電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分課件單元

電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分課件單元演示文稿當(dāng)前1頁，總共47頁。優(yōu)選電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分課件單元當(dāng)前2頁，總共47頁。3.1.1半導(dǎo)體材料

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。當(dāng)前3頁，總共47頁。3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)前4頁，總共47頁。3.1.3本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。空穴——共價鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對?？昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。由于隨機(jī)熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對當(dāng)前5頁，總共47頁。3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。當(dāng)前6頁，總共47頁。3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體

因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。當(dāng)前7頁，總共47頁。3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體

因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。當(dāng)前8頁，總共47頁。3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體3.雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3當(dāng)前9頁，總共47頁。3.2PN結(jié)的形成及特性3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散3.2.2PN結(jié)的形成3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.4PN結(jié)的反向擊穿3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)當(dāng)前10頁，總共47頁。3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運動：在電場作用引起的載流子的運動擴(kuò)散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動當(dāng)前11頁，總共47頁。3.2.2PN結(jié)的形成當(dāng)前12頁，總共47頁。3.2.2PN結(jié)的形成當(dāng)前13頁，總共47頁。

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)當(dāng)前14頁，總共47頁。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時

低電阻大的正向擴(kuò)散電流PN結(jié)的I-V特性當(dāng)前15頁，總共47頁。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

高電阻很小的反向漂移電流

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(2)PN結(jié)加反向電壓時PN結(jié)的I-V特性當(dāng)前16頁，總共47頁。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的I-V特性

在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。

高電阻很小的反向漂移電流

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(2)PN結(jié)加反向電壓時當(dāng)前17頁，總共47頁。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；

PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。?dāng)前18頁，總共47頁。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(3)PN結(jié)I-V特性表達(dá)式其中IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）PN結(jié)的I-V

特性當(dāng)前19頁，總共47頁。3.2.4PN結(jié)的反向擊穿

當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆當(dāng)前20頁，總共47頁。3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

(1)勢壘電容CB外加電壓變化離子層厚薄變化等效于電容充放電當(dāng)前21頁，總共47頁。3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(2)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖外加電壓變化擴(kuò)散到對方區(qū)域在靠近PN結(jié)附近累積的載流子濃度發(fā)生變化等效于電容充放電當(dāng)前22頁，總共47頁。3.3半導(dǎo)體二極管3.3.1二極管的結(jié)構(gòu)3.3.2二極管的I-V特性3.3.3二極管的參數(shù)當(dāng)前23頁，總共47頁。3.3.1二極管的結(jié)構(gòu)當(dāng)前24頁，總共47頁。3.3.1二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型兩大類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。當(dāng)前25頁，總共47頁。3.3.1二極管的結(jié)構(gòu)(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。(b)面接觸型(c)集成電路中的平面型(3)二極管的代表符號當(dāng)前26頁，總共47頁。3.3.2二極管的I-V特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示硅二極管2CP10的I-V特性鍺二極管2AP15的I-V特性當(dāng)前27頁，總共47頁。3.3.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR(3)反向電流IR(4)極間電容Cd（CB、CD）(5)反向恢復(fù)時間TRR當(dāng)前28頁，總共47頁。3.4二極管的基本電路及其分析方法3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法當(dāng)前29頁，總共47頁。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，因而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(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。符號中大小寫的含義：大寫字母大寫下標(biāo)：靜態(tài)值（直流），如，IB（參見“本書常用符號表”）小寫字母大寫下標(biāo)：總量（直流+交流），如，iB小寫字母小寫下標(biāo)：瞬時值（交流），如，ib當(dāng)前30頁，總共47頁。例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的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(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點當(dāng)前31頁，總共47頁。3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管I-V特性的建模

將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型I-V特性代表符號當(dāng)前32頁，總共47頁。3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管I-V特性的建模（2）恒壓降模型（a）I-V特性（b）電路模型（3）折線模型（a）I-V特性（b）電路模型當(dāng)前33頁，總共47頁。3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法（4）小信號模型vs=Vmsint時（Vm<<VDD）Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。

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I-V特性的建模+vs-當(dāng)前34頁，總共47頁。3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法

過Q點的切線可以等效成一個微變電阻即根據(jù)得Q點處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）1.二極管I-V特性的建模（4）小信號模型當(dāng)前35頁，總共47頁。3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法

特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。（a）I-V特性（b）電路模型1.二極管I-V特性的建模（4）小信號模型當(dāng)前36頁，總共47頁。3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（理想模型）當(dāng)vs為正半周時，二極管導(dǎo)通，且導(dǎo)通壓降為0V，vo=vs當(dāng)前37頁，總共47頁。2．模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）

當(dāng)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(shè)當(dāng)VDD=1V時，（自學(xué)）（a）簡單二極管電路（b）習(xí)慣畫法當(dāng)前38頁，總共47頁。（3）限幅與鉗位電路

電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI=6sintV時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。2．模型分析法應(yīng)用舉例當(dāng)前39頁，總共47頁。

電路如圖，二極管為硅二極管，VD=0.7V，vs=VmsintV，且Vm>>VD

，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。

vs的負(fù)半周，D導(dǎo)通，C充電，但無放電回路，最后（穩(wěn)態(tài)）VC=Vm-VD=Vm–0.7V（Vm是振幅值）此后輸出電壓為vO=vs+VC=vs+Vm-

0.7V

將輸入波形的底部鉗位在了-0.7V的直流電平上。若顛倒二極管的方向，vO的波形將怎樣變化？（3）限幅與鉗位電路2．模型分析法應(yīng)用舉例當(dāng)前40頁，總共47頁。（4）開關(guān)電路電路如圖所示，求AO的電壓值解：

先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點為0V。

則接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)?。?dǎo)通后，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。2．模型分析法應(yīng)用舉例當(dāng)前41頁，總共47頁。（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=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。解得：vO=VO+vo=4.3+0.0994sinwt（V）

直流通路（靜態(tài)）小信號模型的交流通路（動態(tài)）