《模擬電子線路》課程的性質(zhì)，內(nèi)容及特點(diǎn)：1.性質(zhì):這是電子類專業(yè)一門(mén)重要的必修技術(shù)基礎(chǔ)課程。2.內(nèi)容:（1）理論教學(xué)（6章，60學(xué)時(shí)）（2）實(shí)驗(yàn)（單獨(dú)，地點(diǎn)：克立樓4樓）（3）課程設(shè)計(jì)（單獨(dú)，一周）

前言

3.考試要求：平時(shí)成績(jī)：30%

期末成績(jī)：70%4.參考書(shū)：1）、童詩(shī)白，華成英主編，模擬電子技術(shù)，高等教育出版社，2）、楊素行主編，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程，高等教育出版社，3）孫肖子，張企民主編，模擬電子技術(shù)，西安電子科技大學(xué)出版社，4）《普通高等教育“十一五”國(guó)家規(guī)劃級(jí)教材·電子線路:設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試(第4版）5）、《Matlab·Multisim電工電子技術(shù)仿真應(yīng)用》第1章晶體二極管1.0概述1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)1.2

PN結(jié)1.3晶體二極管電路分析方法1.4晶體二極管的應(yīng)用概述晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)：PN結(jié)正偏(P接+、N接-)，D導(dǎo)通。PN正極負(fù)極晶體二極管的主要特性：?jiǎn)畏较驅(qū)щ娞匦訮N結(jié)反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、開(kāi)關(guān)、檢波電路中。第1章晶體二極管1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。硅(Si)、鍺(Ge)原子結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化模型：+14284+3228418+4價(jià)電子慣性核第1章晶體二極管硅和鍺的單晶稱為本征半導(dǎo)體。它們是制造半導(dǎo)體器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和鍺共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖：共價(jià)鍵1.1.1本征半導(dǎo)體第1章晶體二極管

本征激發(fā)

當(dāng)T

升高或光線照射時(shí)產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。

共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。當(dāng)T=0K(無(wú)外界影響)

時(shí)，共價(jià)鍵中無(wú)自由移動(dòng)的電子。這種現(xiàn)象稱注意：空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的重要特征。本征激發(fā)。第1章晶體二極管當(dāng)原子中的價(jià)電子激發(fā)為自由電子時(shí)，原子中留下空位，同時(shí)原子因失去價(jià)電子而帶正電。當(dāng)鄰近原子中的價(jià)電子不斷填補(bǔ)這些空位時(shí)形成一種運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)可等效地看作是空穴的運(yùn)動(dòng)。注意：空穴運(yùn)動(dòng)方向與價(jià)電子填補(bǔ)方向相反。自由電子—帶負(fù)電半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子

空穴的運(yùn)動(dòng)空穴—帶正電第1章晶體二極管溫度一定時(shí)：激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度：本征半導(dǎo)體中本征激發(fā)——產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。電子和空穴相遇釋放能量——復(fù)合。T導(dǎo)電能力ni或光照熱敏特性光敏特性第1章晶體二極管

N型半導(dǎo)體：1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+5+4+4簡(jiǎn)化模型：N型半導(dǎo)體多子——自由電子少子——空穴自由電子本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素構(gòu)成。第1章晶體二極管P型半導(dǎo)體+4+4+3+4+4簡(jiǎn)化模型：P型半導(dǎo)體少子——自由電子多子——空穴空穴本征半導(dǎo)體中摻入少量三價(jià)元素構(gòu)成。第1章晶體二極管

雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計(jì)算N型半導(dǎo)體(質(zhì)量作用定理)(電中性方程)P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體呈電中性少子濃度取決于溫度。多子濃度取決于摻雜濃度。第1章晶體二極管第1章晶體二極管

雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計(jì)算P6例1一本征硅片摻入5價(jià)元素砷，濃度Nd=8x1016cm-3，求室溫T=300K時(shí)自由電子和空穴的熱平衡濃度值。由電中性方程得質(zhì)量作用定理P4第8行1.1.3兩種導(dǎo)電機(jī)理——漂移和擴(kuò)散漂移與漂移電流載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)稱漂移運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱漂移電流。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率第1章晶體二極管

半導(dǎo)體的電導(dǎo)率電壓：

V=E

l電流：I=SJt+-V長(zhǎng)度l截面積S電場(chǎng)EI電阻：電導(dǎo)率：第1章晶體二極管載流子在濃度差作用下的運(yùn)動(dòng)稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流密度：

擴(kuò)散與擴(kuò)散電流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xn0p0第1章晶體二極管1.2

