模擬電路課件第三章分析

模擬電路課件第三章分析模擬電路課件第三章分析1半導體的導電特性在物理學中，根據(jù)材料的導電才能，可以將其劃分導體、絕緣體和半導體。典型的半導體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。硅原子(+14)鍺原子(+32)硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。半導體二極管及其應用半導體的導電特性在物理學中，根據(jù)材料的導電才能，可以將其劃共價鍵在絕對溫度T=0K和無外界激發(fā)〔光照或受熱〕時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電才能很弱，接近絕緣體。本征半導體——化學成分純潔的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要到達99.9999999%，常稱為“九個9〞。本征半導體構(gòu)造價電子共價鍵在絕對溫度T=0K和無外界激發(fā)〔光照或受熱〕時，所有的本征激發(fā)或熱激發(fā)：當溫度升高或受到光的照射時，受束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴1、自由電子和空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量相等；2、外加鼓勵能量越高，產(chǎn)生的電子-空穴數(shù)量越多；本征激發(fā)或熱激發(fā)：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+復合：自由電子在運動過程中與空穴相遇并填補空穴，兩者同時消失；與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復合在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進展，到達動態(tài)平衡，此時，電子空穴對的濃度一定。復合：自由電子在運動過程中與空穴相遇并填補空穴，兩者同時消失電子和空穴產(chǎn)生，復合過程動畫演示電子和空穴產(chǎn)生，復合過程動畫演示半導體的導電機制：本征半導體中存在兩種載流子：自由電子和空穴在外電場作用下，半導體中出現(xiàn)兩部電流：1、自由電子定向運動所成電子流〔電子導電〕2、價電子〔注意：不是自由電子〕遞補空穴形成的空穴電流〔空穴導電〕半導體的導電機制：本征半導體中存在兩種載流子：自由電子和空穴半導體導電機理動畫演示半導體導電機理動畫演示a.電阻率大

本征半導體的特點b.導電性能隨溫度變化大本征半導體不能在半導體器件中直接使用a.電阻率大本征半導體的特點b.導電性能隨溫度變化大本雜質(zhì)半導體——在本征半導體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導體稱為雜質(zhì)半導體。1.N型半導體在本征半導體中摻入少量五價雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，使得晶體中某些原子被雜質(zhì)原子所代替，雜質(zhì)原子最外層有5個價電子與周圍Si或Ge原子最外層4個價電子形成共價鍵后，還多余一個自由電子，使得其中空穴濃度遠小于自由電子濃度。此時，半導體內(nèi)多數(shù)載流子〔多子〕：自由電子，少數(shù)載流子〔少子〕為空穴。由于此類半導體主要依靠自由電子導電，而自由電子帶負電，稱此類半導體為N型半導體。雜質(zhì)半導體——在本征半導體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導體稱硅原子施主原子多余電子共價鍵++++++++++++N型半導體自由電子施主原子電子空穴對5價雜質(zhì)原子可以向半導體硅提供一個自由電子而本身成為帶正電的離子，把這種雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。硅原子施主原子多余電子共價鍵++++++++++++N型半導N型半導體形成過程動畫演示N型半導體形成過程動畫演示P型半導體在本征半導體中摻入少量3價雜質(zhì)元素，例如硼、鎵等，使得晶體中某些原子被雜質(zhì)原子所代替，雜質(zhì)原子最外層有3個價電子與周圍Si或Ge原子最外層4個價電子形成共價鍵后將產(chǎn)生一個空穴，使得其中自由電子濃度遠小于空穴濃度。此時，半導體內(nèi)多數(shù)載流子〔多子〕：空穴，少數(shù)載流子〔少子〕為自由電子。由于此類半導體主要依靠空穴導電，而空穴帶負電，稱此類半導體為P型半導體。P型半導體在本征半導體中摻入少量3價雜質(zhì)元素，例如硼、鎵等，硅原子受主原子多余空穴共價鍵空穴受主原子電子空穴對－－－－－－－－－－－－P型半導體3價雜質(zhì)原子可以向半導體硅提供一個空穴，而本身承受一個電子成為帶負電的離子，把這種雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。硅原子受主原子多余空穴共價鍵空穴受主原子電子空穴對－－－－－P型半導體的形成過程動畫演示P型半導體的形成過程動畫演示因多子濃度差形成內(nèi)電場多子的擴散空間電荷區(qū)〔不挪動〕阻止多子擴散，促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴散電流少子漂移電流耗盡層或阻擋區(qū)PN結(jié)的形成內(nèi)電場E因多子濃度差形成內(nèi)電場多子的擴散空間電荷區(qū)〔不挪動〕少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散

