模擬電子線路一單元

模擬電子線路一單元第1頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第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)用第2頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月概述晶體二極管結(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。

晶體二極管第3頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際二極管的照片電路符號(hào)第4頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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)電子慣性核晶體二極管第5頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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)體晶體二極管第6頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：第7頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月本征激發(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)。(動(dòng)畫)晶體二極管第8頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。第9頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月當(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10頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度一定時(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11頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

N型半導(dǎo)體：(動(dòng)畫)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。Negative第12頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。第13頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月P型半導(dǎo)體(動(dòng)畫)+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14頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。第15頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計(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16頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3兩種導(dǎo)電機(jī)理——漂移和擴(kuò)散漂移與漂移電流載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)稱漂移運(yùn)動(dòng)，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17頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的電導(dǎo)率電壓：V=E

l電流：I=SJt+-V長(zhǎng)度l截面積S電場(chǎng)EI電阻：電導(dǎo)率：第18頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月載流子在濃度差作用下的運(yùn)動(dòng)稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流密度：擴(kuò)散與擴(kuò)散電流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xn0p0第19頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2PN結(jié)利用摻雜工藝，把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在原子級(jí)上緊密結(jié)合，P區(qū)與N區(qū)的交界面就形成了PN結(jié)。摻雜N型P型PN結(jié)第20頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴.N區(qū)

中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3.P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:第21頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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)形成的物理過程(動(dòng)畫)第22頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)建電位差：室溫時(shí)鍺管VB

0.2~0.3V硅管VB

0.5~0.7V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23頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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

二極管第24頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月－－－－++++RE一、PN結(jié)正向偏置(動(dòng)畫)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。第25頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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)щ娞匦浴５?6頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月二、PN結(jié)反向偏置(動(dòng)畫)－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE第27頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月二極管的單向?qū)щ娦苑抡娴?8頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)——伏安特性方程式PN結(jié)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(guān)，但受溫度影響很大。正偏時(shí)：反偏時(shí)：第30頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月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。O第31頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3PN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)O第32頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月因?yàn)門

載流子運(yùn)動(dòng)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(fù)溫度系數(shù)。因?yàn)門

價(jià)電子獲得的能量

V(BR)

。穩(wěn)壓二極管利用PN結(jié)的反向擊穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。要求：IZmin<IZ<IZmaxVZIDVIZminIZmax+-VZO第33頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)壓仿真第34頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.4PN結(jié)的電容特性勢(shì)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(yīng)。勢(shì)壘電容CT

擴(kuò)散電容CD

阻擋層外(P區(qū)和N區(qū))貯存的非平衡電荷量,隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。CT(0)CTVOxn少子濃度xO-xpP+N第36頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)電容PN結(jié)反偏時(shí)，CT>>CD，則Cj

CTPN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37頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3晶體二極管電路分析方法晶體二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PN結(jié)。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(jì)算機(jī)輔助分析的數(shù)學(xué)模型適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型直流簡(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38頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1晶體二極管的模型數(shù)學(xué)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(shí)：n1I過小或過大時(shí)：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(duì)及表面漏電流的影響，實(shí)際IS

理想IS。

晶體二極管第39頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月曲線模型—伏安特性曲線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管的伏安特性曲線，通常由實(shí)測(cè)得到。第40頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月簡(jiǎn)化電路模型折線等效：在主要利用二極管單向?qū)щ娦缘碾娐分?，?shí)際二極管的伏安特性。IVVD(on)IVOabIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想狀態(tài)：與外電路相比，VD(on)和RD均可忽略時(shí)，二極管的伏安特性和電路符號(hào)。開關(guān)狀態(tài)：與外電路相比，RD可忽略時(shí)的伏安特性。簡(jiǎn)化電路模型：折線等效時(shí)，二極管的簡(jiǎn)化電路模型。第41頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月小信號(hào)電路模型rsrjCjIVQrs：PN結(jié)串聯(lián)電阻，數(shù)值很小。rj：為二極管增量結(jié)電阻。Cj：PN結(jié)結(jié)電容，由CD和CT兩部分構(gòu)成。注意：高頻電路中，需考慮Cj影響。因高頻工作時(shí)，

