模电康华光第六版03PPT学习教案.pptx

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1、会计学1模电康华光模电康华光(hu un)第六版第六版03第一页，共54页。2华中科技大学 张林电子技术电子技术(jsh)(jsh)基础模拟部分基础模拟部分1 1 绪论绪论(xln)(xln)2 2 运算放大器运算放大器3 3 二极管及其基本电路二极管及其基本电路4 4 场效应三极管及其放大电路场效应三极管及其放大电路5 5 双极结型三极管及其放大电路双极结型三极管及其放大电路6 6 频率响应频率响应7 7 模拟集成电路模拟集成电路8 8 反馈放大电路反馈放大电路9 9 功率放大电路功率放大电路10 10 信号处理与信号产生电路信号处理与信号产生电路11 11 直流稳压电源直流稳压电源第1页/

2、共54页第二页，共54页。3 二极管及其基本二极管及其基本(jbn)电路电路3.1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.2 PN3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.3 3.3 二极管二极管3.4 3.4 二极管的基本电路二极管的基本电路(dinl)(dinl)及其分析方法及其分析方法3.5 3.5 特殊二极管特殊二极管第2页/共54页第三页，共54页。3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识半导体材料半导体的共价键结构(jigu)本征半导体杂质半导体第3页/共54页第四页，共54页。5华中科技大学 张林半导体材料半导体材料(cilio)根据物体根据物体导电导电能力能力(nngl

3、)(电电阻率阻率)的不同，的不同，来划分来划分导导体、体、绝缘绝缘体和半体和半导导体。体。典型典型(dinxng)(dinxng)的半的半导体有硅体有硅SiSi和和锗GeGe以及砷化以及砷化镓GaAsGaAs等。等。第4页/共54页第五页，共54页。6华中科技大学 张林半导体的共价键结构半导体的共价键结构(jigu)硅和硅和锗的原子的原子结构构简化化(jinhu)模型及模型及晶体晶体结构构第5页/共54页第六页，共54页。7华中科技大学 张林本征半导体本征半导体本本征征半半导体体化化学学成成分分纯净(chnjng)(chnjng)的的半半导体体。它它在在物物理理结构上呈构上呈单晶体形晶体形态。

4、空穴空穴(kn xu)共价共价键中的空位。中的空位。电子空穴子空穴(kn xu)对由由热激激发而而产生的自由生的自由电子和空穴子和空穴(kn xu)对。空穴的移空穴的移动空穴的运空穴的运动是靠相是靠相邻共价共价键中的价中的价电子子依次充填空穴来依次充填空穴来实现的。的。由于随机由于随机热振振动致使共价致使共价键被打破而被打破而产生空穴生空穴电子子对第6页/共54页第七页，共54页。8华中科技大学 张林杂质杂质(zzh)半导体半导体 在本征半在本征半导导体中体中掺掺入某些微量元素作入某些微量元素作为杂质为杂质，可使半，可使半导导体的体的导电导电性性发发生生显显著著变变化。化。掺掺入的入的杂质杂质

5、主要主要(zhyo)是三价或五价元素。是三价或五价元素。掺掺入入杂质杂质的本征半的本征半导导体称体称为杂质为杂质半半导导体。体。N型半型半导导体体掺掺入五价入五价杂质杂质(zzh)元素（如磷）元素（如磷）的半的半导导体。体。P型半型半导体体掺入三价入三价杂质元素（如硼）的半元素（如硼）的半导体。体。第7页/共54页第八页，共54页。9华中科技大学 张林杂质杂质(zzh)半导体半导体 1.N型半型半导体体 因五价因五价杂质杂质原子中只有原子中只有四个价四个价电电子能与周子能与周围围四个四个半半导导体原子中的价体原子中的价电电子形子形成成(xngchng)共价共价键键，而多余的一个价而多余的一个价

6、电电子因无子因无共价共价键键束束缚缚而很容易形成而很容易形成(xngchng)自由自由电电子。子。在在N型半型半导导体中自由体中自由电电子子(z yu din z)是多数是多数载载流子，它主要由流子，它主要由杂质杂质原子提供；空穴是少数原子提供；空穴是少数载载流子流子,由由热热激激发发形成。形成。提供自由提供自由电子的五价子的五价杂质原子因原子因带正正电荷而成荷而成为正离子正离子，因，因此五价此五价杂质原子也称原子也称为施主施主杂质。第8页/共54页第九页，共54页。10华中科技大学 张林杂质杂质(zzh)半导体半导体 2.P型半型半导体体 因三价因三价杂质杂质原子在与原子在与硅原子形成硅原子