又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層動態(tài)平衡：擴散電流＝漂移電流總電流＝0少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散PN結(jié)形成過程動畫演示PN結(jié)形成過程動畫演示PN結(jié)的單向?qū)щ娦?．PN結(jié)正向偏置

PN結(jié)正向偏置——當外加直流電壓使PN結(jié)P型半導體的一端的電位高于N型半導體一端的電位時，稱PN結(jié)正向偏置，簡稱正偏。PN結(jié)反向偏置——當外加直流電壓使PN結(jié)N型半導體的一端的電位高于P型半導體一端的電位時，稱PN結(jié)反向偏置，簡稱反偏。PN結(jié)的單向?qū)щ娦?．PN結(jié)正向偏置PN結(jié)正向偏置——當(1)加正向電壓〔正偏〕——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。

外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流(1)加正向電壓〔正偏〕——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)PN結(jié)正偏動畫演示PN結(jié)正偏動畫演示(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向一樣。外電場加強內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IRPN在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR根本上只與溫度有關(guān)，而與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)外電PN結(jié)反偏動畫演示PN結(jié)反偏動畫演示PN結(jié)的電壓與電流關(guān)系++++++_PN_____uiPN結(jié)的電壓與電流關(guān)系++++++_PN_____uiPN結(jié)的伏安特性曲線及表達式：PN結(jié)的伏安特性曲線正偏IF〔多子擴散〕IR〔少子漂移〕反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿PN結(jié)的伏安特性曲線及表達式：PN結(jié)的伏安特性曲線正偏IF〔

根據(jù)理論分析：其中，u為PN結(jié)兩端的電壓降，i為流過PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流，UT

稱為溫度的電壓當量，一般取26mV當u>0u>>UT時當u<0|u|>>|UT

|時根據(jù)理論分析：其中，u為PN結(jié)兩端的電壓降，i為流過PN結(jié)的電容效應當外加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應地隨之改變，即PN結(jié)中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。

(1)勢壘電容CBPN結(jié)的電容效應當外加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應地隨(2)擴散電容CD擴散區(qū)中電荷隨外加偏壓變化而變化所產(chǎn)生的電荷存儲效應等效為電容，稱擴散電容。

PN結(jié)正偏時，擴散電容起主要作用；反之，勢壘電容起主要作用電容效應在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來極間電容〔結(jié)電容〕為兩者之和(2)擴散電容CD擴散區(qū)中電荷隨外加偏壓變化而變化所產(chǎn)生思考題1.半導體中的載流子濃度主要與哪些因素有關(guān)？2.擴散電流與漂移電流的主要區(qū)別是什么？思考題1.半導體中的載流子濃度主要與哪些因素有關(guān)？21.2半導體二極管

二極管=PN結(jié)+管殼+電極引線NP構(gòu)造符號陽極+陰極-1.2半導體二極管二極管=PN結(jié)+管殼+二極管按構(gòu)造分三大類：(1)點接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路

二極管按材料分二大類：硅二極管和鍺二極管二極管按構(gòu)造分三大類：(1)點接觸型二極管PN結(jié)面積小(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路(3)平面型二極管

用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(3)平面型二極管用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面半導體二極管實物半導體二極管實物半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：2半導體二極管的伏安特性曲線

