模拟电子电路1PPT学习教案.pptx

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1、会计学1模拟模拟(mn)电子电路电子电路1第一页，共41页。1.11.1半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料(cilio)(cilio)及导电特性及导电特性及导电特性及导电特性返回(fnhu)第1页/共41页第二页，共41页。1.1.11.1.1 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体返回(fnhu)第2页/共41页第三页，共41页。当Si（或Ge）原子(yunz)组成单晶体后，各原子(yunz)之间有序、整齐的排列在一起，原子(yunz)之间靠得很近，价电子不仅受本原子(yunz)的作用，还要受相邻原子(yunz)的作用。因此Si（或Ge）单晶体每个原子都从四周相邻原子得到4个价电子才

2、能组成稳定状态。即每一个价电子为相邻原子核所共有，每相邻两个原子都共用(n yn)一对价电子。形成共价键结构。根据原子的理论：原子外层电子有8个才能(cinng)处于稳定状态。1.1.11.1.1 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体（intrinsic semiconductorintrinsic semiconductor）返回 量子力学证明：原子中电子具有的能量状态是离散的，量子化的，每一个能量状态对应于一个能级，一系列能级形成能带。第3页/共41页第四页，共41页。Ega:空穴带正电量b：空穴是半导体中所特有的带单位正电荷的粒子，与电子电量相等，符号相反c：空穴在价带内运动，也是一

3、种带电粒子。在外电场作用下可在晶体内定向移动空穴：（二）本征激发（二）本征激发（二）本征激发（二）本征激发(jf)(jf)和两种载流子和两种载流子和两种载流子和两种载流子 自由电子载流子：带单位负电荷空穴载流子 ：带单位正电荷返回(fnhu)第4页/共41页第五页，共41页。（三）本征载流子（三）本征载流子（三）本征载流子（三）本征载流子（intrinsic carrierintrinsic carrierintrinsic carrierintrinsic carrier）浓度）浓度）浓度）浓度(nngd)(nngd)(nngd)(nngd)本征激发电子空穴Eg1电子 空穴随机碰撞复合 （自

4、由电子释放能量）电子空穴对消失23本征激发动态平衡复合 是电子空穴对的两种矛盾运动形式。返回(fnhu)第5页/共41页第六页，共41页。杂质杂质杂质杂质(zzh)(zzh)(zzh)(zzh)半导体（半导体（半导体（半导体（donor and donor and donor and donor and acceptor impuritiesacceptor impuritiesacceptor impuritiesacceptor impurities）3.31012分之一返回(fnhu)第6页/共41页第七页，共41页。（一）（一）（一）（一）NN型半导体型半导体型半导体型半导体（N Ty

5、pe semiconductorN Type semiconductor）室温T=300k+5返回(fnhu)在本征半导体中掺入 5价元素(yun s)的杂质（砷、磷、锑）就成为 N型杂质半导体。第7页/共41页第八页，共41页。（一）（一）（一）（一）NN型半导体型半导体型半导体型半导体（N Type semiconductorN Type semiconductor）+5返回(fnhu)1.与本征激发不同，施主原子在提供多余电子的同时并不产生空穴，而成为正离子被束缚(shf)在晶格结构中，不能自由移动，不起导电作用。2.在室温下，多余电子全部被激发为自由电子，故 N型 半 导 体 中 自

6、由 电 子 数 目 很 高（浓 度(nngd)大）,主要靠电子导电。称为电子半导体。3.在N型半导体中同样也有本征激发产生的电子空穴对，但数量很小，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子多数载流子（多子）。且多数载流子浓度ni空穴少数载流子（少子）。少数载流子浓度pi第8页/共41页第九页，共41页。（二）（二）（二）（二）P P型半导体（型半导体（型半导体（型半导体（P type semiconductorP type semiconductor）-返回(fnhu)在本征半导体中掺入 3价元素(yun s)（如B硼），就成为 P型半导体。3价杂质原子接受电子负离子受主杂质 受主原子位于受主能级

