模擬電子線路一單元課件

1、課程概述電子線路：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。電路組成：電子器件 + 外圍電路電子器件：二極管、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。課程概述電子線路：指包含電子器件，并能對電信號電路組成：電子第 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 1 章晶體二極管1.0概述1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知概 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

2、要用途：用于整流、開關(guān)、檢波電路中。 晶體二極管概 述晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號：PN 結(jié)正偏(P 接 +、實際二極管的照片電路符號實際二極管的照片電路符號1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識半導(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)及簡化模型：+14284+3228418+4價電子慣性核 晶體二極管1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之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 晶體二極管硅和鍺的單晶稱為本征半導(dǎo)體。它們是制造半導(dǎo)體器件的基本材在硅和鍺晶體

3、中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在 本征激發(fā) 當(dāng) T 升高或光線照射時產(chǎn)生自由電子空穴對。 共價鍵具有很強的結(jié)合力。 當(dāng) T = 0 K(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)。(動畫) 晶體二極管 本征激發(fā) 當(dāng) T 升高或光線照射時產(chǎn)生自由電子空穴對。 在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒

4、有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束當(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(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

5、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 溫度一定時： 熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度：本征半導(dǎo)體中 N 型半導(dǎo)體：(動畫)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。Negative N 型半導(dǎo)體：1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+5+4+4在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，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的帶正電的離子。每個磷原子給

6、出一個電子，稱為施主原子。在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些 P 型半導(dǎo)體(動畫)+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。 P 型半導(dǎo)體(動畫)+4+4+3+4+4簡化模型：P 型半在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的

7、雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計算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。 雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計算N 型半導(dǎo)體(質(zhì)量作用定理)(電中1.1.3兩種導(dǎo)電機理漂移和擴(kuò)散漂移與漂移電流載流子在電場作用下的運動稱漂移運動，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1.1.3兩種導(dǎo)電機理漂移和擴(kuò)散漂移與漂移電流載流 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率電壓： V = E l電流： I = S Jt+ -V長度 l截面積 S電場 EI電阻：電導(dǎo)率： 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率電壓： V = E l電流： I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

8、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)1.2PN 結(jié)利用摻雜工藝，把 P 型半導(dǎo)體和 N 型1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴.N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴(kuò)散運動）。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:1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中

9、內(nèi)電場阻礙P中的1.2.1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(動畫)1.2.1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 內(nèi)建電位差：室溫時鍺管 VB 0.2 0.3 V硅管 VB 0.5 0.7 V 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。 內(nèi)建電位差：室溫時鍺管 VB 0.2 0.3 V1.2.2PN 結(jié)的伏安特性 PN 結(jié)單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電

10、場 El0+ -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 二極管1.2.2PN 結(jié)的伏安特性 PN 結(jié)單向?qū)щ娞匦訮+RE一、PN 結(jié)正向偏置(動畫)內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強能夠形成較大的擴(kuò)散電流。+RE一、PN 結(jié)正向偏置(動畫)內(nèi)電場外電場 PN 結(jié)單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場 El0- +VPN 結(jié)反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場增強少子漂移多子擴(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?PN 結(jié)單向?qū)щ娞匦訮

11、+N內(nèi)建電場 El0- +二、PN 結(jié)反向偏置(動畫)+內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE二、PN 結(jié)反向偏置(動畫)+內(nèi)電場外電場變厚二極管的單向?qū)щ娦苑抡娑O管的單向?qū)щ娦苑抡婺M電子線路一單元課件 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 26 mV(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)伏安特性方程式PN 結(jié)正、反向特性，可用理想的 PN 結(jié)伏安特性曲線IDVVD(on)-ISSiGeVD(on) =

12、0.7 VIS = (10-9 10-16) A硅 PN 結(jié)VD(on)= 0.25 V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 6 V) 形成原因：碰撞電離。V(BR)IDV形成原因：場致激發(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( 6 V)O1.2.3PN 結(jié)的擊穿特性|V反| = V(BR)時，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 利用 PN 結(jié)的反向擊