硅：0.5V

鍺：

0.1V(1)正向特性導通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR特性曲線分為三部分：正向、反向和反向擊穿特性uEiVmAuEiVuA鍺硅：0.7V鍺：半導體二極管的伏安特性曲線硅：0.5V(小結(jié)：正向特性：外加正向電壓時，存在阻礙二極管導通的死區(qū)電壓；當正向電壓超過該電壓值時，二極管導通，此時，正向電流在較大范圍內(nèi)變化，而管子的電壓降變化較小。反向特性：外加反向電壓時，產(chǎn)生由少子漂移形成的反向電流，其特點是受溫度影響較大，當反向電壓不超過某值時，反向電流大小根本不變〔亦稱反向飽和電流Is)，與反向電壓上下無關(guān)。反向擊穿特性：外加反向電壓超過UR〔反向擊穿電壓〕時，反向電流急劇增大，二極管發(fā)生擊穿。PN結(jié)擊穿可分為：雪崩擊穿、齊納擊穿〔擊穿過程可逆〕和熱擊穿〔不可逆〕小結(jié)：PN結(jié)擊穿可分為：雪崩擊穿、齊納擊穿〔擊穿過程可逆〕和1.2.3溫度對半導體二極管特性的影響1.當溫度上升時，死區(qū)電壓、正向管壓降降低?！鱱D/△T=–〔〕mV/°C2.溫度升高，反向飽和電流增大。即溫度每升高1°C，管壓降降低〔〕mV。即平均溫度每升高10°C，反向飽和電流增大一倍。1.2.3溫度對半導體二極管特性的影響1.當溫度上升時1.2.4二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓UBR

(3)反向電流IR二極管長期連續(xù)工作時，允許通過的最大平均電流〔防止過熱損壞〕二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR〔最高允許反向擊穿電壓一般取實際值的1/2〕。在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。其值越小，管子單向?qū)щ娦栽胶谩?4)最高工作頻率fMfM與結(jié)電容有關(guān)，當工作頻率超過fM時，二極管的單向?qū)щ娦宰儔摹?.2.4二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線性器件，因此其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復雜，而圖解分析法那么較簡單，但前提條件是二極管的V-I特性曲線。3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法二極管是一例電路如下圖，二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線

Q的坐標值〔VD，ID〕即為所求。Q點稱為電路的工作點例電路如下圖，二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R正偏反偏模型一：理想二極管模型UD二極管的導通壓降0V。適用條件：電源電壓遠大于二極管管壓降時二極管的模型及近似分析計算正偏反偏模型一：理想二極管模型UD二極管的導通壓降0二極管的模型及近似分析計算二極管的模型：導通壓降二極管的伏安特性DU模型二：恒壓降模型UD二極管的導通壓降。硅管；鍺管。適用條件：二極管電流近似等于或大于1mA時二極管的模型及近似分析計算二極管的模型：導通壓降二極管的伏安模型三：折線模型

模型三為模壓降模型的修正，其中Vth為門坎電壓，電阻rD值由流過二極管的實際電流決定，由于二極管特性的分散性，Vth和rD的值均不固定。伏安特性表達式:模型三：折線模型模型三為模壓降模型的修正，其中Vt1.二極管V-I特性的建?！?〕小信號模型vs=0時,Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時〔Vm<<VDD〕,將Q點附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。1.二極管V-I特性的建?！?〕小信號模型vs=0時,或根據(jù)得Q點處的微變電導那么常溫下〔T=300K〕（a）V-I特性（b）電路模型過Q點的切線可以等效成一個動態(tài)電阻模型四：小信號模型即適用條件：二極管工作在V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作時〔如靜態(tài)工作點Q)或根據(jù)得Q點處的微變電導那么常溫下〔T=300K〕（a）V-IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串聯(lián)電壓源模型測量值相對誤差理想二極管模型RI10VE1kΩ相對誤差IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串聯(lián)電壓源模型測量值1.3半導體二極管的應用1.3.1在整流電路中的應用整流——

