電子線路高教第四電子課件

課程概述電子線路：指包含電子器件，并能對(duì)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)某種處理的功能電路。電路組成：電子器件+外圍電路電子器件：二極管、場(chǎng)效應(yīng)管、集成電路。外圍電路：直流電源、電阻、電容、電流源電路等。第1章晶體二極管1.0概述1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)1.2PN結(jié)1.3晶體二極管電路分析方法1.4晶體二極管的應(yīng)用概述晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)：PN結(jié)正偏(P接+、N接-)，D導(dǎo)通。PN正極負(fù)極晶體二極管的主要特性：?jiǎn)畏较驅(qū)щ娞匦訮N結(jié)反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、開關(guān)、檢波電路中。第1章晶體二極管1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。硅(Si)、鍺(Ge)原子結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化模型：+14284+3228418+4價(jià)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(dǎo)體。它們是制造半導(dǎo)體器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和鍺共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖：共價(jià)鍵1.1.1本征半導(dǎo)體第1章晶體二極管本征激發(fā)當(dāng)T升高或光線照射時(shí)產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。當(dāng)T=0K(無外界影響)時(shí)，共價(jià)鍵中無自由移動(dòng)的電子。這種現(xiàn)象稱注意：空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的重要特征。本征激發(fā)。第1章晶體二極管當(dāng)原子中的價(jià)電子激發(fā)為自由電子時(shí)，原子中留下空位，同時(shí)原子因失去價(jià)電子而帶正電。當(dāng)鄰近原子中的價(jià)電子不斷填補(bǔ)這些空位時(shí)形成一種運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)可等效地看作是空穴的運(yùn)動(dòng)。注意：空穴運(yùn)動(dòng)方向與價(jià)電子填補(bǔ)方向相反。自由電子—帶負(fù)電半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子空穴的運(yùn)動(dòng)空穴—帶正電第1章晶體二極管溫度一定時(shí)：激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度：本征半導(dǎo)體中本征激發(fā)——產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。電子和空穴相遇釋放能量——復(fù)合。T導(dǎo)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(dǎo)體：1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+5+4+4簡(jiǎn)化模型：N型半導(dǎo)體多子——自由電子少子——空穴自由電子本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素構(gòu)成。第1章晶體二極管P型半導(dǎo)體+4+4+3+4+4簡(jiǎn)化模型：P型半導(dǎo)體少子——自由電子多子——空穴空穴本征半導(dǎo)體中摻入少量三價(jià)元素構(gòu)成。第1章晶體二極管雜質(zhì)半導(dǎo)體中載載流濃度計(jì)算N型半導(dǎo)體(質(zhì)量作用定理)(電中性方程)P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)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章晶體二極管管1.1.3兩種導(dǎo)電機(jī)理——漂移和擴(kuò)散漂移與漂移電流流載流子在電場(chǎng)作作用下的運(yùn)動(dòng)稱稱漂移運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱稱漂移電流。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率第1章晶體二極管管半導(dǎo)體的電導(dǎo)率率電壓：V=El電流：I=SJt+-V長(zhǎng)度l截面積S電場(chǎng)EI電阻：電導(dǎo)率：第1章晶體二極管管載流子在濃度差差作用下的運(yùn)動(dòng)動(dòng)稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱稱擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流密度：：擴(kuò)散與擴(kuò)散電流流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xn0p0第1章晶體二極管管1.2PN結(jié)結(jié)利用摻雜工藝，，把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在原子子級(jí)上緊密結(jié)合合，P區(qū)與N區(qū)的交界面就形形成了PN結(jié)。摻雜N型P型PN結(jié)第1章晶體二極管管1.2.1動(dòng)態(tài)平衡下的PN結(jié)阻止多子擴(kuò)散出現(xiàn)內(nèi)建電場(chǎng)開始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴(kuò)散利于少子漂移最終達(dá)動(dòng)態(tài)平衡注意：PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流與漂移電流相抵消，通過PN結(jié)的電流為零。PN結(jié)形成的物理過過程第1章晶體二極管管內(nèi)建電位差：室溫時(shí)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)建電位位差VB越大，阻擋層寬度l0越小。第1章晶體二極管管1.2.2PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場(chǎng)El0+-VPN結(jié)正偏阻擋層變薄內(nèi)建電場(chǎng)減弱多子擴(kuò)散>>少子漂移多子擴(kuò)散形成較大的正向電流IPN結(jié)導(dǎo)通I電壓V電流I第1章晶體二極管管PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場(chǎng)