7、形成(xngchng)共价共价键时键时，缺少一个价，缺少一个价电电子而在共价子而在共价键键中留下中留下一个空穴。一个空穴。在在P型半型半导导体中空穴是多数体中空穴是多数载载流子，它主要流子，它主要(zhyo)由由掺杂掺杂形成；形成；自由自由电电子是少数子是少数载载流子，流子，由由热热激激发发形成。形成。空穴很容易俘空穴很容易俘获电子，使子，使杂质原子成原子成为负离子离子。三价。三价杂质因而也称因而也称为受主受主杂质。第9页/共54页第十页，共54页。11华中科技大学 张林杂质杂质(zzh)半导体半导体 3.杂质杂质(zzh)对半导体导电性的影响对半导体导电性的影响 掺掺入入杂质对杂质对本征半本

8、征半导导体的体的导电导电性有很大的影响性有很大的影响(yngxing)，一些典型的数据如下，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的本征硅的电子和空穴子和空穴浓度度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子本征硅的原子浓度度:4.961022/cm3 3以上三个以上三个浓度基本上依次相差度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后后 N 型半型半导体中的自由体中的自由电子子浓度度:n=51016/cm3第10页/共54页第十一页，共54页。3.2 PN结的形成结的形成(xngchng)及特性及特性载流子的漂移与扩散结的形成结的单向导电性结的反向击穿(j chun)结的电容效应

9、第11页/共54页第十二页，共54页。13华中科技大学 张林载流子的漂移载流子的漂移(pio y)与扩散与扩散漂移运漂移运动：在在电场作用作用(zuyng)(zuyng)引起的引起的载流子的运流子的运动扩散散(kusn)(kusn)运运动：由由载流子流子浓度差引起的度差引起的载流子的运流子的运动第12页/共54页第十三页，共54页。14华中科技大学 张林结的形成结的形成(xngchng)第13页/共54页第十四页，共54页。15华中科技大学 张林结的形成结的形成(xngchng)第14页/共54页第十五页，共54页。16华中科技大学 张林 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体

10、两侧通过扩散不同的杂质,分别分别形成形成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半导体和型半导体和P P型型半导体的结合半导体的结合(jih)(jih)面上形成如下物理过程面上形成如下物理过程:因因浓浓度度(nngd)差差 空空间电荷区形成荷区形成(xngchng)(xngchng)内内电场 内内电场促使少子漂移促使少子漂移 内内电场阻止多子阻止多子扩散散最后最后,多子的多子的扩散散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡平衡。多子的多子的扩散运散运动由由杂质离子形成空离子形成空间电荷区荷区 第15页/共54页第十六页，共54页。17华中科技大学 张林结的单

11、向结的单向(dn xin)导电性导电性 当外加当外加电压电压使使PN结结中中P区的区的电电位高于位高于N区的区的电电位，称位，称为为加正向加正向电压电压，简简称称(jinchng)正偏；反之称正偏；反之称为为加反向加反向电压电压，简简称称(jinchng)反偏。反偏。(1)PN结结加正向加正向(zhn xin)电压时电压时 低低电阻阻 大的正向大的正向扩散散电流流PNPN结的结的I-V I-V 特性特性第16页/共54页第十七页，共54页。18华中科技大学 张林结的单向结的单向(dn xin)导电性导电性 高高电电阻阻 很小的反向漂移很小的反向漂移(pio y)电电流流 当外加当外加电压电压(

12、diny)使使PN结结中中P区的区的电电位高于位高于N区的区的电电位，称位，称为为加加正向正向电压电压(diny)，简简称正偏；反之称称正偏；反之称为为加反向加反向电压电压(diny)，简简称称反偏。反偏。(2)PN结加反向加反向电压时PNPN结的结的I-V I-V 特性特性第17页/共54页第十八页，共54页。19华中科技大学 张林结的单向结的单向(dn xin)导电性导电性PNPN结的结的I-V I-V 特性特性 在一定的温度条件下，由本征激在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子决定的少子浓度是一定的，故少度是一定的，故少子形成的漂移子形成的漂移电流是恒定的，基本流是恒定的，基本上与所加

13、反向上与所加反向电压的大小无关，的大小无关，这个个电流也称流也称为反向反向饱和和电流流。高高电电阻阻 很小的反向漂移很小的反向漂移(pio y)电电流流 当外加当外加电压电压使使PN结结中中P区的区的电电位高于位高于N区的区的电电位，称位，称为为加正向加正向电电压压，简简称称(jinchng)正偏；反之称正偏；反之称为为加反向加反向电压电压，简简称称(jinchng)反偏。反偏。(2)PN结加反向加反向电压时第18页/共54页第十九页，共54页。20华中科技大学 张林结的单向结的单向(dn xin)导电性导电性 PN结结加正向加正向电压时电压时，呈，呈现现低低电电阻，具有阻，具有较较大大的正向