PN結(jié)利用摻雜工藝，把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在原子級(jí)上緊密結(jié)合，P區(qū)與N區(qū)的交界面就形成了PN結(jié)。摻雜N型P型PN結(jié)第1章晶體二極管1.2.1動(dòng)態(tài)平衡下的PN結(jié)阻止多子擴(kuò)散出現(xiàn)內(nèi)建電場(chǎng)開(kāi)始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴(kuò)散利于少子漂移最終達(dá)動(dòng)態(tài)平衡注意：PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流與漂移電流相抵消，通過(guò)PN結(jié)的電流為零。

PN結(jié)形成的物理過(guò)程第1章晶體二極管

內(nèi)建電位差：室溫時(shí)鍺管VB

0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V

阻擋層寬度：

注意：摻雜濃度(Na、Nd)越大，內(nèi)建電位差VB越大，阻擋層寬度l0

越小。第1章晶體二極管1.2.2

PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場(chǎng)El0+-VPN結(jié)正偏阻擋層變薄內(nèi)建電場(chǎng)減弱多子擴(kuò)散>>少子漂移多子擴(kuò)散形成較大的正向電流IPN結(jié)導(dǎo)通I電壓V電流I第1章晶體二極管PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場(chǎng)

El0-+VPN結(jié)反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)少子漂移>>多子擴(kuò)散少子漂移形成微小的反向電流IRPN結(jié)截止IRIR與V近似無(wú)關(guān)。溫度T電流IR結(jié)論：PN結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦浴５?章晶體二極管PN結(jié)——伏安特性方程式PN結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來(lái)描述：熱電壓26mV(室溫)其中：

IS為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無(wú)關(guān)，但受溫度影響很大。正偏時(shí)：反偏時(shí)：第1章晶體二極管PN結(jié)——伏安特性曲線IDVVD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN結(jié)VD(on)=0.25V鍺PN結(jié)IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)時(shí)隨著V

正向R

很小I

PN結(jié)導(dǎo)通；V<VD(on)時(shí)IR很小(IR-IS)反向R很大PN結(jié)截止。第1章晶體二極管O1.2.3

PN結(jié)的擊穿特性|V反|

=V(BR)時(shí)，IR急劇，

PN結(jié)反向擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿PN結(jié)摻雜濃度較低(l0

較寬)發(fā)生條件外加反向電壓較大(>6V)

形成原因：碰撞電離。V(BR)IDV形成原因：場(chǎng)致激發(fā)。

發(fā)生條件PN結(jié)摻雜濃度較高(l0

較窄)外加反向電壓較小(<6V)第1章晶體二極管O因?yàn)門(mén)

載流子運(yùn)動(dòng)的平均自由路程V(BR)。

擊穿電壓的溫度特性

雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)。

齊納擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。因?yàn)門(mén)

價(jià)電子獲得的能量V(BR)。

穩(wěn)壓二極管

利用PN結(jié)的反向擊穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。

要求：IZmin<IZ<IZmax第1章晶體二極管VZIDVIZminIZmax+-VZO1.2.4PN結(jié)的溫度特性溫度升高，IS增大，溫度每升高10℃，IS約增加一倍；PN結(jié)正偏時(shí)，雖然隨溫度升高而減小，但不如IS隨溫度升高而增大得快，因而PN結(jié)的正向電流隨溫度升高而略有增大，與溫度每升高1℃

，Von約減少2.5mV等價(jià)。一、PN結(jié)伏安特性的溫度特性

1.2.5

PN結(jié)的電容特性勢(shì)壘區(qū)內(nèi)空間電荷量隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。

勢(shì)壘電容CT

擴(kuò)散電容CD

阻擋層外(P區(qū)和N區(qū))貯存的非平衡電荷量,隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。CT(0)CTVOxn少子濃度xO-xpP+N第1章晶體二極管PN結(jié)電容PN結(jié)反偏時(shí)，CT>>CD，則Cj

CTPN結(jié)總電容：Cj=CT+CDPN結(jié)正偏時(shí)，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結(jié)正偏時(shí)，以CD

為主。故：PN結(jié)反偏時(shí)，以CT

為主。通常：CD幾十pF~幾千pF。通常：CT

幾pF~幾十pF。第1章晶體二極管1.3晶體二極管電路分析方法晶體二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PN結(jié)。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示為不同形式的模型：

便于計(jì)算機(jī)輔助分析的數(shù)學(xué)模型

適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型直流簡(jiǎn)化電路模型交流小信號(hào)電路模型

電路分析時(shí)采用的第1章晶體二極管1.3.1晶體二極管的模型數(shù)學(xué)模型——伏安特性方程式理想模型：修正模型：其中：n—非理想化因子I正常時(shí)：n1I過(guò)小或過(guò)大時(shí)：n

