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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(duì)電 信號(hào)實(shí)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(chǎng)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。,1.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí),1.3 晶體二極管電路分析方法,1.2 PN結(jié),1.4 晶體二極管的應(yīng)用,1.0 概述,第一章 晶體二極管,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。,晶體二極管的主要特性：?jiǎn)畏较驅(qū)щ娞匦?PN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

2、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 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí),硅 ( Si ) 、鍺 ( Ge ) 原子結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化模型：,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。,硅和鍺共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖：,1.1.1 本征半導(dǎo)體,共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。 當(dāng)T=0K（無(wú)外界影 響）時(shí)，共價(jià)鍵中無(wú)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)。,本征激發(fā),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)

3、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,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：,N型半導(dǎo)體：,1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,簡(jiǎn)化模型：,本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素構(gòu)成。,P型半導(dǎo)體,簡(jiǎn)化模型：,本征半導(dǎo)體中摻入少量三價(jià)元素構(gòu)成。,雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計(jì)算,1.1.3 兩種導(dǎo)電機(jī)理漂移和擴(kuò)散,載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)稱漂移運(yùn)動(dòng)，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(dǎo)率：,半導(dǎo)體的電導(dǎo)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(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,1.2 PN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)。,N型,PN結(jié),1.2.1 動(dòng)態(tài)平衡下的PN結(jié),阻止多子擴(kuò)散,利于少子漂移,PN結(jié)形成的物理過(guò)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：,1.2.2 PN結(jié)的伏安特性,PN結(jié)單向?qū)щ娞匦?I,PN結(jié)單向?qū)щ娞匦?IR,結(jié)論：PN結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦浴?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(lái)描述：,其中：,IS為

5、反向飽和電流，其值與外加電壓近似無(wú)關(guān)，但受溫度影響很大。,正偏時(shí)：,反偏時(shí)：,PN結(jié)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(jié)的擊穿特性,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 Izmax,1.2.4 PN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)

6、）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)。,PN結(jié)電容,PN結(jié)反偏時(shí)，CT CD ，則 Cj CT,PN結(jié)總電容： Cj = CT + CD,PN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。,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：,適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型,便于計(jì)算機(jī)輔助分析的數(shù)學(xué)模型,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

7、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。,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(shí)測(cè)得到。,簡(jiǎn)化電路模型,折線等效：在主要利用二極管單向?qū)щ娦缘碾娐分校?實(shí)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(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。,小信號(hào)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

8、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。,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(guò)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。,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。,Q,由圖可寫出直流負(fù)載線方程：V=VDD-IR,在直流

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

10、狀態(tài)。,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=V1V2= 6 12= 18 0V，,解：,故D截止。,VAO =12V。,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 。,（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=vi,vi 2V時(shí)，D截止，則vO=2V,由此可畫出vO的波形。,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。,1.4 晶體二極管的應(yīng)用,電源設(shè)備組成框圖：,整流電路,1.4.1 整流與穩(wěn)壓電路,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?，?shí)現(xiàn)了半波整流。,若輸入信號(hào)為正弦波：,平均值：,穩(wěn)壓電路,某原因VO IZ I