DZXLX_01.ppt

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1、电电 子子 线线 路路 线性部分（第四版）线性部分（第四版）谢嘉奎谢嘉奎 主编主编授课：曾浩授课：曾浩电子线路：电子线路：指包含电子器件、并能对电指包含电子器件、并能对电 信号实现某种处理的功能电路。信号实现某种处理的功能电路。概概 述述电路组成：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、三极管、场效应管、二极管、三极管、场效应管、集成电路。集成电路。外围电路：外围电路：直流电源、电阻、电容、直流电源、电阻、电容、电流源电路等。电流源电路等。1.1 1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识1.3 1.3 晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法1.2 P

2、N1.2 PN结结1.4 1.4 晶体二极管的应用晶体二极管的应用1.0 1.0 概述概述第一章第一章 晶体二极管晶体二极管概概 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：PNPN结正偏（结正偏（结正偏（结正偏（P P接接接接+、N N接接接接-），D D导通。导通。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PNPN结反偏（结反偏（结反偏（结反偏（N N接接接接+、P P接接接接-），D D截止。截止。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。半导体：半导体：导电能力介

3、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。1.1 1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识硅硅(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 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。它们是制造半导体器件的基本材料。半导体器件的基本材料。+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1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体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

4、很强的结合力。共价键具有很强的结合力。当当T=0K（无外界影无外界影 响）时，共价键中无自由移动的电子。响）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。本征本征激发激发。本征激发本征激发 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空位，同时原子因失去价电子而带正电。下空位，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一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动空

5、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：本征本征半导体中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或光照或光照热敏热敏特性特性光敏特性光敏特性v

6、N N型半导体：型半导体：1.1.2 1.1.2 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多子子自由电子自由电子少子少子空穴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。v P P型半导体型半导体+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。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

7、导体呈电中性杂质半导体呈电中性少子少子浓度取决于温度。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。1.1.3 1.1.3 两种导电机理两种导电机理漂移和扩散漂移和扩散 载流子在电场作用下的运动运动称载流子在电场作用下的运动运动称漂移运动，漂移运动，所形成的电流称所形成的电流称漂移电流。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：迁移率迁移率漂移与漂移电流漂移与漂移电流电导电导率：率：半导体的电导率半导体的电导率电阻：电阻：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 载流子在浓度差作用下的运动称载流子在浓度差

8、作用下的运动称扩散运动，扩散运动，所形成的电流称所形成的电流称扩散电流。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 N 型型 硅硅光照光照n(x)p(x)载流子浓度载流子浓度xnopo1.2 1.2 PN结结 利用掺杂工艺，把利用掺杂工艺，把P P型半导体和型半导体和N N型半导体在原子型半导体在原子级上紧密结合，级上紧密结合，P P区与区与N N区的交界面就形成了区的交界面就形成了PNPN结。结。掺杂掺杂N型型P型型PN结结1.2.1 1.2.1 动态平衡下的动态平衡下的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

9、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：PNPN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过流相抵消，通过PNPN结的电流为零。结的电流为零。PNPN结形成的物理过程结形成的物理过程 注意：注意：掺杂浓度（掺杂浓度（Na、Nd）越大，内建电位差越大，内建电位差 VB 越大，阻挡层宽度越大，阻挡层宽度 l0 0 越小。越小。内内建建电位差：电位差：阻挡层宽度：阻挡层宽度：室温时室温时锗管锗管 VB 0.2 0.3V硅管硅管 VB 0.5 0.7V1.2.2 1.2.2 PN结的结的伏安特性伏安特性 P

10、N结结单向导电特性单向导电特性P+N内建内建电场电场E Elo+-+-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IPNPN结导通结导通I电压电压V V 电流电流I I PN结结单向导电特性单向导电特性P+N内建内建电场电场E Elo-+-+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少子漂移漂移形成形成微小微小的反向电流的反向电流IRPNPN结截止结截止IRI IR R与与V V 近似无关。近似无关。温度温度T T 电流电流I IR R结

11、论：结论：PNPN结具有单方向导电特性。结具有单方向导电特性。PN结结伏安特性方程式伏安特性方程式PNPN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 26mV（室温）室温）其中：其中：IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。无关，但受温度影响很大。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ID(mA)V(V)VD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-910-16)A硅硅PNPN结结VD(on)=0.25V锗锗PNPN结结IS=(10-610-8

12、)AV VD(on)时时 随着随着V 正向正向R R很小很小 I PNPN结导通；结导通；V 6V)形成原因形成原因:碰撞电离碰撞电离。V(BR)ID(mA)V(V)形成原因形成原因:场致激发。场致激发。发生条件发生条件PNPN结掺杂浓度较高结掺杂浓度较高 (lo o较窄较窄)外加反向电压较小外加反向电压较小(6V)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)(BR)。击穿电压的温度特性击穿电压的温度特性 雪崩击穿电压雪崩击穿电压具有正温度系数。具有正温度系数。齐纳击穿电压齐纳击穿电压具有负温度系数。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(

13、BR)(BR)。稳压二极管稳压二极管VZID(mA)V(V)IZminIZmax+-VZ Z 利用利用PNPN结的反向击穿特结的反向击穿特性，可性，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：PNPN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。1.3 1.3 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

14、极极管管的的内内部部结结构构就就是是一一个个PNPN结结。就就其其伏伏安安特特性性而而言言，它它有有不不同同的的表表示示方方法法，或或者者表表示为不同形式的模型：示为不同形式的模型：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 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：r rS S 体电阻体电阻 +引线接触电阻引线接触电阻 +引线电阻引线电阻其中：其中：n 非理想化因子非理想化因子

15、I I 正常时正常时:n 1 1I I 过小或过大时过小或过大时:n n 2 2注意：注意：考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I IS S理想理想I IS S。1.3.1 1.3.1 晶体二极管的模型晶体二极管的模型曲线模型曲线模型伏安特性曲线伏安特性曲线V(BR)I(mA)V(V)VD(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VVD(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

16、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状态。例例2 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)(a)，假设假设D开路，则开路，则D D两端电压：两端电压：VD=V1V2=6 12=18 0V，VD2=V2(V1)=15V 0V 由于由于VD2 VD1 ，则，则D2优先导通优先导通。此时此时VD1=6V 2V时，时，D D导通，则导通，则vO O=vivi 2V时，时，D D截止，则截止，则vO O=2V由此可画出由此可画出vO O的的波形。波形。+-DV+-+-2V100Rv

17、O Ovit620vi(V)vO O(V)t026小信号分析法小信号分析法 即即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，利利用用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。得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。1.4 1.4 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：电电 源源变压

18、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vivO Otvitv1tv2tv3tvO O 整流电路整流电路1.4.1 1.4.1 整流与稳压电路整流与稳压电路D+-+-RvO Ovi当当vi 0V时，时，D D导通，则导通，则vO O=vi当当vi 0V时，时，D D截止，则截止，则vO O=0V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。若输入信号为正弦波：若输入信号为正弦波：平均值：平均值：VOt0vit0vO O 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 Izmax之间之间稳压原理：稳压原理：VO VR VO=VZ输出输出电压：电压：D+-+-RRLILVIVOIZI1.4.2 1.4.2 限幅电路限幅电路(或削波电路或削波电路）V2viV1时，时，D1、D2截止截止,vo=vi t0vit0vO 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