將交流電變成直流電的過程1.3.2限幅電路1.3半導體二極管的應用1.3.1在整流電路中的應用整模型分析法應用舉例〔1〕整流電路〔a〕電路圖〔b〕vs和vo的波形模型分析法應用舉例〔1〕整流電路〔a〕電路圖2．模型分析法應用舉例〔2〕靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）

當VDD=10V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設（a）簡單二極管電路（b）習慣畫法2．模型分析法應用舉例〔2〕靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=12．模型分析法應用舉例〔2〕靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）

當VDD=1V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設（a）簡單二極管電路（b）習慣畫法結(jié)論：在電源電壓遠大于二極管管壓降時，采用恒壓降模型可得到較合理結(jié)果。2．模型分析法應用舉例〔2〕靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=1例：二極管構(gòu)成的限幅電路，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入為ui(1)假設ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、恒壓源模型計算電流I和輸出電壓uo解：〔1〕采用理想模型分析?！?〕采用恒壓源模型分析。限幅電路例：二極管構(gòu)成的限幅電路，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入為〔2〕假如ui為幅度±4V的交流三角波解：①采用理想二極管模型分析。波形如下圖。0-4V4Vuit2V2Vuot〔2〕假如ui為幅度±4V的交流三角波解：①采用理想二極管002.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析，波形如下圖。02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用理想二極管〔4〕開關(guān)電路電路如下圖，求AO的電壓值解：

先斷開D，以O為基準電位，即O點為0V。那么接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)āê?，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。開關(guān)電路：利用二極管的單向?qū)щ娦砸越油ɑ驍嚅_電路?！?〕開關(guān)電路電路如下圖，求AO的電壓值解：【練習】二極管電路如下圖，判斷途中二極管是導通還是截止，并確定各電路輸出端電壓UO。設二極管的導通壓降為UD。圖a圖b圖c圖d【練習】二極管電路如下圖，判斷途中二極管是導通還是截止，圖2．模型分析法應用舉例〔6〕小信號工作情況分析圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD，vswtV?！?〕求輸出電壓vO的交流量和總量；〔2〕繪出vO的波形。

直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。2．模型分析法應用舉例〔6〕小信號工作情況分析圖示電路中，V穩(wěn)定電壓1.4特種二極管硅穩(wěn)壓二極管〔齊納二極管〕：是應用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管正向同二極管反偏電壓≥UZ

反向擊穿＋UZ－穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài),工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時,其兩端電壓近似為常數(shù)反向擊穿特性很陡穩(wěn)定電壓1.4特種二極管硅穩(wěn)壓二極管〔齊納二極管〕：正向同穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)動態(tài)電阻rZ在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向穩(wěn)定工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。

rZ=U

/I，

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。(3)最小穩(wěn)定工作電流IZmin保證穩(wěn)壓管擊穿所對應的電流，假設IZ＜IZmin那么不能穩(wěn)壓。

(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax

超過Izmax穩(wěn)壓管會因功耗過大而燒壞。穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)動態(tài)電阻DZIZRLUOUIRIIO+_+_R—限流電阻例：穩(wěn)壓電路如下圖，設R=180歐，VI=10V，RL=1kΩ,穩(wěn)壓管的VZ=6.8V,IZT=10mA,rZ=20歐，IZ(min)=5mA.試分析當VI出現(xiàn)±1V的變化時，V0的變化是多少？UZ0rZ解：DZIZRLUOUIRIIO+_+_R—限流電阻例：穩(wěn)壓電解之得：當：VI=10–1=9V時，IZ=5.95mA>Iz(min);當：VI=10+1=11V時，IZ=15.78mA.穩(wěn)壓管的電流變化為：△IZ=15.78–5.95=9.83mA輸出電壓變化為：△V=rZ△IZ=0.2V解之得：當：VI=10–1=9V時，IZ=練習：計算以下穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，設每個穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為6伏。12V1.４Ｖ+++---練習：計算以下穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，設每個穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為6伏。1DZIZRLUOUIRIIO+_+_IZ(min)≤IZ≤IZM穩(wěn)壓管正常工作的條件：(2)限流電阻計算輸出電壓穩(wěn)定的條件：〔保證穩(wěn)壓管被擊穿〕DZIZRLUOUIRIIO+_+_IZ(min)≤IZ≤IDZIZRLUOUIRIIO+_+_UO=UZ

