模拟电子线路一单元.ppt

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1、课程概述课程概述电子线路：电子线路：指包含电子器件，并能对电信号指包含电子器件，并能对电信号实现某种处理的功能电路。实现某种处理的功能电路。电路组成：电路组成：电子器件电子器件 +外围电路外围电路电子器件：电子器件：二极管、场效应管、集成电路。二极管、场效应管、集成电路。外围电路：外围电路：直流电源、电阻、电容、电流源直流电源、电阻、电容、电流源电路等。电路等。第第 1 章晶体二极管章晶体二极管概述概述半导体物理基础知识半导体物理基础知识PN 结结晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法晶体二极管的应用晶体二极管的应用概概 述述晶体二极管结构及电路符号：晶体二极管结构及电路符号：PN 结正

2、偏结正偏(P 接接+、N 接接-)-)，D 导通。导通。PN正极正极负极负极晶体二极管的主要特性：晶体二极管的主要特性：单方向导电特性单方向导电特性PN 结反偏结反偏(N 接接+、P 接接-)-)，D 截止。截止。即即主要用途：主要用途：用于整流、开关、检波电路中。用于整流、开关、检波电路中。晶体二极管晶体二极管实际二极管的照片电路符号半导体物理基础知识半导体物理基础知识半导体：半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅硅(Si)、锗、锗(Ge)原子结构及简化模型：原子结构及简化模型：+14 2 8 4+32 2 8418+4价电子价电子惯性核惯性核 晶

3、体二极管晶体二极管硅和锗的单晶称为硅和锗的单晶称为本征半导体本征半导体。它们是制造半导。它们是制造半导体器件的基本材料。体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和锗共价键结构示意图：硅和锗共价键结构示意图：共价键共价键本征半导体本征半导体 晶体二极管晶体二极管在硅和锗晶体中，原子在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成其相临的原子之间形成共价共价键键，共用一对价电子。，共用一对价电子。硅和

4、锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：本征激发本征激发q 当当 T 升高或光线照射时升高或光线照射时产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。q 共价键具有很强的结合力。共价键具有很强的结合力。当当 T=0 K(无外界影无外界影响响)时，共价键中无自由移动的电子。时，共价键中无自由移动的电子。这种现象称这种现象称注意：注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。本征激发本征激发。(动画动画)晶体二极管晶体二极管在绝对在绝对0度（度（T=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时,价电价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有

5、可以运动的带电粒子（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导），它的导电能力为电能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。当当原原子子中中的的价价电电子子激激发发为为自自由由电电子子时时，原原子子中中留留下下空位，同时原子因失去价电子而带正电。空位，同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。空穴的运动。注意：注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子自由电子 带负电带负电半导体中有两种导电的载流子半导体中有

6、两种导电的载流子 空穴的运动空穴的运动空空 穴穴 带正电带正电温度一定时：温度一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。动态平衡。v 热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：热平衡载流子浓度：本征半导体中本征半导体中本征激发本征激发产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量电子和空穴相遇释放能量复合。复合。T导电能力导电能力ni或光照或光照热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性 v N 型半导体：型半导体：v(动画动画)杂质半导体杂质半导体+4+4+5+4+4简化模型：简化模型：N 型半导体型半导体多子多子自由电子自由电子少子少子空穴

7、空穴自由电子自由电子本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量五价五价元素构成。元素构成。Negative在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离这样磷原子就成了不能移动的带

8、正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子。每个磷原子给出一个电子，称为施主施主原子原子。v P 型半导体型半导体(动画动画)+4+4+3+4+4简化模型：简化模型：P 型半导体型半导体少子少子自由电子自由电子多子多子空穴空穴空空 穴穴本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量三价三价元素构成。元素构成。在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生与相邻的半导体原子形成共价键时，

9、产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原受主原子子。杂质半导体中载流浓度计算杂质半导体中载流浓度计算N 型半导体型半导体(质量作用定理质量作用定理)(电中性方程电中性方程)P 型半导体型半导体杂质半导体呈电中性杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。少子浓度取决于温度。多子浓度取决于掺杂浓度。多子浓度取决于掺杂浓度。两种导电机理两种导电机理漂移和扩散漂移和扩散漂移与漂移电流漂移与漂移电流载流子在电场作用下的运动称

10、载流子在电场作用下的运动称漂移运动，漂移运动，所形成的所形成的电流称电流称漂移电流。漂移电流。漂移电流密度漂移电流密度总漂移电流密度：总漂移电流密度：迁移率迁移率 半导体的电导率半导体的电导率电压：电压：V=E l电流：电流：I=S Jt+-V长度长度 l截面积截面积 S电场电场 EI电阻：电阻：电导率：电导率：载载流流子子在在浓浓度度差差作作用用下下的的运运动动称称扩扩散散运运动动，所所形形成成的电流称的电流称扩散电流。扩散电流。扩散电流密度：扩散电流密度：扩散与扩散电流扩散与扩散电流N 型型 硅硅光照光照n(x)p(x)载流子浓度载流子浓度xn0p01.2PN 结结利利用用掺掺杂杂工工艺艺