14、的正向扩扩散散电电流；流；PN结结加反向加反向电压时电压时，呈，呈现现高高电电阻，具有很小阻，具有很小的反向漂移的反向漂移(pio y)电电流。流。由此可以得出由此可以得出结论结论：PN结结具有具有单单向向导电导电性。性。第19页/共54页第二十页，共54页。21华中科技大学 张林结的单向结的单向(dn xin)导电性导电性(3)PN结结I-V 特性特性(txng)表达式表达式其中其中(qzh(qzhng)ng)IS 反向反向饱和和电流流VT 温度的温度的电压当量当量且在常温下（且在常温下（T=300K）PN结的的I-V 特性特性第20页/共54页第二十一页，共54页。22华中科技大学 张林结

15、的反向结的反向(fn xin)击穿击穿 当当PN结结的反向的反向电压电压增加增加到一定数到一定数值时值时，反向，反向电电流突流突然快速增加，此然快速增加，此现现象称象称为为(chn wi)PN结结的反向的反向击击穿。穿。热击穿穿不可逆不可逆 雪崩雪崩击穿穿 齐纳击穿穿 电击穿电击穿可逆可逆第21页/共54页第二十二页，共54页。23华中科技大学 张林结的电容结的电容(dinrng)效应效应(1)势垒电势垒电容容(dinrng)CB外加外加电压(diny)(diny)变化化离子层厚薄变化离子层厚薄变化等效于电容充放电等效于电容充放电第22页/共54页第二十三页，共54页。24华中科技大学 张林结

16、的电容结的电容(dinrng)效应效应(2)扩散散电容容CD扩散散电容示意容示意图外加外加(wiji)(wiji)电压变化化扩散到对方区域扩散到对方区域在靠近在靠近PNPN结附近结附近累积的载流子浓累积的载流子浓度发生变化度发生变化等效于电容充放电等效于电容充放电第23页/共54页第二十四页，共54页。3.3 半导体二极管半导体二极管二极管的结构二极管的I-V特性(txng)二极管的参数第24页/共54页第二十五页，共54页。26华中科技大学 张林二极管的结构二极管的结构(jigu)第25页/共54页第二十六页，共54页。27华中科技大学 张林二极管的结构二极管的结构(jigu)在在PN结结上

17、加上引上加上引线线和封装，就成和封装，就成为为一个二极管。一个二极管。二极管按二极管按结结构构(jigu)分有点接触型、面接触型两大分有点接触型、面接触型两大类类。(1)点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN结结面面积积小，小，结电结电容小，用于容小，用于检检波波(jinb)和和变频变频等高等高频频电电路。路。第26页/共54页第二十七页，共54页。28华中科技大学 张林二极管的结构二极管的结构(jigu)(2)面接触面接触(jich)型二极管型二极管 PN结结面面积积大，用于工大，用于工频频(n pn)大大电电流流整流整流电电路。

18、路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)集成电路中的平面型集成电路中的平面型(3)二极管的代表符号二极管的代表符号第27页/共54页第二十八页，共54页。29华中科技大学 张林二极管的二极管的I-V特性特性(txng)二极管的伏安特性曲二极管的伏安特性曲线(qxin)(qxin)可用可用下式表示下式表示硅二极管硅二极管 2CP102CP10的的I I-V V 特性特性锗二极管锗二极管 2AP152AP15的的I I-V V 特性特性正向正向(zhn xin)特性特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性第28页/共54页第二十九页，共54页。30华中科技大学 张林二极管的主要参数二极管的

19、主要参数(1)最大整流最大整流电流流IF(2)反向反向击穿穿电压VBR(3)反向反向电流流IR(4)极极间电容容Cd（CB、CD）(5)反向恢复反向恢复时间TRR第29页/共54页第三十页，共54页。3.4 二极管的基二极管的基本本(jbn)电路及电路及其分析方法其分析方法简单二极管电路(dinl)的图解分析方法二极管电路(dinl)的简化模型分析方法第30页/共54页第三十一页，共54页。32华中科技大学 张林简单简单(jindn)二极管电路的图解分二极管电路的图解分析方法析方法 二极管是一种非二极管是一种非线线性器件，因而其性器件，因而其电电路一般要采用非路一般要采用非线线性性电电路的分析

