線性電子電路第1章課件

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1.2PN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)及簡化模型：+14284+3228418+4價(jià)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(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖：共價(jià)鍵1.1.1本征半導(dǎo)體當(dāng)T升高或光線照射時(shí)產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。當(dāng)T=0K（無外界影響）時(shí)，共價(jià)鍵中無自由移動(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)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：本征半導(dǎo)體中本征激發(fā)——產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。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(jià)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(jià)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(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。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率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=SJt+-V長度l截面積S電場EI

載流子在濃度差作用下的運(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N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xnopo1.2.1動(dòng)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(dòng)態(tài)平衡注意：PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，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(shí)鍺管VB0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V1.2.2PN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)——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(shí)：

反偏時(shí)：

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(shí)隨著V

正向R很小I

PN結(jié)導(dǎo)通；V<VD(on)時(shí)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(shí)，IR急劇，

PN結(jié)反向擊穿。1.2.3PN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)

1.2.4PN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(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)模型直流簡化電路模型交流小信號(hào)電路模型電路分析時(shí)采用的曲線模型—伏安特性曲線V(BR)I

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

V(BR)時(shí)二極管擊穿晶體二極管的伏安特性曲線，通常由實(shí)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?，?shí)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，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。簡化電路模型：折線等效時(shí)，二極管的簡化電路模型。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。IVQrsrjCj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(hào)等效電路法。（重點(diǎn)掌握簡化分析法）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。IVQ+-RVDDDI+-V由圖可寫出直流負(fù)載線方程：V=VDD-IR在直流負(fù)載線上任取兩點(diǎn)：解：VDDVDD/R連接兩點(diǎn)，畫出直流負(fù)載線。VQIQ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(shí)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(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=V1–V2=–6–12=–18<0V，解：故D截止。VAO=12V。

+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3K(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3K6V9V(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(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=vivi2V時(shí)，D截止，則vO=2V由此可畫出vO的波形。

+-DV+-+-2V100RvOvit620vi(V)vO(V)t026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：電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路vivOtvitv1tv2tv3tvO整流電路1.4.1整流與穩(wěn)壓電路D+-+-RvOvi當(dāng)vi>0V時(shí)，D導(dǎo)通，則vO=vi當(dāng)vi0V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：

VOt0vit0vO穩(wěn)壓電路某原因VOIZI限流電阻R：保證穩(wěn)壓管工作在Izmin~Izmax之間穩(wěn)壓原理：

VOVRVO=VZ輸出電壓：D+-+-RRLILVIVOIZI1.4.2限幅電路(或