模擬電子電路1課件

1、第一章 半導(dǎo)體基礎(chǔ)及應(yīng)用電路,1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),1.2 PN結(jié)原理,1.3 晶體二極管及應(yīng)用應(yīng)用,返回,1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),1.1.1 本征半導(dǎo)體,1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,1.1.3 漂移電流與擴(kuò)散電流,引言,返回,1.1半導(dǎo)體材料及導(dǎo)電特性,返回,1.1 .1 本征半導(dǎo)體,返回,當(dāng)Si（或Ge）原子組成單晶體后，各原子之間有序、整齊的排列在一起，原子之間靠得很近，價(jià)電子不僅受本原子的作用，還要受相鄰原子的作用。,因此Si（或Ge）單晶體每個(gè)原子都從四周相鄰原子得到4個(gè)價(jià)電子才能組成穩(wěn)定狀態(tài)。即每一個(gè)價(jià)電子為相鄰原子核所共有，每相鄰兩個(gè)原子都共用一對(duì)價(jià)電子。形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。,根據(jù)原子

2、的理論：原子外層電子有8個(gè) 才能處于穩(wěn)定狀態(tài)。,1.1 .1 本征半導(dǎo)體（intrinsic semiconductor）,返回,量子力學(xué)證明：原子中電子具有的能量狀態(tài)是離散的，量子化的，每一個(gè)能量狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一個(gè)能級(jí)，一系列能級(jí)形成能帶。,（二）本征激發(fā)和兩種載流子,返回,（三）本征載流子（intrinsic carrier）濃度,返回,1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體（donor and acceptor impurities）,返回,（一）N型半導(dǎo)體（N Type semiconductor）,+5,返回,在本征半導(dǎo)體中摻入5價(jià)元素的雜質(zhì)（砷、磷、銻）就成為N型雜質(zhì)半導(dǎo)體。,（一）N型半導(dǎo)體（N T

3、ype semiconductor）,+5,返回,1.與本征激發(fā)不同，施主原子在提供多余電子的同時(shí)并不產(chǎn)生空穴，而成為正離子被束縛在晶格結(jié)構(gòu)中，不能自由移動(dòng)，不起導(dǎo)電作用。,2.在室溫下，多余電子全部被激發(fā)為自由電子，故N型半導(dǎo)體中自由電子數(shù)目很高（濃度大）,主要靠電子導(dǎo)電。稱為電子半導(dǎo)體。,3.在N型半導(dǎo)體中同樣也有本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，但數(shù)量很小，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。,自由電子多數(shù)載流子（多子）。 且多數(shù)載流子濃度ni 空穴少數(shù)載流子（少子）。 少數(shù)載流子濃度pi,（二）P型半導(dǎo)體（P type semiconductor）,返回,在本征半導(dǎo)體中摻入3價(jià)元素（如B硼），就成為P

4、型半導(dǎo)體。,（二）P型半導(dǎo)體（P type semiconductor）,返回,（三）雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度,本征半導(dǎo)體中載流子由本征激發(fā)產(chǎn)生：ni=pi,摻雜半導(dǎo)體中（N or P）摻雜越多多子濃度少子濃度,雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子由兩個(gè)過(guò)程產(chǎn)生： 雜質(zhì)電離多子 本征激發(fā)少子,由半導(dǎo)體理論可以證明，兩種載流子的濃度滿足以下關(guān)系：,1 熱平衡條件：溫度一定時(shí)，兩種載流子濃度積之，等于本征濃度的平方。,N型半導(dǎo)體：若以nn表示電子（多子），pn表示空穴（少子） 則有 nn.pn=ni2,P型半導(dǎo)體：pp表示空穴（多子），np表示電子濃度（少子） pp.np=ni2,返回,（三）雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度

5、,2 電中性條件：整塊半導(dǎo)體的正電荷量與負(fù)電荷量恒等。,N型： ND表示施主雜質(zhì)濃度，則：nn=ND+pn,P型： NA表示受主雜質(zhì)濃度， pp=NA+np,由于一般總有: NDpn NAnp,返回,1. 1 . 3 漂移電流與擴(kuò)散電流,半導(dǎo)體中有兩種載流子：電子和空穴，這兩種載流子的定向運(yùn)動(dòng)會(huì) 引起導(dǎo)電電流。,引起載流子定向運(yùn)動(dòng)的原因有兩種：,由于電場(chǎng)而引起的定向運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)。（漂移電流）,由于載流子的濃度梯度而引起的定向運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散電流）,（一）漂移電流（drift current）,在電子濃度為n,空穴濃度為p的半導(dǎo)體兩端外加電壓U，在電場(chǎng)E的作用下，空穴將沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，電子將沿

6、與電場(chǎng)相反方向運(yùn)動(dòng)：,返回,空穴的平均漂移速度為: Vp=upE,電子的平均漂移速度為: Vn=-unE,(二）擴(kuò)散 電 流（diffusion current）,返回,1.2 PN結(jié),1.2 .2 PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?1.2.1 PN結(jié)的形成及特點(diǎn),返回,1.2 PN結(jié),返回,1.2.1 PN結(jié)的形成及特點(diǎn),1. PN結(jié)的形成,返回,空間電荷區(qū)(space charge region),在N型和P型半導(dǎo)體的界面兩側(cè)，明顯地存在著電子和空穴的濃度差，導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：,P型半導(dǎo)體中空穴N區(qū)擴(kuò)散與N區(qū)中電子復(fù)合 P區(qū)留下負(fù)離子N區(qū)生成正離子,N型半導(dǎo)體中電子（多子）P區(qū)擴(kuò)散與P區(qū)空穴復(fù)合

