電子線路2754806679完整課件

電子線路2754806679(1)2024/1/7電子線路2754806679(1)研究電子線路的必要性1、自然界信號的處理2電子線路2754806679(1)研究電子線路的必要性2、數(shù)字通信系統(tǒng)3電子線路2754806679(1)研究電子線路的必要性3、磁盤驅動電子學4電子線路2754806679(1)主要內容二極管三極管場效益管放大器電路5電子線路2754806679(1)第1章晶體二極管1.1半導體物理基礎知識1.2PN結1.3晶體二極管電路的分析方法1.4晶體二極管的應用6電子線路2754806679(1)導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物半導體物理基礎（1）7電子線路2754806679(1)半導體物理基礎（2）本征半導體

什么是本征半導體：晶格整齊無缺陷的單晶半導體。2.本征半導體晶格結構

（1）半導體原子結構慣性核價電子

（2）晶格結構8電子線路2754806679(1)當T升高或光線照射時產生自由電子空穴對。共價鍵具有很強的結合力。當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)是半導體區(qū)別于導體的重要特征。本征激發(fā)。本征激發(fā)9電子線路2754806679(1)

當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。

當鄰近原子中的價電子不斷填補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方向相反。自由電子—帶負電半導體中有兩種導電的載流子空穴的運動空穴—帶正電10電子線路2754806679(1)溫度一定時：激發(fā)與復合在某一熱平衡值上達到動態(tài)平衡。熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度：本征半導體中本征激發(fā)——產生自由電子空穴對。電子和空穴相遇釋放能量——復合。T導電能力ni或光照熱敏特性光敏特性11電子線路2754806679(1)

N型半導體：+4+4+5+4+4簡化模型：N型半導體多子——自由電子少子——空穴自由電子本征半導體中摻入少量五價元素（如磷P：施主雜質）構成。12電子線路2754806679(1)P型半導體+4+4+3+4+4簡化模型：P型半導體少子——自由電子多子——空穴空穴本征半導體中摻入少量三價元素（如硼B(yǎng)：受主雜質）構成。13電子線路2754806679(1)雜質半導體中載流濃度計算N型半導體（熱平衡）（電中性方程）P型半導體雜質半導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。14電子線路2754806679(1)半導體兩種導電機理——漂移和擴散

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空穴電流電子電流+--VSI15電子線路2754806679(1)電導率：半導體的電導率電阻：電壓：V=E

l電流：I=SJt+-V長度l截面積S電場EI16電子線路2754806679(1)

載流子在濃度差作用下的運動稱擴散運動，所形成的電流稱擴散電流。擴散電流密度:擴散與擴散電流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xnopo17電子線路2754806679(1)半導體物理基礎小結1、半導體的導電性、本征半導體的激發(fā)和符合、熱平衡濃度2、雜質半導體、載流子濃度3、半導體導電機理、擴散電流、漂移電流18電子線路2754806679(1)PN結利用摻雜工藝，把P型半導體和N型半導體在原子級上緊密結合，P區(qū)與N區(qū)的交界面就形成了PN結。

摻雜N型P型PN結晶體二極管結構及電路符號：PN正極負極19電子線路2754806679(1)動態(tài)平衡下的PN結阻止多子擴散出現(xiàn)內建電場開始因濃度差產生空間電荷區(qū)引起多子擴散利于少子漂移最終達動態(tài)平衡注意：PN結處于動態(tài)平衡時，擴散電流與漂移電流相抵消，通過PN結的電流為零。

PN結形成的物理過程20電子線路2754806679(1)注意：摻雜濃度（Na、Nd）越大，內建電位差

VB

越大，阻擋層寬度

越小。溫度升高時，由于ni增大的影響比VT大，因而VB將相應減小。通常溫度每升高1℃，VB約減小2.5mV。

內建電位差：阻擋層寬度：室溫時鍺管VB

0.2~0.3V硅管VB

0.5~0.7V21電子線路2754806679(1)PN結的伏安特性PN結——單向導電特性P+N內建電場Elo+-VPN結正偏阻擋層變薄內建電場減弱多子擴散>>少子漂移多子擴散形成較大的正向電流IPN結導通I電壓V

電流I

22電子線路2754806679(1)PN結——單向導電特性P+N內建電場Elo-+VPN結反偏阻擋層變寬內建電場增強少子漂移>>多子擴散少子漂移形成微小的反向電流IRPN結截止IRIR與V近似無關。溫度T

電流IR

結論：PN結具有單方向導電特性。23電子線路2754806679(1)PN結——伏安特性方程式PN結正、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，但受溫度影響很大。正偏時：

反偏時：

24電子線路2754806679(1)PN結——伏安特性曲線ID(mA)V(V)VD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN結VD(on)=0.25V鍺PN結IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)時隨著V

正向R很小I

PN結導通；V<VD(on)時IR很小(IR-IS)