11、，把把 P 型型半半导导体体和和 N 型型半半导导体体在在原原子子级上紧密结合，级上紧密结合，P 区与区与 N 区的交界面就形成了区的交界面就形成了 PN 结。结。掺杂掺杂N 型型P 型型PN 结结1.1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴中的空穴.N区区 中中的电子（的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散运扩散运动动）。）。3.3.P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），），数量有限，因此由它们形成的电流很小。数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意:动态平衡

12、下的动态平衡下的 PN 结结阻止多子扩散阻止多子扩散出现内建电场出现内建电场开始因浓度差开始因浓度差产生空间电荷区产生空间电荷区引起多子扩散引起多子扩散利于少子漂移利于少子漂移最终达动态平衡最终达动态平衡注意：注意：PN 结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过相抵消，通过 PN 结的电流为零。结的电流为零。PN 结形成的物理过程结形成的物理过程(动画动画)内内建建电位差：电位差：室温时室温时锗管锗管 VB 0.2 0.3 V硅管硅管 VB 0.5 0.7 V 阻挡层宽度：阻挡层宽度：注意：注意：掺杂浓度掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位差越大，内

13、建电位差 VB越大，阻越大，阻 挡层宽度挡层宽度 l0 越小。越小。PN 结的伏安特性结的伏安特性 PN 结结单向导电特性单向导电特性P+N内建电场内建电场 El0+-+-VPN 结结正偏正偏阻挡层变薄阻挡层变薄内建电场减弱内建电场减弱多子扩散多子扩散 少子漂移少子漂移多子扩散形成多子扩散形成较大较大的正向电流的正向电流 IPN 结导通结导通I电压电压 V 电流电流 I 二极管二极管+RE一、一、PN 结正向偏置结正向偏置(动画动画)内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成较大的扩散电流。较大的扩散电流。PN 结结单向导电

14、特性单向导电特性P+N内建内建电场电场 El0-+-+VPN 结结反偏反偏阻挡层变宽阻挡层变宽内建电场增强内建电场增强少子漂移少子漂移多子扩散多子扩散少子漂移形成少子漂移形成微小微小的反向电流的反向电流 IRPN 结截止结截止IRIR 与与 V 近似无关。近似无关。温度温度 T 电流电流 IR结论：结论：PN 结具有单方向导电特性。结具有单方向导电特性。二、二、PN 结反向偏置结反向偏置(动画动画)+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小

15、的反向电流。向电流。RE二极管的单向导电性仿真 PN 结结伏安特性方程式伏安特性方程式PN 结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：热电压热电压 26 mV(室温室温)其中：其中：IS 为为反反向向饱饱和和电电流流，其其值值与与外外加加电电压压近近似似无无关关，但但受温度影响很大。受温度影响很大。正偏时：正偏时：反偏时：反偏时：PN 结结伏安特性曲线伏安特性曲线IDVVD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7 VIS=(10-9 10-16)A硅硅 PN 结结VD(on)=0.25 V锗锗 PN 结结IS=(10-6 10-8)AV VD(on)

16、时时 随着随着V 正向正向R 很小很小 I PN 结导通；结导通；V 6 V)形成原因：形成原因：碰撞电离。碰撞电离。V(BR)IDV形成原因：形成原因：场致激发。场致激发。发生条件发生条件PN 结掺杂浓度较高结掺杂浓度较高(l0 较窄较窄)外加反向电压较小外加反向电压较小(6 V)O因为因为 T 载流子运动的平均自由路程载流子运动的平均自由路程 V(BR)。击穿电压的温度特性击穿电压的温度特性 雪崩击穿电压具有正温度系数。雪崩击穿电压具有正温度系数。齐纳击穿电压具有负温度系数。齐纳击穿电压具有负温度系数。因为因为 T 价电子获得的能量价电子获得的能量 V(BR)。稳压二极管稳压二极管 利用利

17、用 PN 结的反向击穿特性，结的反向击穿特性，可可制成稳压二极管。制成稳压二极管。要求：要求：IZmin IZ CD，则则 Cj CT PN 结总电容：结总电容：Cj=CT+CD PN 结正偏时，结正偏时，CD CT，则则 Cj CD故：故：PN 结正偏时，以结正偏时，以 CD 为主。为主。故：故：PN 结结反偏时，以反偏时，以 CT 为主。为主。通常：通常：CD 几十几十 pF 几千几千 pF。通常：通常：CT 几几 pF 几十几十 pF。晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法晶晶体体二二极极管管的的内内部部结结构构就就是是一一个个 PN 结结。就就其其伏伏安安特特性性而而言言，它它有

