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1、電 子 線 路,線性部分（第四版）,謝嘉奎 主編,授課：曾浩,電子線路：指包含電子器件、并能對電 信號實現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、場效應管、 集成電路。,外圍電路：直流電源、電阻、電容、 電流源電路等。,1.1 半導體物理基礎知識,1.3 晶體二極管電路分析方法,1.2 PN結,1.4 晶體二極管的應用,1.0 概述,第一章 晶體二極管,概 述,晶體二極管結構及電路符號：,PN結正偏（P接+、N接-），D導通。,晶體二極管的主要特性：單方向導電特性,PN結反偏（N接+、P接-） ，D截止。,即,主要用途：用于整流、開關、檢波電路

2、中。,半導體：導電能力介于導體與絕緣體之間的物質。,1.1 半導體物理基礎知識,硅 ( Si ) 、鍺 ( Ge ) 原子結構及簡化模型：,硅和鍺的單晶稱為本征半導體。它們是制造半導體器件的基本材料。,硅和鍺共價鍵結構示意圖：,1.1.1 本征半導體,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。,這種現象稱,注意：空穴的出現是半導體區(qū)別于導體的重要特征。,本征激發(fā)。,本征激發(fā),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

3、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,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：,N型半導體：,1.1.2 雜質半導體,簡化模型：,本征半導體中摻入少量五價元素構成。,P型半導體,簡化模型：,本征半導體中摻入少量三價元素構成。,雜質半導體中載流濃度計算,1.1.3 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。,總漂移電流密度：,漂移與漂移電流,電導率：,半導體的電導率,電阻：,電壓： V = E l,電流： I = S Jt,載流子在濃度

4、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,1.2 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。,N型,PN結,1.2.1 動態(tài)平衡下的PN結,阻止多子擴散,利于少子漂移,PN結形成的物理過程,注意：摻雜濃度（Na、Nd）越大，內建電位差 VB 越大，阻擋層寬度 l0 越小。,內建電位差：,阻擋層寬度：,1.2.2 PN結的伏安特性,PN結單向導電特性,I,PN結單向導電特性,IR,結論：PN結具有單方向導電特性。,PN結伏安特性方程式,PN結正、反向特性，可用理想的指數函數來描述：,其中：,IS為

5、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：,PN結伏安特性曲線,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。,1.2.3 PN結的擊穿特性,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。,齊納擊穿電壓具有負溫度系數。,因為T 價電子獲得的能量 V(BR)。,穩(wěn)壓二極管,利用PN結的反向擊穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。,要求：Izmin Iz Izmax,1.2.4 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)

6、）貯存 的非平衡電荷量,隨外加電壓 變化產生的電容效應。,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。,1.3 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學模型,數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

7、電阻 + 引線電阻,注意：考慮到阻擋層內產生的自由電子空穴對及表面漏電流的影響，實際IS理想IS。,1.3.1 晶體二極管的模型,曲線模型伏安特性曲線,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導電性的電路中， 實際二極管的伏安特性。,理想狀態(tài)：與外電路相比，VD(on)和RD均可忽略， 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。,小信號電路模型,：為二極管增量結電阻。,（室溫）,：PN結串聯電阻，數值很小。,Cj：PN結結電容，由CD和CT兩部分構成。,注意：高

8、頻電路中，需考慮Cj影響。因高頻工作時， Cj容抗很小，PN結單向導電性會因Cj的交流旁 路作用而變差。,圖解法,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）,寫出管外電路直流負載線方程。,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。,例1：已知電路參數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。,Q,由圖可寫出直流負載線方程：V=VDD-IR,在直流

9、負載線上任取兩點：,解：,VDD,VDD/R,連接兩點，畫出直流負載線。,VQ,IQ,令I =0，得V= VDD；,令V =0，得I = VDD / R；,所得交點，即為Q點。,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。,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V0，則管子導通；反之截止。,實際二極管：若VVD(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

10、狀態(tài)。,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=V1V2= 6 12= 18 0V，,解：,故D截止。,VAO =12V。,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 。,（2）畫輸出信號波形方法,根據輸入信號大小 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=vi,vi 2V時，D截止，則vO=2V,由此可畫出vO的波形。,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的變化量。,分析步驟：,將直流電源短路，畫交流通路。,用小信號電路模型代替二極管，得小信號等效電路。,利用小信號等效電路分析電壓與電流的變化量。,1.4 晶體二極管的應用,電源設備組成框圖：,整流電路,1.4.1 整流與穩(wěn)壓電路,當vi 0V時，D導通，則vO=vi,當vi 0V時，D截止，則vO=0V,由此，利用二極管的單向導電性，實現了半波整流。,若輸入信號為正弦波：,平均值：,穩(wěn)壓電路,某原因VO IZ I