2rS

—體電阻+引線接觸電阻+引線電阻注意：考慮到阻擋層內(nèi)產(chǎn)生的自由電子空穴對(duì)及表面漏電流的影響，實(shí)際IS

理想IS。第1章晶體二極管三、等效電路模型二極管的非線性主要表現(xiàn)在單向?qū)щ娦陨?，伏安特性可以用用左圖的兩段折線近似表示，其中RD稱為二極管的導(dǎo)通電阻。在對(duì)電路進(jìn)行直流或者大信號(hào)分析時(shí),二極管可以用左下圖的大信號(hào)電路模型等效。二極管大信號(hào)電路模型1.大信號(hào)電路模型理想二極管伏安特性和電路符號(hào)2.小信號(hào)電路模型rj：增量結(jié)電阻或肖特基電阻或1.3.2晶體二極管電路分析方法一、圖解分析法采用圖解法求解時(shí)，上述方程組的求解過(guò)程就是尋找上述兩式所表示曲線的交點(diǎn)。1.直流分析令VDD=0，相應(yīng)的V和I都為0，方程組簡(jiǎn)化為下圖中Q點(diǎn)即為方程組的解：通常將管外電路方程所描繪的直線稱為晶體二極管的負(fù)載線2.交流分析在(VDD

＋VDD)的作用下，管外電路方程代表的負(fù)載線是一組斜率為－1/R、且隨VDD變化而平行移動(dòng)的直線。若設(shè)VDD=Vmsint，負(fù)載線將隨著t的變化而平行移動(dòng)，這些負(fù)載線和二極管伏安特性曲線的交點(diǎn)也呈現(xiàn)正弦變化，而交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓和電流就是t取不同值時(shí)得到的二極管上的響應(yīng)，即為所求。二、等效電路分析法例：如圖所示，兩個(gè)二極管的VD(on)為0.7V,RD=100,試畫(huà)出Vo隨VI變化的傳輸特性。VI<25V時(shí)，兩二極管截止，Vo=VDD2=25VVI>25V時(shí)，D1導(dǎo)通，D2仍然截止時(shí):VO=VDD1時(shí),D2導(dǎo)通,VO=100V,1.直流分析解：2.交流分析例：如圖所示電路，已知IQ=0.93mA,R=10k,rs=5

,

VDD=sin2*100t(V),求V。解：將a圖用小信號(hào)模型表示，如圖b所示。

習(xí)題講解即將電路中二極管用簡(jiǎn)化電路模型代替，利用所得到的簡(jiǎn)化電路進(jìn)行分析、求解。

將截止的二極管開(kāi)路，導(dǎo)通的二極管用直流簡(jiǎn)化電路模型替代，然后分析求解。(1)估算法

判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？假設(shè)電路中二極管全部開(kāi)路，分析其兩端的電位。理想二極管：若V>0，則管子導(dǎo)通；反之截止。實(shí)際二極管：若V>VD(on)，管子導(dǎo)通；反之截止。當(dāng)電路中存在多個(gè)二極管時(shí)，正偏電壓最大的管子優(yōu)先導(dǎo)通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。第1章晶體二極管1-15（p46)

設(shè)二極管是理想的，求VAO值。圖(a)，假設(shè)D開(kāi)路，則D兩端電壓：VD=V1–V2=(–6–12)V=–18V<0V，解：故D截止。VAO=12V。+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3k(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3k6V9V(b)圖(b)，假設(shè)D1、D2開(kāi)路，則D兩端電壓：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V。

由于VD2>VD1，則D2

優(yōu)先導(dǎo)通。此時(shí)VD1

=–6V<0V，故D1

截止。VAO=–V1=–6V。第1章晶體二極管(2)畫(huà)輸出信號(hào)波形方法根據(jù)輸入信號(hào)大小判斷二極管的導(dǎo)通與截止找出vo

與vi

關(guān)系畫(huà)輸出信號(hào)波形。1-18(p47)設(shè)二極管是理想的，vi

=6sint(V)，試畫(huà)vo波形。解：vi>2V時(shí)，D導(dǎo)通，則vO

=vivi

2V時(shí)，D截止，則vO

=2V由此可畫(huà)出vO

的波形。

+-DV+-+-2V100Rvovit62OVi/VVo/VtO26第1章晶體二極管1.4晶體二極管的應(yīng)用電源設(shè)備組成框圖：電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路vivotvitv1tv2tv3tvo第1章晶體二極管

整流電路1.4.1整流與穩(wěn)壓電路D+-+-RvOvi當(dāng)vi>0V時(shí)，D導(dǎo)通，則vO

=vi當(dāng)vi

0V時(shí)，D截止，則vO

=0V由此，利用二極管的單向?qū)щ娦?，?shí)現(xiàn)了半波整流。

若輸入信號(hào)為正弦波：

平均值：

VOtOvitOvO第1章晶體二極管VimVim單相橋式整流電路

穩(wěn)壓電路某原因VOIZI限流電阻R：保證穩(wěn)壓管工作在IZmin