7、 产生空位室温T=300k杂质产生（空位）受主能级 在价带中形成空穴 晶格中留下负离子 接受电子第9页/共41页第十页，共41页。（二）二）二）二）P P型半导体（型半导体（型半导体（型半导体（P type semiconductorP type semiconductor）-返回(fnhu)第10页/共41页第十一页，共41页。（三）杂质（三）杂质（三）杂质（三）杂质(zzh)(zzh)(zzh)(zzh)半导体中的载流子半导体中的载流子半导体中的载流子半导体中的载流子浓度浓度浓度浓度 本征半导体中载流子由本征激发(jf)产生：ni=pi掺杂半导体中（N or P）掺杂越多多子(du z)浓

8、度少子浓度杂质半导体载流子由两个过程产生：杂质电离多子 本征激发少子由半导体理论可以证明，两种载流子的浓度满足以下关系：1 热平衡条件：温度一定时，两种载流子浓度积之，等于本征浓度的平方。N型半导体：若以nn表示电子（多子），pn表示空穴（少子）则有 nn.pn=ni2P型半导体：pp表示空穴（多子），np表示电子浓度（少子）pp.np=ni2返回第11页/共41页第十二页，共41页。（三）杂质（三）杂质（三）杂质（三）杂质(zzh)(zzh)(zzh)(zzh)半导体中的载流子半导体中的载流子半导体中的载流子半导体中的载流子浓度浓度浓度浓度 2 电中性条件(tiojin)：整块半导体的正电荷

9、量与负电荷量恒等。N型：ND表示(biosh)施主杂质浓度，则：nn=ND+pn P型：NA表示受主杂质浓度，pp=NA+np由于一般总有:NDpn NAnp 所以有 N型：nnND 且：pn ni2/ND P型：ppNA np ni2/NA多子浓度等于掺杂浓度 少子浓度与本征浓度 ni2有关，与温度无关 随温度升高而增加，是半导 体元件温度漂移的主要原因多子浓度少子浓度返回第12页/共41页第十三页，共41页。1.1.3 1.1.3 漂移电流漂移电流漂移电流漂移电流(dinli)(dinli)与扩散电与扩散电与扩散电与扩散电流流流流(dinli)(dinli)半导体中有两种载流子：电子和空穴

10、(kn xu)，这两种载流子的定向运动会 引起导电电流。引起(ynq)载流子定向运动的原因有两种：由于电场而引起的定向运动漂移运动。（漂移电流）由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动扩散运动（扩散电流）（一）漂移电流（drift current）在电子浓度为n,空穴浓度为p的半导体两端外加电压U，在电场E的作用下，空穴将沿电场方向运动，电子将沿与电场相反方向运动：返回空穴的平均漂移速度为:Vp=upE 电子的平均漂移速度为:Vn=-unE 第13页/共41页第十四页，共41页。(二）扩散二）扩散二）扩散二）扩散(kusn)(kusn)电电电电 流（流（流（流（diffusion currentd

11、iffusion current）返回(fnhu)第14页/共41页第十五页，共41页。1.2 PN1.2 PN结结结结1.2.2 PN结的单向(dn xin)导电特性 结的形成(xngchng)及特点返回(fnhu)第15页/共41页第十六页，共41页。NP+-1.2 PN1.2 PN结结结结E返回(fnhu)结的形成(xngchng)及特点NP+-第16页/共41页第十七页，共41页。1.PN1.PN结的形成结的形成结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)返回(fnhu)空间电荷区(space charge region)在N型和P型半导体的界面两侧，明显地存在着电子和空穴的浓