20、方法，相路的分析方法，相对对来来说说比比较较复复杂杂，而，而图图解分析法解分析法则则(fz)较简单较简单，但前提条件是已知二极管的，但前提条件是已知二极管的V-I 特性曲特性曲线线。符号符号(fho)中大小写的含中大小写的含义：大写字母大写下大写字母大写下标：静：静态值（直流），如，（直流），如，IB（参（参见“本本书常用符号表常用符号表”）小写字母大写下小写字母大写下标：总量（直流量（直流+交流），如，交流），如，iB小写字母小写下小写字母小写下标：瞬：瞬时值（交流），如，（交流），如，ib第31页/共54页第三十二页，共54页。33华中科技大学 张林例电路如图所示，已知二极管的例电路如图所

21、示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电阻和电阻(dinz)R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD。解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 即即 是一条是一条(y tio)斜率为斜率为-1/R的直线，称为负载的直线，称为负载线线 Q的坐的坐标值标值（VD，ID）即）即为为所求。所求。Q点称点称为电为电路路(dinl)的工作点的工作点第32页/共54页第三十三页，共54页。34华中科技大学 张林二极管电路二极管电路(dinl)的简化模型分的简化模型分析方法析方法1.二极管二极管I-V 特性特性(txng)的的建模建

22、模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特性的等效模型。管特性的等效模型。（1 1）理想）理想(lxing)(lxing)模型模型 I-V 特特性性代表符代表符号号正向偏置正向偏置时的的电路路模型模型反向偏置反向偏置时的的电路路模型模型第33页/共54页第三十四页，共54页。35华中科技大学 张林二极管电路二极管电路(dinl)的简化模型分的简化模型分析方法析方法1.二极管二极管I-V 特性特性(txng)的建的建模模（2 2）恒压降模型）恒压降模型（a）I-V 特性特性 （b）电路模型）电路模型 （3 3）折线模型）折线模型（a）I-V 特性特性 （b）电路模型）

23、电路模型 第34页/共54页第三十五页，共54页。36华中科技大学 张林二极管电路二极管电路(dinl)的简化模型分的简化模型分析方法析方法（4 4）小信号）小信号(xnho)(xnho)模型模型vs=Vmsin t 时（VmVT。（a）I-V 特性特性 （b）电路路(dinl)模型模型1.二极管二极管I-V 特性的建模特性的建模（4）小信号模型）小信号模型第37页/共54页第三十八页，共54页。39华中科技大学 张林二极管电路二极管电路(dinl)的简化模型分的简化模型分析方法析方法2模型分析法模型分析法应应用用(yngyng)举举例例（1 1）整流）整流(zhngli)(zhngli)电路

24、（理想路（理想模型）模型）当当vs为正半周正半周时，二极管，二极管导通，通，且且导通通压降降为0V，vo=vs第38页/共54页第三十九页，共54页。40华中科技大学 张林2模型模型(mxng)分析法分析法应应用用举举例例（2 2）静）静态工作情况工作情况(qngkung)(qngkung)分分析析理想理想(lxing)模型模型（R=10k）当当VDD=10V 时，恒恒压模型模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折折线模型模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）设设当当VDD=1V 时，（自学）（自学）（a）简单二极管二极管电路路 （b）习惯画法画法 第39页/共54页第四十页，共54页。4

25、1华中科技大学 张林（3 3）限幅与）限幅与钳位位电路路(dinl)(dinl)电电路如路如图图，R=1k，VREF=3V，二极管，二极管为为硅二极管。分硅二极管。分别别用理想模型和恒用理想模型和恒压压降降模型求解，当模型求解，当vI=6sin t V时时，绘绘出相出相应应的的输输出出电压电压(diny)vO的波形。的波形。2模型模型(mxng)分析法分析法应应用用举举例例第40页/共54页第四十一页，共54页。42华中科技大学 张林 电电路如路如图图，二极管，二极管为为硅二极管，硅二极管，VD=0.7V，vs=Vm sin t V，且，且Vm VD ，绘绘出相出相应应(xingyng)的的输

26、输出出电压电压vO的波形。的波形。vs的的负负半周，半周，D导导通，通，C充充电电，但无，但无放放电电回路回路(hul)，最后（，最后（稳态稳态）VC=Vm-VD=Vm 0.7V （Vm是振幅是振幅(zhnf)值值）此后此后输出出电压为vO=vs+VC=vs+Vm-0.7V 将将输入波形的底部入波形的底部钳位在了位在了-0.7V的的直流直流电平上。平上。若若颠倒二极管的方向，倒二极管的方向，vO的波形将怎的波形将怎样变化？化？（3）限幅与）限幅与钳位位电路路2模型分析法模型分析法应用用举例例第41页/共54页第四十二页，共54页。43华中科技大学 张林（4）开关）开关电路路电路路(dinl)如