反向R很大PN結截止。25電子線路2754806679(1)PN結溫度特性iD(mA)V(v)T1T2>T1T2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。26電子線路2754806679(1)|V反|

=V(BR)時，

IR急劇

，

PN結反向擊穿。PN結的擊穿特性雪崩擊穿齊納擊穿PN結摻雜濃度較低(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結摻雜濃度較高(lo較窄)外加反向電壓較小(<6V)

27電子線路2754806679(1)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結的反向擊穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。要求：Izmin<Iz<Izmax28電子線路2754806679(1)試題一個普通二極管D1其反向擊穿電壓約為100V，一個穩(wěn)壓管D2其穩(wěn)定電壓為5V。當它們都流過1mA的正向電流時，一個正向壓降為0.6V，另一個為0.7V。試分析哪個為普通二極管，哪個為穩(wěn)壓管？為什么？29電子線路2754806679(1)PN結的電容特性勢壘區(qū)內空間電荷量隨外加電壓變化產生的電容效應。勢壘電容CT

擴散電容CD

阻擋層外（P區(qū)和N區(qū)）貯存的非平衡電荷量,隨外加電壓變化產生的電容效應。CT(0)CTV0xn少子濃度x0-xpP+N30電子線路2754806679(1)

PN結電容PN結反偏時，CT>>CD，則Cj≈CT

PN結總電容：

Cj=CT+CD

PN結正偏時，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結正偏時，以CD為主。故：PN結反偏時，以CT為主。通常：CD≈幾十PF~幾千PF。通常：CT≈幾PF~幾十PF。31電子線路2754806679(1)變容二極管

一個PN結，外加反向電壓時，它的反向電流很小，近似開路，因此是一個主要由勢壘電容構成的較理想的電容器件，且其增量電容值隨外加反向電壓而變化。利用這種特性制作的二極管稱為變容二極管，簡稱變容管(VaractorDiode)，它的電路符號如圖。主要參數(shù)有變容指數(shù)n；電容變化范圍；品質因數(shù)Q；最大允許反向電壓等。

變容管是應用十分廣泛的一種半導體器件。例如，諧振回路的電調諧；壓控振蕩器；頻率調制；參量電路等。

32電子線路2754806679(1)PN小結1、勢壘層的形成、內建電勢2、PN結的伏安特性、正向、反向3、PN結的擊穿4、PN結的非線性容性33電子線路2754806679(1)晶體二極管電路分析方法晶體二極管的內部結構就是一個PN結。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輔助分析的數(shù)學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34電子線路2754806679(1)數(shù)學模型—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:n21.3.1晶體二極管的模型35電子線路2754806679(1)曲線模型—伏安特性曲線V(BR)I

(mA)V(V)VD(on)-IS當V>VD(on)時二極管導通當V<VD(on)時二極管截止當反向電壓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。36電子線路2754806679(1)簡化電路模型折線等效：在主要利用二極管單向導電性的電路中，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。37電子線路2754806679(1)小信號電路模型：為二極管增量結電阻。（室溫）：PN結串聯(lián)電阻，數(shù)值很小。Cj：PN結結電容，由CD和CT兩部分構成。IVQrsrjCj38電子線路2754806679(1)分析二極管電路主要采用：圖解法、簡化分析法、小信號等效電路法。（重點掌握簡化分析法）晶體二極管電路分析方法要點：將二極管分離39電子線路2754806679(1)圖解法寫出管外電路直流負載線方程。利用二極管曲線模型和管外電路所確定的負載線，通過作圖的方法進行求解。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：作直流負載線。分析直流工作點。優(yōu)點：直觀。既可分析直流，也可分析交流。40電子線路2754806679(1)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)工作點電壓和電流。IVQ+-RVDDDI+-V由圖可寫出直流負載線方程：V=VDD-IR在直流負載線上任取兩點：解：VDDVDD/R連接兩點，畫出直流負載線。VQIQ令I=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；所得交點，即為Q點。41電子線路2754806679(1)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行分析、求解。42電子線路2754806679(1)簡化分析法將截止的二極管開路，導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通還是截止？假設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，則管子導通；反之截止。實際二極管：若V>VD(on)，管子導通；反之截止。當電路中存在多個二極管時，正偏電壓最大的管子優(yōu)先導通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。43電子線路2754806679(1)例2：設二極管是理想的，求VAO值。圖(a)，假設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)先導通。此時VD1=–6V<0V，故D1截止。VAO=–V1=–6V。

44電子線路2754806679(1)（2）畫輸出信號波形方法根據(jù)輸入信號大小

判斷二極管的導通與截止

找出vO與vI關系

畫輸出信號波形。例3：設二極管是理想的，vi=6sint(V)，試畫vO波形。解：vi>2V時，D導通，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)t02645電子線路2754806679(1)小信號分析法即將電路中的二極管用小信號電路模型代替，利用得到的小信號等效電路分析電壓或電流