12、度差，导致(dozh)载流子的扩散运动：P型半导体中空穴 N区扩散与N区中电子复合 P区留下负离子 N区生成正离子 N型半导体中电子（多子）P区扩散与P区空穴复合 N区留下正离子 P区生成负离子。伴随着扩散和复合运动在 PN结界面附近形成一个空间电荷区：N区一则为正P区一则为负 形成内建电场 E内建电场 形成少子的漂移运动 N区中空穴 P区P区中电子 N区具有消弱 内建电场 E的作用NP+-ENP+-显然半导体中多子的扩散运动和少子的漂移运动是一对矛盾运动的两个方面：多子扩散运动空间电荷区 内建电场 E 少子漂移 结果：多子扩散运动 少子的漂移 扩散电流 漂移电流 达到热平衡（动态平衡）PN结

13、中总电流为零。空间电荷区宽度稳定形成 PN结。第17页/共41页第十八页，共41页。2.PN2.PN结的特点结的特点结的特点结的特点(tdi(tdi n)n)返回(fnhu)NP+-E电荷密度E电场强度电位U内建电位势垒（电子势能）qUPN第18页/共41页第十九页，共41页。结的单向结的单向结的单向结的单向(dn xin(dn xin)导电特性导电特性导电特性导电特性返回(fnhu)第19页/共41页第二十页，共41页。1.1.正向偏置正向偏置正向偏置正向偏置(pin zh)(pin zh)，正向电流，正向电流，正向电流，正向电流RUDNP+-UiDUU-U扩散+_返回(fnhu)仿真(fn

14、 zhn)第20页/共41页第二十一页，共41页。iSiSiSiSNP+-2.2.反向反向反向反向(f(fn xinn xin)偏置，偏置，偏置，偏置，反向反向反向反向(f(fn xinn xin)电流电流电流电流RURUiSNP+-UU+UR+_返回(fnhu)仿真(fn zhn)第21页/共41页第二十二页，共41页。1.3 1.3 晶体晶体晶体晶体(jngt(jngt)二极管及应用二极管及应用二极管及应用二极管及应用132 二极管的电阻(dinz)133 二极管的交流(jioli)小信号等效模型1.3.4 二极管应用电路131晶体二极管的伏安特性 引言返回135 稳压管136 PN结电容

15、137 PN结的温度特性138 二极管主要参数第22页/共41页第二十三页，共41页。1.3 1.3 晶体晶体晶体晶体(jngt(jngt)二极管及应用二极管及应用二极管及应用二极管及应用 晶体二极管的伏安(f n)特性返回(fnhu)第23页/共41页第二十四页，共41页。Si晶体晶体晶体晶体(jngt(jngt)二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性Ge 1.0iDuDUONUON返回(fnhu)第24页/共41页第二十五页，共41页。SiiR=-ISGeUBRUBR 1.0iDuD返回(fnhu)SiGe第25页/共41页第二十六页，共41页。二极管击穿(j c

16、hun)后端电压几乎不变，具有稳压特性。返回(fnhu)SiiR=-ISGeUBRUBR 1.0iDuDSiGe第26页/共41页第二十七页，共41页。UDVDRIDuDQUDidud（忽略(hl)R上的电压）1 13 32 2 二极管的电阻二极管的电阻二极管的电阻二极管的电阻(dinz(dinz)返回(fnhu)电路仿真iDQud+-ID+iD第27页/共41页第二十八页，共41页。1 13 33 3 二极管的等效二极管的等效二极管的等效二极管的等效(dn(dn xio)xio)模模模模型型型型 返回(fnhu)uDiD（a）伏 安 特 性(txng)曲线VDidel（b）模型-uD+iD

17、UON VDidel（b）模型iDuDiD（a）伏安特性曲线UONVDidelUONrd（b）模型iDuDiD（a）伏安特性曲线UON（1）理想开关模型 （2）恒压源模型 （3）折线近似模型 第28页/共41页第二十九页，共41页。例例例例1.1 Si1.1 Si二极管与恒压源二极管与恒压源二极管与恒压源二极管与恒压源E E和限流电阻和限流电阻和限流电阻和限流电阻R R构成构成构成构成(guchng)(guchng)的直流电的直流电的直流电的直流电路如图路如图路如图路如图1.251.25所示。求二极管工作点所示。求二极管工作点所示。求二极管工作点所示。求二极管工作点UDUD和和和和IDID的值

