作用定理)(電中性方程)P型半導體雜質(zhì)半導體呈電中性少子濃度取決于溫度。多子濃度取決于摻雜濃度。第1章晶體二極管第1章晶體二極管

雜質(zhì)半導體中載流濃度計算P6例1一本征硅片摻入5價元素砷，濃度Nd=8x1016cm-3，求室溫T=300K時自由電子和空穴的熱平衡濃度值。由電中性方程得質(zhì)量作用定理P4第8行1.1.3兩種導電機理——漂移和擴散漂移與漂移電流載流子在電場作用下的運動稱漂移運動，所形成的電流稱漂移電流。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率第1章晶體二極管

半導體的電導率電壓：

V=E

l電流：I=SJt+-V長度l截面積S電場EI電阻：電導率：第1章晶體二極管載流子在濃度差作用下的運動稱擴散運動，所形成的電流稱擴散電流。擴散電流密度：

擴散與擴散電流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xn0p0第1章晶體二極管1.2

PN結利用摻雜工藝，把P型半導體和N型半導體在原子級上緊密結合，P區(qū)與N區(qū)的交界面就形成了PN結。摻雜N型P型PN結第1章晶體二極管1.2.1動態(tài)平衡下的PN結阻止多子擴散出現(xiàn)內(nèi)建電場開始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴散利于少子漂移最終達動態(tài)平衡注意：PN結處于動態(tài)平衡時，擴散電流與漂移電流相抵消，通過PN結的電流為零。

PN結形成的物理過程第1章晶體二極管

內(nèi)建電位差：室溫時鍺管VB

0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V

阻擋層寬度：

注意：摻雜濃度(Na、Nd)越大，內(nèi)建電位差VB越大，阻擋層寬度l0

越小。第1章晶體二極管1.2.2

PN結的伏安特性PN結——單向導電特性P+N內(nèi)建電場El0+-VPN結正偏阻擋層變薄內(nèi)建電場減弱多子擴散>>少子漂移多子擴散形成較大的正向電流IPN結導通I電壓V電流I第1章晶體二極管PN結——單向導電特性P+N內(nèi)建電場

El0-+VPN結反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場增強少子漂移>>多子擴散少子漂移形成微小的反向電流IRPN結截止IRIR與V近似無關。溫度T電流IR結論：PN結具有單方向導電特性。第1章晶體二極管PN結——伏安特性方程式PN結正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來描述：熱電壓26mV(室溫)其中：

IS為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無關，但受溫度影響很大。正偏時：反偏時：第1章晶體二極管PN結——伏安特性曲線IDVVD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN結VD(on)=0.25V鍺PN結IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)時隨著V

正向R

很小I

PN結導通；V<VD(on)時IR很小(IR-IS)反向R很大PN結截止。第1章晶體二極管O1.2.3

PN結的擊穿特性|V反|

=V(BR)時，IR急劇，

PN結反向擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿PN結摻雜濃度較低(l0

較寬)發(fā)生條件外加反向電壓較大(>6V)

形成原因：碰撞電離。V(BR)IDV形成原因：場致激發(fā)。

發(fā)生條件PN結摻雜濃度較高(l0

較窄)外加反向電壓較小(<6V)第1章晶體二極管O因為T

載流子運動的平均自由路程V(BR)。

擊穿電壓的溫度特性

雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)。

齊納擊穿電壓具有負溫度系數(shù)。因為T

價電子獲得的能量V(BR)。

穩(wěn)壓二極管

利用PN結的反向擊穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。

要求：IZmin<IZ<IZmax第1章晶體二極管VZIDVIZminIZmax+-VZO1.2.4PN結的溫度特性溫度升高，IS增大，溫度每升高10℃，IS約增加一倍；PN結正偏時，雖然隨溫度升高而減小，但不如IS隨溫度升高而增大得快，因而PN結的正向電流隨溫度升高而略有增大，與溫度每升高1℃

，Von約減少2.5mV等價。一、PN結伏安特性的溫度特性

1.2.5

PN結的電容特性勢壘區(qū)內(nèi)空間電荷量隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應。

勢壘電容CT

擴散電容CD

阻擋層外(P區(qū)和N區(qū))貯存的非平衡電荷量,隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應。CT(0)CTVOxn少子濃度xO-xpP+N第1章晶體二極管PN結電容PN結反偏時，CT>>CD，則Cj

CTPN結總電容：Cj=CT+CDPN結正偏時，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結正偏時，以CD