El0-+VPN結(jié)反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)少子漂移>>多子擴(kuò)散少子漂移形成微小的反向電流IRPN結(jié)截止IRIR與V近似無關(guān)。溫度T電流IR結(jié)論：PN結(jié)具有單方向?qū)?dǎo)電特性。第1章晶體二極管管PN結(jié)——伏安特性方程式式PN結(jié)正、反向特性性，可用理想的的指數(shù)函數(shù)來描描述：熱電壓26mV(室溫)其中：IS為反向飽和電流流，其值與外加加電壓近似無關(guān)關(guān)，但受溫度影影響很大。正偏時(shí)：反偏時(shí)：第1章晶體二極管管PN結(jié)——伏安特性曲線IDVVD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN結(jié)VD(on)=0.25V鍺PN結(jié)IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)時(shí)隨著V

正向R很小I

PN結(jié)導(dǎo)通；V<VD(on)時(shí)IR很小(IR-IS)反向R很大PN結(jié)截止。溫度每升高10℃，IS約增加一倍。溫度每升高1℃，VD(on)約減小2.5mV。第1章晶體二極管管O1.2.3PN結(jié)的擊穿特性|V反|

=V(BR)時(shí)，IR急劇，

PN結(jié)反向擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿PN結(jié)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(chǎng)致激發(fā)。

發(fā)生條件PN結(jié)摻雜濃度較高(l0較窄)外加反向電壓較小(<6V)第1章晶體二極管管O因?yàn)門載流子運(yùn)動(dòng)的平平均自由路程V(BR)。擊穿電壓的溫度度特性雪崩擊穿電壓具具有正溫度系數(shù)數(shù)。齊納擊穿電壓具具有負(fù)溫度系數(shù)數(shù)。因?yàn)門價(jià)電子獲得的能能量V(BR)。穩(wěn)壓二極管利用PN結(jié)的反向擊穿特特性，可制成穩(wěn)壓二極管管。要求：IZmin<IZ<IZmax第1章晶體二極管管VZIDVIZminIZmax+-VZO1.2.4PN結(jié)的電容特性勢(shì)壘區(qū)內(nèi)空間電電荷量隨外加電電壓變化產(chǎn)生的的電容效應(yīng)。勢(shì)壘電容CT擴(kuò)散電容CD阻擋層外(P區(qū)和N區(qū))貯存的非平衡電電荷量,隨外加電壓變化化產(chǎn)生的電容效效應(yīng)。CT(0)CTVOxn少子濃度xO-xpP+N第1章晶體二極管管PN結(jié)電容PN結(jié)反偏時(shí)，CT>>CD，則CjCTPN結(jié)總電容：Cj=CT+CDPN結(jié)正偏時(shí)，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結(jié)正偏時(shí)，以以CD為主。故：PN結(jié)反偏時(shí)，以CT為主。通常：CD幾十pF~幾千pF。通常：CT幾pF~幾十pF。第1章晶體體二極管管1.3晶體二極極管電路路分析方方法晶體二極極管的內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)就是一一個(gè)PN結(jié)。就其其伏安特特性而言言，它有有不同的的表示方方法，或或者表示示為不同同形式的的模型：：便于計(jì)算算機(jī)輔助助分析的的數(shù)學(xué)模型型適于任一一工作狀狀態(tài)的通用曲線線模型直流簡(jiǎn)化電路模型交流小信號(hào)電路模型電路分析時(shí)采用的第1章晶體體二極管管1.3.1晶體二極極管的模模型數(shù)學(xué)模型型——伏安特性性方程式式理想模型：修正模型：其中：n—非理想化因子I正常時(shí)：n1I過小或過大時(shí)：n

2rS—體電阻+引線接觸觸電阻+引線電阻阻注意：考慮到阻阻擋層內(nèi)內(nèi)產(chǎn)生的的自由電電子空穴穴對(duì)及表表面漏電流的的影響，，實(shí)際IS理想IS。第1章晶體體二極管管曲線模型型—伏安特性性曲線V(BR)I

/mAV/VVD(on)-IS當(dāng)V>VD(on)時(shí)二極管導(dǎo)通當(dāng)V<VD(on)時(shí)二極管截止當(dāng)反向電壓V