圖中：IZ=I－IO

由上式，可知：此時，當IO為最小值IO(min)時，IZ值最大。當UI為最大值UI(max)時，I值最大；DZIZRLUOUIRIIO+_+_UO=UZ圖中：IZDZIZRLUOUIRIIO+_+_為保證電路正常工作，應使：由此可得：DZIZRLUOUIRIIO+_+_為保證電路正常工作，應使DZIZRLUOUIRIIO+_+_同理，為保證電路正常工作，應使：由此可得：DZIZRLUOUIRIIO+_+_同理，為保證電路正常工作DZIZRLUOUIRIIO+_+_綜上，可得：DZIZRLUOUIRIIO+_+_綜上，可得：思考題1.在圖示穩(wěn)壓電路中，輸出電壓穩(wěn)定的條件是什么？2.在圖示穩(wěn)壓電路中限流電阻的大小對電路性能有何影響？DZIZRLUOUIRIIO+_+_思考題1.在圖示穩(wěn)壓電路中，輸出電壓穩(wěn)定的條件是什么？作業(yè)作業(yè)：題：、要求：中，要求寫出簡要的分析步驟〔標出：二極管陽，陰極的電位〕；作業(yè)作業(yè)：ThankYou!不盡之處，懇請指正！ThankYou!不盡之處，懇請指正！70模擬電路課件第三章分析模擬電路課件第三章分析71半導體的導電特性在物理學中，根據(jù)材料的導電才能，可以將其劃分導體、絕緣體和半導體。典型的半導體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。硅原子(+14)鍺原子(+32)硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。半導體二極管及其應用半導體的導電特性在物理學中，根據(jù)材料的導電才能，可以將其劃共價鍵在絕對溫度T=0K和無外界激發(fā)〔光照或受熱〕時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電才能很弱，接近絕緣體。本征半導體——化學成分純潔的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要到達99.9999999%，常稱為“九個9〞。本征半導體構(gòu)造價電子共價鍵在絕對溫度T=0K和無外界激發(fā)〔光照或受熱〕時，所有的本征激發(fā)或熱激發(fā)：當溫度升高或受到光的照射時，受束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴1、自由電子和空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量相等；2、外加鼓勵能量越高，產(chǎn)生的電子-空穴數(shù)量越多；本征激發(fā)或熱激發(fā)：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+復合：自由電子在運動過程中與空穴相遇并填補空穴，兩者同時消失；與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復合在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進展，到達動態(tài)平衡，此時，電子空穴對的濃度一定。復合：自由電子在運動過程中與空穴相遇并填補空穴，兩者同時消失電子和空穴產(chǎn)生，復合過程動畫演示電子和空穴產(chǎn)生，復合過程動畫演示半導體的導電機制：本征半導體中存在兩種載流子：自由電子和空穴在外電場作用下，半導體中出現(xiàn)兩部電流：1、自由電子定向運動所成電子流〔電子導電〕2、價電子〔注意：不是自由電子〕遞補空穴形成的空穴電流〔空穴導電〕半導體的導電機制：本征半導體中存在兩種載流子：自由電子和空穴半導體導電機理動畫演示半導體導電機理動畫演示a.電阻率大