18、有不不同同的的表表示示方方法法，或或者者表表示示为为不同形式的模型：不同形式的模型：便于计算机辅助分析的便于计算机辅助分析的数学模型数学模型 适于任一工作状态的适于任一工作状态的通用曲线模型通用曲线模型直流简化电路模型直流简化电路模型交流小信号电路模型交流小信号电路模型 电路分析时采用的电路分析时采用的晶体二极管的模型晶体二极管的模型数学模型数学模型伏安特性方程式伏安特性方程式理想模型：理想模型：修正模型：修正模型：其中：其中：n 非理想化因子非理想化因子I 正常时：正常时：n 1I 过小或过大时：过小或过大时：n 2rS 体电阻体电阻+引线接触电阻引线接触电阻+引线电阻引线电阻注意：注意：考

19、虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际漏电流的影响，实际 IS 理想理想 IS。晶体二极管晶体二极管曲线模型曲线模型伏安特性曲线伏安特性曲线V(BR)I/mAV/VVD(on)IS当当 V VD(on)时时 二极管二极管导通导通当当 V 0，则管子导通；反之截止。，则管子导通；反之截止。实际二极管：若实际二极管：若 V VD(on)，管子导通；反之截止。，管子导通；反之截止。当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子 优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。优先导通。其余管子需重新分析其工作

20、状态。晶体二极管晶体二极管例例 2设二极管是理想的，求设二极管是理想的，求 VAO 值。值。图图(a)，假设，假设 D 开路，则开路，则 D 两端电压：两端电压：VD=V1 V2=(6 12)V=18 V 0 V，VD2=V2 (V1)=15 V 0 V。由于由于 VD2 VD1，则，则 D2 优先导通优先导通。此时此时 VD1=6 V 2 V 时，时，D 导通，则导通，则 vO=vivi 2 V 时，时，D 截止，则截止，则 vO=2 V由此可画出由此可画出 vO 的波形。的波形。+-DV+-+-2 V100 Rvo ovit62OVi/VVo o/VtO26 小信号分析法小信号分析法 即即

21、将将电电路路中中的的二二极极管管用用小小信信号号电电路路模模型型代代替替，利利用用得得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。分析步骤：分析步骤：将直流电源短路，画交流通路。将直流电源短路，画交流通路。用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。晶体二极管的应用晶体二极管的应用电源设备组成框图：电源设备组成框图：(动画动画)电电 源源变压器变压器整流整流电路电路滤波滤波电路电路稳压稳压电路电路vivotvitv1tv2t

22、v3tvo 晶体二极管晶体二极管 整流电路整流电路整流与稳压电路整流与稳压电路D+-+-RvOvi当当 vi 0 V 时，时，D 导通，则导通，则 vO=vi当当 vi 0 V 时，时，D 截止，则截止，则 vO=0 V由由此此，利利用用二二极极管管的的单单向向导导电性，实现了电性，实现了半波整流半波整流(动画动画)。若输入信号为正弦波：若输入信号为正弦波：平均值：平均值：VOtOvitOvOVimVim桥式整流电路的仿真桥式整流电路的仿真整流后的波形VD1开路,整流后的波形半波 稳压电路稳压电路某原因某原因 VO IZ I 限流电阻限流电阻 R：保证稳压管工作在保证稳压管工作在 IZmin

23、IZmax 之间之间稳压原理：稳压原理：VO VR VO=VZ输出电压：输出电压：D+-+-RRLILVIVOIZI限幅电路限幅电路(或削波电路或削波电路)V2 vi V1 时，时，D1、D2 截止，截止，vo=vi tOvitOvo oVi V1 时，时，D1 导通、导通、D2 截止，截止，vo=V1 Vi V2 时，时，D2 导通、导通、D1 截止，截止，vo=-V2 由此由此，电路实现双向限幅功能。，电路实现双向限幅功能。vo ovi+-D1+-+-RD2V1 V2+-其中：其中：V1 为上为上限幅电平，限幅电平，V2 为下为下限幅电平。限幅电平。V1 V2 V2V1补:半导体器件的种类

24、及发展、种类：二极管、三极管、场效应管、集成电路（IC）Integrated Circuit、发展：电子器件的更新换代推动电子技术的发展，其中电子学发展史上三个重要里程碑：1)1906年电子管发明（进入电子时代）2)1948年晶体管问世（半导体器件）3)60年代集成电路出现(进入信息时代)目前，贝尔实验室正研制超小体积和超低功耗的第四代半导体器件，它的问世将掀起电子技术新革命:1第一代电子器件电子管 1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）等发明，可实现整流、稳压、检波、放大、振荡等多种功能电路。电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台计算机用万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。2第二代电子器件晶体管（半导体三极管）1948年，肖克利（）等发明，在体积、重量等方面性能优于电子管。但是，由成百上千只晶体管和其他元件组成的分立电路体积大、焊点多，可靠性差。3第三代电子器件集成电路(IC)1958年，基尔白等设想将管子、元件和线路集成封装在一起，三年后，集成电路实现了商品化。IC按集成度分:(1)小规模IC（SSI）102 (2)中规模IC（MSI）103 (3)大规模IC（LSI）105 (4)超大规模IC(VLSI)105