為主。故：PN結反偏時，以CT

為主。通常：CD幾十pF~幾千pF。通常：CT

幾pF~幾十pF。第1章晶體二極管1.3晶體二極管電路分析方法晶體二極管的內(nèi)部結構就是一個PN結。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示為不同形式的模型：

便于計算機輔助分析的數(shù)學模型

適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型直流簡化電路模型交流小信號電路模型

電路分析時采用的第1章晶體二極管1.3.1晶體二極管的模型數(shù)學模型——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正常時：n1I過小或過大時：n

2rS

—體電阻+引線接觸電阻+引線電阻注意：考慮到阻擋層內(nèi)產(chǎn)生的自由電子空穴對及表面漏電流的影響，實際IS

理想IS。第1章晶體二極管三、等效電路模型二極管的非線性主要表現(xiàn)在單向導電性上，伏安特性可以用用左圖的兩段折線近似表示，其中RD稱為二極管的導通電阻。在對電路進行直流或者大信號分析時,二極管可以用左下圖的大信號電路模型等效。二極管大信號電路模型1.大信號電路模型理想二極管伏安特性和電路符號2.小信號電路模型rj：增量結電阻或肖特基電阻或1.3.2晶體二極管電路分析方法一、圖解分析法采用圖解法求解時，上述方程組的求解過程就是尋找上述兩式所表示曲線的交點。1.直流分析令VDD=0，相應的V和I都為0，方程組簡化為下圖中Q點即為方程組的解：通常將管外電路方程所描繪的直線稱為晶體二極管的負載線2.交流分析在(VDD

＋VDD)的作用下，管外電路方程代表的負載線是一組斜率為－1/R、且隨VDD變化而平行移動的直線。若設VDD=Vmsint，負載線將隨著t的變化而平行移動，這些負載線和二極管伏安特性曲線的交點也呈現(xiàn)正弦變化，而交點對應的電壓和電流就是t取不同值時得到的二極管上的響應，即為所求。二、等效電路分析法例：如圖所示，兩個二極管的VD(on)為0.7V,RD=100,試畫出Vo隨VI變化的傳輸特性。VI<25V時，兩二極管截止，Vo=VDD2=25VVI>25V時，D1導通，D2仍然截止時:VO=VDD1時,D2導通,VO=100V,1.直流分析解：2.交流分析例：如圖所示電路，已知IQ=0.93mA,R=10k,rs=5

,

VDD=sin2*100t(V),求V。解：將a圖用小信號模型表示，如圖b所示。

習題講解即將電路中二極管用簡化電路模型代替，利用所得到的簡化電路進行分析、求解。

將截止的二極管開路，導通的二極管用直流簡化電路模型替代，然后分析求解。(1)估算法

判斷二極管是導通還是截止？假設電路中二極管全部開路，分析其兩端的電位。理想二極管：若V>0，則管子導通；反之截止。實際二極管：若V>VD(on)，管子導通；反之截止。當電路中存在多個二極管時，正偏電壓最大的管子優(yōu)先導通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。第1章晶體二極管1-15（p46)

設二極管是理想的，求VAO值。圖(a)，假設D開路，則D兩端電壓：VD=V1–V2=(–6–12)V=–18V<0V，解：故D截止。VAO=12V。+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3k(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3k6V9V(b)圖(b)，假設D1、D2開路，則D兩端電壓：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V。

由于VD2>VD1，則D2

優(yōu)先導通。此時VD1

=–6V<0V，故D1

截止。VAO=–V1=–6V。第1章晶體二極管(2)畫輸出信號波形方法根據(jù)輸入信號大小判斷二極管的導通與截止找出vo

與vi

關系畫輸出信號波形。1-18(p47)設二極管是理想的，vi

=6sint(V)，試畫vo波形。解：vi>2V時，D導通，則vO

=vivi

2V時，D截止，則vO

=2V由此可畫出vO

的波形。

+-DV+-+-2V100Rvovit62OVi/VVo/VtO26第1章晶體二極管1.4晶體二極管的應用電源設備組成框圖：電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路vivotvitv1tv2tv3tvo第1章晶體二極管

整流電路1.4.1整流與穩(wěn)壓電路D+-+-RvOvi當vi>0V時，D導通，則vO

=vi當vi

0V時，D截止，則vO

=0V由此，利用二極管的單向導電性，實現(xiàn)了半波整流。

若輸入信號為正弦波：

平均值：

VOtOvitOvO第1章晶體二極管VimVim單相橋式整流電路

穩(wěn)壓電路某原因VOIZI限流電阻R：保證穩(wěn)壓管工作在IZmin