本征半導體的特點b.導電性能隨溫度變化大本征半導體不能在半導體器件中直接使用a.電阻率大本征半導體的特點b.導電性能隨溫度變化大本雜質(zhì)半導體——在本征半導體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導體稱為雜質(zhì)半導體。1.N型半導體在本征半導體中摻入少量五價雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，使得晶體中某些原子被雜質(zhì)原子所代替，雜質(zhì)原子最外層有5個價電子與周圍Si或Ge原子最外層4個價電子形成共價鍵后，還多余一個自由電子，使得其中空穴濃度遠小于自由電子濃度。此時，半導體內(nèi)多數(shù)載流子〔多子〕：自由電子，少數(shù)載流子〔少子〕為空穴。由于此類半導體主要依靠自由電子導電，而自由電子帶負電，稱此類半導體為N型半導體。雜質(zhì)半導體——在本征半導體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導體稱硅原子施主原子多余電子共價鍵++++++++++++N型半導體自由電子施主原子電子空穴對5價雜質(zhì)原子可以向半導體硅提供一個自由電子而本身成為帶正電的離子，把這種雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。硅原子施主原子多余電子共價鍵++++++++++++N型半導N型半導體形成過程動畫演示N型半導體形成過程動畫演示P型半導體在本征半導體中摻入少量3價雜質(zhì)元素，例如硼、鎵等，使得晶體中某些原子被雜質(zhì)原子所代替，雜質(zhì)原子最外層有3個價電子與周圍Si或Ge原子最外層4個價電子形成共價鍵后將產(chǎn)生一個空穴，使得其中自由電子濃度遠小于空穴濃度。此時，半導體內(nèi)多數(shù)載流子〔多子〕：空穴，少數(shù)載流子〔少子〕為自由電子。由于此類半導體主要依靠空穴導電，而空穴帶負電，稱此類半導體為P型半導體。P型半導體在本征半導體中摻入少量3價雜質(zhì)元素，例如硼、鎵等，硅原子受主原子多余空穴共價鍵空穴受主原子電子空穴對－－－－－－－－－－－－P型半導體3價雜質(zhì)原子可以向半導體硅提供一個空穴，而本身承受一個電子成為帶負電的離子，把這種雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。硅原子受主原子多余空穴共價鍵空穴受主原子電子空穴對－－－－－P型半導體的形成過程動畫演示P型半導體的形成過程動畫演示因多子濃度差形成內(nèi)電場多子的擴散空間電荷區(qū)〔不挪動〕阻止多子擴散，促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴散電流少子漂移電流耗盡層或阻擋區(qū)PN結(jié)的形成內(nèi)電場E因多子濃度差形成內(nèi)電場多子的擴散空間電荷區(qū)〔不挪動〕少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散

又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層動態(tài)平衡：擴散電流＝漂移電流總電流＝0少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散PN結(jié)形成過程動畫演示PN結(jié)形成過程動畫演示PN結(jié)的單向?qū)щ娦?．PN結(jié)正向偏置

PN結(jié)正向偏置——當外加直流電壓使PN結(jié)P型半導體的一端的電位高于N型半導體一端的電位時，稱PN結(jié)正向偏置，簡稱正偏。PN結(jié)反向偏置——當外加直流電壓使PN結(jié)N型半導體的一端的電位高于P型半導體一端的電位時，稱PN結(jié)反向偏置，簡稱反偏。PN結(jié)的單向?qū)щ娦?．PN結(jié)正向偏置PN結(jié)正向偏置——當(1)加正向電壓〔正偏〕——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。

外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流(1)加正向電壓〔正偏〕——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)PN結(jié)正偏動畫演示PN結(jié)正偏動畫演示(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向一樣。外電場加強內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IRPN在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR根本上只與溫度有關(guān)，而與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)外電PN結(jié)反偏動畫演示PN結(jié)反偏動畫演示PN結(jié)的電壓與電流關(guān)系++++++_PN_____uiPN結(jié)的電壓與電流關(guān)系++++++_PN_____uiPN結(jié)的伏安特性曲線及表達式：PN結(jié)的伏安特性曲線正偏IF〔多子擴散〕IR〔少子漂移〕反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿PN結(jié)的伏安特性曲線及表達式：PN結(jié)的伏安特性曲線正偏IF〔