27、如图所示，求所示，求AO的的电压值解：解：先断开先断开(dun ki)D，以，以O为为基准基准电电位，位，即即O点点为为0V。则则接接D阳极阳极(yngj)的的电电位位为为-6V，接阴极的，接阴极的电电位位为为-12V。阳极阳极电位高于阴极位高于阴极电位，位，D接入接入时正向正向导通。通。导通后，通后，D的的压降等于零，即降等于零，即A点的点的电位就是位就是D阳极的阳极的电位。位。所以，所以，AO的的电压值为-6V。2模型分析法模型分析法应用用举例例第42页/共54页第四十三页，共54页。44华中科技大学 张林（6 6）小信号）小信号(xnho)(xnho)工作情况分析工作情况分析图示示电路中

28、，路中，VDD=5V，R=5k，恒，恒压降模型的降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwt V。（。（1）求求输出出电压vO的交流的交流(jioli)量和量和总量；（量；（2）绘出出vO的波形。的波形。解得：解得：vO=VO+vo=4.3+0.0994sinw wt（V）直流通路（静态）直流通路（静态）小信号模型的交流通路小信号模型的交流通路（动态）（动态）直流通直流通(litng)路、交流通路、交流通(litng)路、路、静静态态、动态动态等概念，在放大等概念，在放大电电路的分析中路的分析中非常重要。非常重要。解：解：2模型分析法模型分析法应用用举例例第43页/共54页第四十四页，共54

29、页。3.5 特殊特殊(tsh)二极管二极管齐纳二极管变容(bin rn)二极管肖特基二极管光电器件第44页/共54页第四十五页，共54页。46华中科技大学 张林齐纳二极管齐纳二极管1.符号符号(fho)及及稳压稳压特性特性 利用二极管反向利用二极管反向击击穿特性穿特性实现实现(shxin)稳压稳压。稳压稳压二极管二极管稳压时稳压时工作在反向工作在反向电击电击穿状穿状态态。(a)(a)符号符号(b)(b)伏安特性伏安特性（c c）反向击穿时的模型）反向击穿时的模型 第45页/共54页第四十六页，共54页。47华中科技大学 张林齐纳二极管齐纳二极管(1)稳稳定定(wndng)电压电压VZ(2)动态

30、动态(dngti)电电阻阻rZ 在在规规定的定的稳压稳压管反向工作管反向工作电电流流(dinli)IZ下，所下，所对应对应的的反向工作反向工作电压电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最大最大稳定工作定工作电流流 IZ(max)和最小和最小稳定工作定工作电流流 IZ(min)(5)稳定定电压温度系数温度系数 VZ2.齐纳二极管主要参数二极管主要参数第46页/共54页第四十七页，共54页。48华中科技大学 张林齐纳二极管齐纳二极管3.稳压稳压(wn y)电电路路正常正常(zhngchng)稳压时 VO=VZ#稳压稳压(wn y)条件是条件是什么？什么？IZ(min)I

31、Z IZ(max)#不加不加R可以可以吗？第47页/共54页第四十八页，共54页。49华中科技大学 张林变容变容(bin rn)二极管二极管（a）符号）符号 （b）结电容与容与电压(diny)的关系（的关系（纵坐坐标为对数刻度）数刻度）第48页/共54页第四十九页，共54页。50华中科技大学 张林肖特基二极管肖特基二极管（a）符号）符号(fho)（b）正向）正向V-I特性特性第49页/共54页第五十页，共54页。51华中科技大学 张林光电器件光电器件(qjin)1.光光电二极管二极管（a）符号）符号 （b）电路模型路模型(mxng)（c）特性曲）特性曲线 第50页/共54页第五十一页，共54页。52华中科技大学 张林光电器件光电器件(qjin)2.发发光光(f un)二极管二极管符号符号光电传输系统光电传输系统 第51页/共54页第五十二页，共54页。53华中科技大学 张林光电器件光电器件(qjin)3.激光激光(jgung)二极管二极管（a）物理）物理结构构(jigu)（b）符号）符号 第52页/共54页第五十三页，共54页。54华中科技大学 张林光电器件光电器件(qjin)4.太阳能太阳能电电池池(dinch)end第53页/共54页第五十四页，共54页。