13、穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。 要求：IZmin IZ 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。 PN 結(jié)電容 PN 結(jié)反偏時，CT CD ，則 C1.3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 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： 便于計算機輔助分析的數(shù)學(xué)模型 適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型直流簡化電路模型交流小信號電路模型 電路分析時

14、采用的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：n 1I 過小或過大時：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及表面漏電流的影響，實際 IS 理想 IS。 晶體二極管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曲線模型伏安特性曲線V(BR)I /mAV/VVD(on)-IS當(dāng) V VD(on) 時 二極管導(dǎo)通當(dāng) 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，

15、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 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 = 18 V 0 V，VD2 = V2 (V1) = 15 V 0 V。 由于 VD2 VD1 ，則 D2 優(yōu)先導(dǎo)通。此時 VD1 = 6 V 2 V 時，D 導(dǎo)通，則 vO = vivi 2 V 時，D 截止，則 vO = 2 V由此可畫出 vO 的波形。 +-DV+-+-2 V100 Rvovit62OVi/VVo/VtO26(2)畫輸

16、出信號波形方法根據(jù)輸入信號大小 判斷二極管 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。 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，1.4晶體二極管的應(yīng)用電源設(shè)備組成框圖： (動畫)電 源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路vivotvitv1tv2tv3tvo 晶體二極管1.4晶體二極管的應(yīng)用電源設(shè)備組成框圖： (動畫)電 源整 整流電路1.4.1整流與穩(wěn)壓電路D+-+-RvOvi當(dāng) vi 0 V

17、時，D 導(dǎo)通，則 vO = vi當(dāng) vi 0 V 時，D 截止，則 vO = 0 V由此，利用二極管的單向?qū)щ娦?，實現(xiàn)了半波整流(動畫) 。 若輸入信號為正弦波： 平均值： VOtOvitOvOVimVim 整流電路1.4.1整流與穩(wěn)壓電路D+RvOvi當(dāng) vi橋式整流電路的仿真橋式整流電路的仿真整流后的波形整流后的波形VD1開路,整流后的波形半波VD1開路,整流后的波形半波 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 VRVO = VZ輸出電壓：D+-+-RRLILVIVOIZI 穩(wěn)壓電路某原因 VO IZ I 限流電阻 1.

18、4.2限幅電路(或削波電路)V2 vi V1 時，D1、D2 截止，vo = vi tOvitOvoVi V1 時，D1 導(dǎo)通、D2 截止，vo = V1 Vi V2 時，D2 導(dǎo)通、D1 截止，vo = -V2 由此 ，電路實現(xiàn)雙向限幅功能。vovi+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中：V1 為上限幅電平， V2 為下限幅電平。V1-V2-V2V11.4.2限幅電路(或削波電路)V2 vi V1補: 半導(dǎo)體器件的種類及發(fā)展、種類： 二極管、三極管、場效應(yīng)管、集成電路（IC） Integrated Circuit、發(fā)展：電子器件的更新?lián)Q代推動電子技術(shù)的發(fā)展，其中電子學(xué)發(fā)展史上三個重要里程碑：1)1906年電子管發(fā)明（進(jìn)入電子時代）2)1948年晶體管問世（半導(dǎo)體器件）3)60年代集成電路出現(xiàn)(進(jìn)入信息時代) 目前，貝爾實驗室正研制超小體積和超低功耗的第四代半導(dǎo)體器件，它的問世將掀起電子技術(shù)新革命:補: 半導(dǎo)體器件的種類及發(fā)展、種類：、發(fā)展： 目前1第一代電子器件電子管 1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）等發(fā)明，可實現(xiàn)整流、穩(wěn)壓、檢波、放大、振蕩等多種功能電路。 電子管體積大、重量重、壽命短、耗電大。世界上第一臺計算機用1.8萬只電子管，占地170m2，重3