18、。的值。的值。的值。解：将二极管用恒压源模型解：将二极管用恒压源模型解：将二极管用恒压源模型解：将二极管用恒压源模型(mxng)(mxng)近似。对于近似。对于近似。对于近似。对于导通的导通的导通的导通的SiSi管，其工作点电压管，其工作点电压管，其工作点电压管，其工作点电压UDUD变化不大，可取变化不大，可取变化不大，可取变化不大，可取UD UON 0.7VUD UON 0.7V，由此可算出，由此可算出，由此可算出，由此可算出 例1.2 求解图1.26所示的多二极管电路中的电流(dinli)ID2和电压UO，假设每个二极管的 UON0.7V。解题技巧：（1）假设二极管的状态。如果假设一个二极

19、管导通，则二极管两端的电压就为UON；如果假设一个二极管截止，则二极管的电流就为零。（2）用假设的状态分析“线性”电路。如果开始假设二极管为截止，并且分析显示ID=0和二极管端电压 UDUON，那么假设就是正确的。如果分析的结果显示ID0和UDUON，那么最初的假设就不成立。（3）如果任何一个最初的假设被证明是不成立的，那么必须再做一个新的假设，然后分析新的“线性”电路。必须重复第(2)步。解：首先假设二极管 VD1和VD2都处于导通状态，根据电路列写节点A、B的电流方程，可得 注意到UB=UA-0.7。联立这两个方程并消去 ID2，可得:UA7.62V 和 UB6.92V代入上式可得：ID2

20、-0.786mA。负的二极管电流和最初的假设不一致，需要重新做一次假设。重新假设二极管 VD2截止和VD1导通。为了求得节点电压 UA和UB，可以应用分压公式计算，结果为显示二极管 VD2确实反向偏置截止，所以 ID2=0。仿真第29页/共41页第三十页，共41页。电路仿真2 2二极管的交流小信号等效二极管的交流小信号等效二极管的交流小信号等效二极管的交流小信号等效(dn(dn xio)xio)模型模型模型模型 返回(fnhu)udIDuDQUDidiD第30页/共41页第三十一页，共41页。二极管应用二极管应用二极管应用二极管应用(yngyng)(yngyng)电路电路电路电路1 整流(zh

21、ngli)电路ui0，二级管导通，uo=ui电路仿真2二极管限幅电路右图为双向的限幅电路如果设：二极管的开启电压 UON=0.7V则有：|ui|UON，VD1导通VD2截止，回路中的电流，利用二极管正向稳压特性，uo=UON 。如果，ui0时，VD截止，iD=0，回路无法放电，使电容 C的电压保持 uc=ui=2.5V，而输出电压：uo=ui+uc=ui+2.5V=5V第32页/共41页第三十三页，共41页。iDIZminIZmaxUZIZUZ 返回(fnhu)uD第33页/共41页第三十四页，共41页。UiUO电路仿真返回(fnhu)IZILiDIZminIZmaxUZIZUZuDIR第34

22、页/共41页第三十五页，共41页。IZ mi nIZ m a xUZIZUZrzI z返回(fnhu)UZUZrZiZiZ第35页/共41页第三十六页，共41页。1 13 36 PN6 PN结电容结电容结电容结电容+-RUU+_iR+-返回(fnhu)第36页/共41页第三十七页，共41页。载流子浓度。QpQn.PNU+U-。.返回(fnhu)第37页/共41页第三十八页，共41页。精品(jn pn)课件！第38页/共41页第三十九页，共41页。精品(jn pn)课件！第39页/共41页第四十页，共41页。二极管主要参数二极管主要参数二极管主要参数二极管主要参数uDiD返回(fnhu)继续(jx)5.二极管的高频小信号(xnho)模型第40页/共41页第四十一页，共41页。