根據(jù)理論分析：其中，u為PN結(jié)兩端的電壓降，i為流過PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流，UT

稱為溫度的電壓當量，一般取26mV當u>0u>>UT時當u<0|u|>>|UT

|時根據(jù)理論分析：其中，u為PN結(jié)兩端的電壓降，i為流過PN結(jié)的電容效應當外加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應地隨之改變，即PN結(jié)中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。

(1)勢壘電容CBPN結(jié)的電容效應當外加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應地隨(2)擴散電容CD擴散區(qū)中電荷隨外加偏壓變化而變化所產(chǎn)生的電荷存儲效應等效為電容，稱擴散電容。

PN結(jié)正偏時，擴散電容起主要作用；反之，勢壘電容起主要作用電容效應在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來極間電容〔結(jié)電容〕為兩者之和(2)擴散電容CD擴散區(qū)中電荷隨外加偏壓變化而變化所產(chǎn)生思考題1.半導體中的載流子濃度主要與哪些因素有關(guān)？2.擴散電流與漂移電流的主要區(qū)別是什么？思考題1.半導體中的載流子濃度主要與哪些因素有關(guān)？21.2半導體二極管

二極管=PN結(jié)+管殼+電極引線NP構(gòu)造符號陽極+陰極-1.2半導體二極管二極管=PN結(jié)+管殼+二極管按構(gòu)造分三大類：(1)點接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路

二極管按材料分二大類：硅二極管和鍺二極管二極管按構(gòu)造分三大類：(1)點接觸型二極管PN結(jié)面積小(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路(3)平面型二極管

用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(3)平面型二極管用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面半導體二極管實物半導體二極管實物半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：2半導體二極管的伏安特性曲線

硅：0.5V

鍺：

0.1V(1)正向特性導通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR特性曲線分為三部分：正向、反向和反向擊穿特性uEiVmAuEiVuA鍺硅：0.7V鍺：半導體二極管的伏安特性曲線硅：0.5V(小結(jié)：正向特性：外加正向電壓時，存在阻礙二極管導通的死區(qū)電壓；當正向電壓超過該電壓值時，二極管導通，此時，正向電流在較大范圍內(nèi)變化，而管子的電壓降變化較小。反向特性：外加反向電壓時，產(chǎn)生由少子漂移形成的反向電流，其特點是受溫度影響較大，當反向電壓不超過某值時，反向電流大小根本不變〔亦稱反向飽和電流Is)，與反向電壓上下無關(guān)。反向擊穿特性：外加反向電壓超過UR〔反向擊穿電壓〕時，反向電流急劇增大，二極管發(fā)生擊穿。PN結(jié)擊穿可分為：雪崩擊穿、齊納擊穿〔擊穿過程可逆〕和熱擊穿〔不可逆〕小結(jié)：PN結(jié)擊穿可分為：雪崩擊穿、齊納擊穿〔擊穿過程可逆〕和1.2.3溫度對半導體二極管特性的影響1.當溫度上升時，死區(qū)電壓、正向管壓降降低?！鱱D/△T=–〔〕mV/°C2.溫度升高，反向飽和電流增大。即溫度每升高1°C，管壓降降低〔〕mV。即平均溫度每升高10°C，反向飽和電流增大一倍。1.2.3溫度對半導體二極管特性的影響1.當溫度上升時1.2.4二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓UBR

(3)反向電流IR二極管長期連續(xù)工作時，允許通過的最大平均電流〔防止過熱損壞〕二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR〔最高允許反向擊穿電壓一般取實際值的1/2〕。在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。其值越小，管子單向?qū)щ娦栽胶谩?4)最高工作頻率fMfM與結(jié)電容有關(guān)，當工作頻率超過fM時，二極管的單向?qū)щ娦宰儔摹?.2.4二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線性器件，因此其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復雜，而圖解分析法那么較簡單，但前提條件是二極管的V-I特性曲線。3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法二極管是一例電路如下圖，二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線