Cj容抗很小，PN結(jié)單向?qū)щ娦詴?huì)因Cj的交流旁路作用而變差。第42頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月圖解法分析二極管電路主要采用：圖解法、簡(jiǎn)化分析法、小信號(hào)等效電路法。(重點(diǎn)掌握簡(jiǎn)化分析法)寫出管外電路直流負(fù)載線方程。1.3.2晶體二極管電路分析方法利用二極管曲線模型和管外電路所確定的負(fù)載線，通過作圖的方法進(jìn)行求解。要求：已知二極管伏安特性曲線和外圍電路元件值。分析步驟：作直流負(fù)載線。分析直流工作點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：直觀。既可分析直流，也可分析交流。第43頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月例1已知電路參數(shù)和二極管伏安特性曲線，試求電路的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓和電流。IVQ+-RVDDDI+-V由圖可寫出直流負(fù)載線方程：V=VDD

-

IR在直流負(fù)載線上任取兩點(diǎn)：解：VDDVDD/R連接兩點(diǎn)，畫出直流負(fù)載線。VQIQ令I(lǐng)=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；所得交點(diǎn)(VQ

,

IQ)，即為Q點(diǎn)。第44頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月簡(jiǎn)化分析法即將電路中二極管用簡(jiǎn)化電路模型代替，利用所得到的簡(jiǎn)化電路進(jìn)行分析、求解。將截止的二極管開路，導(dǎo)通的二極管用直流簡(jiǎn)化電路模型替代，然后分析求解。(1)估算法判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？假設(shè)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(dǎo)通；反之截止。實(shí)際二極管：若V>VD(on)，管子導(dǎo)通；反之截止。當(dāng)電路中存在多個(gè)二極管時(shí)，正偏電壓最大的管子優(yōu)先導(dǎo)通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。

晶體二極管第45頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月例2設(shè)二極管是理想的，求VAO值。圖(a)，假設(shè)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+-AOVAO3k

6V9V(b)圖(b)，假設(shè)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(dǎo)通。此時(shí)VD1

=–6V<0V，故D1截止。VAO=–V1=–6V。第46頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)畫輸出信號(hào)波形方法根據(jù)輸入信號(hào)大小

判斷二極管的導(dǎo)通與截止

找出vo與vi關(guān)系

畫輸出信號(hào)波形。例3設(shè)二極管是理想的，vi

=6sint(V)，試畫vo波形。解：vi>2V時(shí)，D導(dǎo)通，則vO=vivi

2V時(shí)，D截止，則vO=2V由此可畫出vO的波形。

+-DV+-+-2V100

Rvovit62OVi/VVo/VtO26第47頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月小信號(hào)分析法即將電路中的二極管用小信號(hào)電路模型代替，利用得到的小信號(hào)等效電路分析電壓或電流的變化量。分析步驟：將直流電源短路，畫交流通路。用小信號(hào)電路模型代替二極管，得小信號(hào)等效電路。利用小信號(hào)等效電路分析電壓與電流的變化量。第48頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4晶體二極管的應(yīng)用電源設(shè)備組成框圖：(動(dòng)畫)電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路vivotvitv1tv2tv3tvo

晶體二極管第49頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月整流電路1.4.1整流與穩(wěn)壓電路D+-+-RvOvi當(dāng)vi>0V時(shí)，D導(dǎo)通，則vO=vi當(dāng)vi

0V時(shí)，D截止，則vO=0V由此，利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢?shí)現(xiàn)了半波整流(動(dòng)畫)

。

若輸入信號(hào)為正弦波：

平均值：

VOtOvitOvOVimVim第50頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月橋式整流電路的仿真第51頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月整流后的波形第52頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月VD1開路,整流后的波形半波第53頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)壓電路某原因VO

IZ

I

限流電阻R：保證穩(wěn)壓管工作在IZmin~IZmax之間穩(wěn)壓原理：

VO

VR

VO=VZ輸出電壓：D+-+-RRLILVIVOIZI第54頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2限幅電路(或削波電路)

V2<vi

<V1時(shí)，D1、D2截止，vo=vitOvitOvoVi

V1時(shí)，D1導(dǎo)通、D2截止，vo=V1

Vi

V2時(shí)，D2導(dǎo)通、D1截止，vo=-V2

由此

，電路實(shí)現(xiàn)雙向限幅功能。vovi+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中：V1為上限幅電平，

V2