V(BR)時(shí)二極管擊穿晶體二極極管的伏伏安特性性曲線，，通常由由實(shí)測(cè)得得到。第1章晶體體二極管管簡(jiǎn)化電路路模型折線等效效：在主要利利用二極極管單向向?qū)щ娦孕缘碾娐仿分?，?shí)際二極極管的伏伏安特性性。IVVD(on)IVOabIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想狀態(tài)態(tài)：與外電路路相比，，VD(on)和RD均可忽略略時(shí)，二極管的的伏安特特性和電電路符號(hào)號(hào)。開關(guān)狀態(tài)態(tài)：與外電路路相比，，RD可忽略時(shí)時(shí)的伏安安特性。。簡(jiǎn)化電路路模型：：折線等效效時(shí)，二二極管的的簡(jiǎn)化電電路模型型。第1章晶體體二極管管小信號(hào)電電路模型型rsrjCjIVQrs：PN結(jié)串聯(lián)電電阻，數(shù)數(shù)值很小小。rj：為二極管管增量結(jié)結(jié)電阻。。Cj：PN結(jié)結(jié)電容容，由CD和CT兩部分構(gòu)構(gòu)成。注意：高頻電路路中，需需考慮Cj影響。因因高頻工工作時(shí)，，Cj容抗很小，，PN結(jié)單向?qū)?dǎo)電性會(huì)會(huì)因Cj的交流旁路作用用而變差差。第1章晶體體二極管管圖解法分析二極極管電路路主要采采用：圖圖解法、、簡(jiǎn)化分分析法、、小信號(hào)號(hào)等效電電路法。。(重點(diǎn)掌握握簡(jiǎn)化分分析法)寫出管外外電路直直流負(fù)載載線方程程。1.3.2晶體二極極管電路路分析方方法利用二極極管曲線線模型和和管外電電路所確確定的負(fù)負(fù)載線，，通過作作圖的方方法進(jìn)行行求解。。要求：已知二極極管伏安安特性曲曲線和外外圍電路路元件值值。分析步驟驟：作直流負(fù)負(fù)載線。。分析直流流工作點(diǎn)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：直觀。既既可分析析直流，，也可分分析交流流。第1章晶體體二極管管例1已知電路路參數(shù)和和二極管管伏安特特性曲線線，試求求電路的的靜態(tài)工作作點(diǎn)電壓壓和電流流。IVQ+-RVDDDI+-V由圖可寫寫出直流流負(fù)載線線方程：：V=VDD-IR在直流負(fù)負(fù)載線上上任取兩兩點(diǎn)：解：VDDVDD/R連接兩點(diǎn)點(diǎn)，畫出出直流負(fù)負(fù)載線。。VQIQ令I(lǐng)=0，得V=VDD；令V=0，得I=VDD/R；所得交點(diǎn)點(diǎn)(VQ,IQ)，即為Q點(diǎn)。第1章晶體體二極管管簡(jiǎn)化分析析法即將電路路中二極極管用簡(jiǎn)簡(jiǎn)化電路路模型代代替，利利用所得得到的簡(jiǎn)簡(jiǎn)化電路路進(jìn)行分分析、求求解。將截止的的二極管管開路，，導(dǎo)通的的二極管管用直流流簡(jiǎn)化電電路模型替代代，然后后分析求求解。(1)估算法判斷二極極管是導(dǎo)導(dǎo)通還是是截止？？假設(shè)電路路中二極極管全部部開路，，分析其其兩端的的電位。。理想二極極管：若若V>0，則管子導(dǎo)導(dǎo)通；反反之截止止。實(shí)際二極極管：若若V>VD(on)，管子導(dǎo)通通；反之之截止。。當(dāng)電路中中存在多多個(gè)二極極管時(shí)，，正偏電電壓最大大的管子子優(yōu)先導(dǎo)通通。其余余管子需需重新分分析其工工作狀態(tài)態(tài)。第1章晶體體二極管管例2設(shè)二極管管是理想想的，求求VAO值。圖(a)，假設(shè)D開路，則則D兩端電壓壓：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(shè)D1、D2開路，則則D兩端電壓壓：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(––V1)=15V>0V。由于VD2>VD1，則D2優(yōu)先導(dǎo)通通。此時(shí)VD1=–6V<0V，故D1截止。VAO=––V1=–6V。。第1章晶體體二極管管(2)畫輸出信信號(hào)波形形方法根據(jù)輸入入信號(hào)大大小判斷二極極管的導(dǎo)導(dǎo)通與截截止找出vo與vi關(guān)系畫輸出信信號(hào)波形形。例3設(shè)二極管管是理想想的，vi=6sint(V)，試畫vo波形。解：vi>2V時(shí)，D導(dǎo)通，則則vO=vivi2V時(shí)，D截止，則則vO=2V由此可畫畫出vO的波形。+-DV+-+-2V100Rvovit62OVi/VVo/VtO26第1章晶體體二極管管小信號(hào)分分析法即將電路路中的二二極管用用小信號(hào)號(hào)電路模模型代替替，利用用得到的的小信號(hào)號(hào)等效電電路分析析電壓或或電流的的變化量量。分析步驟驟：將直流電電源短路路，畫交交流通路路。用小信號(hào)號(hào)電路模模型代替替二極管管，得小小信號(hào)等等效電路路。利用小信信號(hào)等效效電路分分析電壓壓與電流流的變化化量。第1章晶體體二極管管1.4晶體二極極管的應(yīng)應(yīng)用電源設(shè)備備組成框框圖：電源變壓器整流電路濾波