Q的坐標值〔VD，ID〕即為所求。Q點稱為電路的工作點例電路如下圖，二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R正偏反偏模型一：理想二極管模型UD二極管的導通壓降0V。適用條件：電源電壓遠大于二極管管壓降時二極管的模型及近似分析計算正偏反偏模型一：理想二極管模型UD二極管的導通壓降0二極管的模型及近似分析計算二極管的模型：導通壓降二極管的伏安特性DU模型二：恒壓降模型UD二極管的導通壓降。硅管；鍺管。適用條件：二極管電流近似等于或大于1mA時二極管的模型及近似分析計算二極管的模型：導通壓降二極管的伏安模型三：折線模型

模型三為模壓降模型的修正，其中Vth為門坎電壓，電阻rD值由流過二極管的實際電流決定，由于二極管特性的分散性，Vth和rD的值均不固定。伏安特性表達式:模型三：折線模型模型三為模壓降模型的修正，其中Vt1.二極管V-I特性的建?！?〕小信號模型vs=0時,Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時〔Vm<<VDD〕,將Q點附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。1.二極管V-I特性的建?！?〕小信號模型vs=0時,或根據(jù)得Q點處的微變電導那么常溫下〔T=300K〕（a）V-I特性（b）電路模型過Q點的切線可以等效成一個動態(tài)電阻模型四：小信號模型即適用條件：二極管工作在V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作時〔如靜態(tài)工作點Q)或根據(jù)得Q點處的微變電導那么常溫下〔T=300K〕（a）V-IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串聯(lián)電壓源模型測量值相對誤差理想二極管模型RI10VE1kΩ相對誤差IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串聯(lián)電壓源模型測量值1.3半導體二極管的應用1.3.1在整流電路中的應用整流——

將交流電變成直流電的過程1.3.2限幅電路1.3半導體二極管的應用1.3.1在整流電路中的應用整模型分析法應用舉例〔1〕整流電路〔a〕電路圖〔b〕vs和vo的波形模型分析法應用舉例〔1〕整流電路〔a〕電路圖2．模型分析法應用舉例〔2〕靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）

當VDD=10V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設（a）簡單二極管電路（b）習慣畫法2．模型分析法應用舉例〔2〕靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=12．模型分析法應用舉例〔2〕靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）

當VDD=1V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設（a）簡單二極管電路（b）習慣畫法結(jié)論：在電源電壓遠大于二極管管壓降時，采用恒壓降模型可得到較合理結(jié)果。2．模型分析法應用舉例〔2〕靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=1例：二極管構(gòu)成的限幅電路，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入為ui(1)假設ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、恒壓源模型計算電流I和輸出電壓uo解：〔1〕采用理想模型分析?！?〕采用恒壓源模型分析。限幅電路例：二極管構(gòu)成的限幅電路，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入為〔2〕假如ui為幅度±4V的交流三角波解：①采用理想二極管模型分析。波形如下圖。0-4V4Vuit2V2Vuot〔2〕假如ui為幅度±4V的交流三角波解：①采用理想二極管002.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析，波形如下圖。02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用理想二極管〔4〕開關(guān)電路電路如下圖，求AO的電壓值解：

先斷開D，以O為基準電位，即O點為0V。那么接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)āê?，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。開關(guān)電路：利用二極管的單向?qū)щ娦砸越油ɑ驍嚅_電路?！?〕開關(guān)電路電路如下圖，求AO的電壓值解：【練習】二極管電路如下圖，判斷途中二極管是導通還是截止，并確定各電路輸出端電壓UO。設二極管的導通壓降為UD。圖a圖b圖c圖d【練習】二極管電路如下圖，判斷途中二極管是導通還是截止，圖2．模型分析法應用舉例〔6〕小信號工作情況分析圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD，vswtV?！?〕求輸出電壓vO的交流量和總量