7、N區(qū)留下正離子P區(qū)生成負(fù)離子。,伴隨著擴(kuò)散和復(fù)合運(yùn)動(dòng)在PN結(jié)界面附近形成一個(gè)空間電荷區(qū)：,具有消弱內(nèi)建電場(chǎng)E的作用,顯然半導(dǎo)體中多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少子的漂移運(yùn)動(dòng)是一對(duì)矛盾運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)方面：,多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),空間電荷區(qū),內(nèi)建電場(chǎng)E,達(dá)到熱平衡（動(dòng)態(tài)平衡） PN結(jié)中總電流為零。 空間電荷區(qū)寬度穩(wěn)定形成PN結(jié)。,2. PN結(jié)的特點(diǎn),返回,1.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?返回,1. 正向偏置，正向電流,+ +,_ _,返回,仿真,2. 反向偏置，反向電流,+ +,_ _,返回,仿真,1.3 晶體二極管及應(yīng)用,132 二極管的電阻,133 二極管的交流小信號(hào)等效模型,1. 3. 4 二極管應(yīng)用電路,131晶

8、體二極管的伏安特性引言,返回,135 穩(wěn)壓管,136 PN結(jié)電容,137 PN結(jié)的溫度特性,138 二極管主要參數(shù),1.3 晶體二極管及應(yīng)用,1.3.1 晶體二極管的伏安特性,返回,1.3.1 晶體二極管的伏安特性,返回,UBR,UBR,返回,二極管擊穿后端電壓幾乎不變，具有穩(wěn)壓特性。,返回,Si,iR=-IS,Ge,UBR,UBR,1.0,iD,uD,Si,Ge,uD,（忽略R上的電壓）,132 二極管的電阻,返回,電路仿真,iD,+iD,133 二極管的等效模型,返回,（a）伏安特性曲線,UON,UON,（1）理想開(kāi)關(guān)模型,（2）恒壓源模型,（3）折線近似模型,例1.1 Si二極管與恒壓源

9、E和限流電阻R構(gòu)成的直流電路如圖1.25所示。求二極管工作點(diǎn)UD和ID的值。,解：將二極管用恒壓源模型近似。對(duì)于導(dǎo)通的Si管，其工作點(diǎn)電壓UD變化不大，可取UD UON 0.7V，由此可算出,例1.2 求解圖1.26所示的多二極管電路中的電流ID2和電壓UO，假設(shè)每個(gè)二極管的UON0.7V。,解題技巧：（1）假設(shè)二極管的狀態(tài)。如果假設(shè)一個(gè)二極管導(dǎo)通，則二極管兩端的電壓就為UON；如果假設(shè)一個(gè)二極管截止，則二極管的電流就為零。,（2）用假設(shè)的狀態(tài)分析“線性”電路。如果開(kāi)始假設(shè)二極管為截止，并且分析顯示ID=0和二極管端電壓UDUON，那么假設(shè)就是正確的。如果分析的結(jié)果顯示ID0和UDUON，那么

10、最初的假設(shè)就不成立。,（3）如果任何一個(gè)最初的假設(shè)被證明是不成立的，那么必須再做一個(gè)新的假設(shè)，然后分析新的“線性”電路。必須重復(fù)第(2)步。,解：首先假設(shè)二極管VD1和VD2都處于導(dǎo)通狀態(tài)，根據(jù)電路列寫(xiě)節(jié)點(diǎn)A、B的電流方程，可得,注意到UB =UA-0.7。聯(lián)立這兩個(gè)方程并消去ID2，可得: UA7.62V 和 UB6.92V,代入上式可得：ID2-0. 786mA。,負(fù)的二極管電流和最初的假設(shè)不一致，需要重新做一次假設(shè)。,重新假設(shè)二極管VD2截止和VD1導(dǎo)通。為了求得節(jié)點(diǎn)電壓UA和UB，可以應(yīng)用分壓公式計(jì)算，結(jié)果為,顯示二極管VD2確實(shí)反向偏置截止，所以ID2=0。,仿真,電路仿真,2二極管

11、的交流小信號(hào)等效模型,返回,1.3.4 二極管應(yīng)用電路,1 整流電路,ui0，二級(jí)管截止，iD=0，uo=0,ui0，二級(jí)管導(dǎo)通， ，uo=ui,電路仿真,2二極管限幅電路,右圖為雙向的限幅電路,如果設(shè)：二極管的開(kāi)啟電壓UON = 0.7V,則有：|ui|UON 時(shí)，VD1和VD2都截止，回路中的電流iD= 0，uo= ui 。,如果， ui UON ， VD1導(dǎo)通VD2截止，回路中的電流， 利用二極管正向穩(wěn)壓特性，uo= UON 。,如果， ui - UON ， VD1截止VD2導(dǎo)通，回路中的電流， uo = -UON 。,電路仿真,返回,iD,1.3.4二極管應(yīng)用電路,3 二極管鉗位電路,鉗位電路是一種能改變信號(hào)的直流電壓成分的電路，下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的二級(jí)管鉗位電路的例子。,當(dāng)ui=- 2.5V時(shí)，VD導(dǎo)通，回路中的電流 iD對(duì)電容C充電，由于rd 較小，充電時(shí)間常數(shù)=C rd很小，充電迅速，使:,電路仿真,返回,uc=-