模擬電子線路課件

電子線路：指包含電子器件、并能對電信號實現(xiàn)某種處理的功能電路。概述電路組成：電子器件+外圍電路電子器件：二極管、三極管、場效應(yīng)管、集成電路。外圍電路：直流電源、電阻、電容、電流源電路等。1.1PN結(jié)及二極管1.3半導(dǎo)體場效應(yīng)管1.2半導(dǎo)體三極管1.4集成運算放大器1.0概述第一章半導(dǎo)體器件概述概述晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號：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：單方向?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。半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。1.1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識硅(Si)、鍺(Ge)原子結(jié)構(gòu)及簡化模型：+14284+3228418+4價電子慣性核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硅和鍺共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖：共價鍵1.1.1本征半導(dǎo)體當(dāng)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(qiáng)的結(jié)合力。當(dāng)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(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的重要特征。本征激發(fā)。本征激發(fā)當(dāng)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(dāng)鄰近原子中的價電子不斷填補(bǔ)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(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動空穴—帶正電溫度一定時：激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)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(dǎo)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(fù)合。T導(dǎo)電能力ni或光照熱敏特性光敏特性

N型半導(dǎo)體：1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+5+4+4簡化模型：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)體中摻入少量五價元素構(gòu)成。

P型半導(dǎo)體+4+4+3+4+4簡化模型：P型半導(dǎo)體少子——自由電子多子——空穴空穴本征半導(dǎo)體中摻入少量三價元素構(gòu)成。1.1.3兩種導(dǎo)電機(jī)理——漂移和擴(kuò)散

載流子在電場作用下的運動運動稱漂移運動，所形成的電流稱漂移電流。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率漂移與漂移電流

載流子在濃度差作用下的運動稱擴(kuò)散運動，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xnopo1.1.3PN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)1.1.4動態(tài)平衡下的PN結(jié)阻止多子擴(kuò)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(kuò)散利于少子漂移最終達(dá)動態(tài)平衡注意：PN結(jié)處于動態(tài)平衡時，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。內(nèi)建電位差：阻擋層寬度：室溫時鍺管VB

0.2~0.3V硅管VB

0.5~0.7V1.1.5PN結(jié)的伏安特性

PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場Elo+-VPN結(jié)正偏阻擋層變薄內(nèi)建電場減弱多子擴(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

PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場Elo-+VPN結(jié)反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場增強(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?/p>

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：

反偏時：

PN結(jié)——伏安特性曲線ID(mA)V(V)VD(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)時隨著V

正向R很小I

PN結(jié)導(dǎo)通；V<VD(on)時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。|V反|

=V(BR)時，

IR急劇

，

PN結(jié)反向擊穿。1.1.6PN結(jié)的擊穿特性雪崩擊穿齊納擊穿PN結(jié)摻雜濃度較低(lo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)ID(mA)V(V)形成原因:

場致激發(fā)。

發(fā)生條件PN結(jié)摻雜濃度較高(lo較窄)外加反向電壓較小(<6V)

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(fù)溫度系數(shù)。因為T

價電子獲得的能量

V(BR)

。穩(wěn)壓二極管VZID(mA)V(V)IZminIZmax+-VZ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

<Izmax1.1.7PN結(jié)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(yīng)。勢壘電容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)CTV0xn少子濃度x0-xpP+N

PN結(jié)電容

PN結(jié)反偏時，CT>>CD，則Cj≈CT

PN結(jié)總電容：

Cj=CT+CD

PN結(jié)正偏時，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結(jié)正偏時，以CD為主。故：PN結(jié)反偏時，以CT為主。通常：CD≈幾十PF~

幾千PF。通常：CT≈幾PF~

幾十PF。1.1.8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：適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型便于計算機(jī)輔助分析的數(shù)學(xué)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數(shù)學(xué)模型—伏安特性方程式理想模型：修正模型：rS

—體電阻+引線接觸電阻+引線電阻其中：n—非理想化因子I

正常時:n

1I

過小或過大時:n2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。1.1.9晶體二極管的模型曲線模型—伏安特性曲線V(BR)I

(mA)V(V)VD(on)-IS當(dāng)V>VD(on)時二極管導(dǎo)通當(dāng)V<VD(on)時二極管截止當(dāng)反向電壓V

V(BR)時二極管擊穿晶體二極管的伏安特性曲線，通常由實測得到。簡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?，實際二極管的伏安特性。IVVD(on)IV0abIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想狀態(tài)：與外電路相比，VD(on)和RD均可忽略時，二極管的伏安特性和電路符號。開關(guān)狀態(tài)：與外電路相比，RD可忽略時的伏安特性。簡化電路模型：折線等效時，二極管的簡化電路模型。小信號電路模型：為二極管增量結(jié)電阻。（室溫）：PN結(jié)串聯(lián)電阻，數(shù)值很小。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，

Cj容抗很小，PN結(jié)單向?qū)щ娦詴駽j的交流旁路作用而變差。IVQrsrjCj簡化分析法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(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)電路中存在多個二極管時，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)。例1：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=–18<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VD1=–6V<0V，故D1截止。VAO=–V1=–6V。

（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(dǎo)通與截止

找出vO與vI關(guān)系

畫輸出信號波形。例3：設(shè)二極管是理想的，vi=6sint(V)，試畫vO波形。解：vi>2V時，D導(dǎo)通，則vO=vivi

2V時，D截止，則vO=2V由此可畫出vO的波形。

+-DV+-+-2V100

RvOvit620vi(V)vO(V)t0261.1.10晶體二極管的應(yīng)用電源設(shè)備組成框圖：電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路vivOtvitv1tv2tv3tvO整流電路1.1.11整流與穩(wěn)壓電路D+-+-RvOvi當(dāng)vi>0V時，D導(dǎo)通，則vO=vi當(dāng)vi

0V時，D截止，則vO=0V由此，利用二極管的單向?qū)щ娦?，實現(xiàn)了半波整流。

若輸入信號為正弦波：

平均值：

VOt0vit0vO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+-+-RRLILVIVOIZ