1、課程概述,電子線路：指包含電子器件，并能對電信號 實現(xiàn)某種處理的功能電路。,電路組成：電子器件 + 外圍電路,電子器件：二極管、場效應(yīng)管、集成電路。,外圍電路：直流電源、電阻、電容、電流源 電路等。,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,1.2PN 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：,PN 結(jié)正偏(P 接 +、N 接 -)，D 導(dǎo)通。,晶體二極管的主要特性：單方向?qū)щ娞匦?PN 結(jié)反偏(N 接 +、P 接 -)，D 截止。,即,主要用途：用于整流、開關(guān)、檢波電路中。,晶體二極管,實際二極管的照片,電路符號,1.1半

2、導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識,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)及簡化模型：,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。,硅和鍺共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖：,1.1.1本征半導(dǎo)體,晶體二極管,在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。,硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：,本征激發(fā),共價鍵具有很強的結(jié)合力。 當(dāng) T = 0 K(無外界影響) 時，共價鍵中無自由移動的電子。,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)。(

3、動畫),晶體二極管,在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。,當(dāng)原子中的價電子激發(fā)為自由電子時，原子中留下空位，同時原子因失去價電子而帶正電。,當(dāng)鄰近原子中的價電子不斷填補這些空位時形成一種運動，該運動可等效地看作是空穴的運動。,注意：空穴運動方向與價電子填補方向相反。,自由電子 帶負(fù)電,半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子,空穴的運動,空 穴 帶正電,溫度一定時： 激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動態(tài)平衡。,熱平衡載流子濃度,熱平衡載流子濃度：,N 型半導(dǎo)體： (動畫),1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體,簡化

4、模型：,本征半導(dǎo)體中摻入少量五價元素構(gòu)成。,Negative,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。,P 型半導(dǎo)體(動畫),簡化模型：,本征半導(dǎo)體中摻入少量三價元素構(gòu)成。,在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生 一個空穴。這個空穴可

5、能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。,雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計算,1.1.3兩種導(dǎo)電機理漂移和擴散,漂移與漂移電流,載流子在電場作用下的運動稱漂移運動，所形成的電流稱漂移電流。,總漂移電流密度：,半導(dǎo)體的電導(dǎo)率,電壓： V = E l,電流： I = S Jt,電阻：,電導(dǎo)率：,載流子在濃度差作用下的運動稱擴散運動，所形成的電流稱擴散電流。,擴散電流密度：,擴散與擴散電流,1.2PN 結(jié),利用摻雜工藝，把 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體在原子級上緊密結(jié)合，P 區(qū)與 N 區(qū)的交界面就形成了 PN 結(jié)。,N 型,PN 結(jié),1.空間電荷區(qū)中沒

6、有載流子。,2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴.N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。,3.P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,注意:,1.2.1動態(tài)平衡下的 PN 結(jié),阻止多子擴散,利于少子漂移,PN 結(jié)形成的物理過程(動畫),內(nèi)建電位差：,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。,1.2.2PN 結(jié)的伏安特性,PN 結(jié)單向?qū)щ娞匦?I,二極管,一、PN 結(jié)正向偏置(動畫),P,N,+,_,內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。,PN 結(jié)單向?qū)щ娞匦?IR,結(jié)論：P

7、N 結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦浴?二、PN 結(jié)反向偏置(動畫),N,P,+,_,內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。,R,E,二極管的單向?qū)щ娦苑抡?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)來描述：,其中：,IS 為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無關(guān)，但受溫度影響很大。,正偏時：,反偏時：,PN 結(jié)伏安特性曲線,溫度每升高 10，IS 約增加一倍。,溫度每升高 1， VD(on) 約減小 2.5 mV。,O,1.2.3PN 結(jié)的擊穿特性,O,因為 T 載流子運動的平均自由路程 V(BR)。,擊穿電壓的溫度特性,雪崩擊穿電壓

8、具有正溫度系數(shù)。,齊納擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。,因為 T 價電子獲得的能量 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,穩(wěn)壓仿真,1.2.4PN 結(jié)的電容特性,勢壘區(qū)內(nèi)空間電荷量隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。,勢壘電容 CT,擴散電容 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)。,PN 結(jié)電容,PN 結(jié)反偏時，CT CD ，則 Cj CT,PN 結(jié)總電容： Cj = CT + CD,PN 結(jié)正偏時，CD CT ，則 Cj CD,故：PN 結(jié)正偏時，以 CD 為主。,故：PN 結(jié)反偏時，以

9、 CT 為主。,通常：CD 幾十 pF 幾千 pF。,通常：CT 幾 pF 幾十 pF。,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 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：,便于計算機輔助分析的數(shù)學(xué)模型,適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型,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：,rS 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及表面 漏電流的影響，實際 IS 理想 IS。,晶體二極管,曲線模型伏安特性曲線,晶體二極管的伏安特性曲線，通常由實測得到。,簡化電路模型,折線等效：

10、在主要利用二極管單向?qū)щ娦缘碾娐分校?實際二極管的伏安特性。,理想狀態(tài)：與外電路相比，VD(on) 和 RD 均可忽略時， 二極管的伏安特性和電路符號。,開關(guān)狀態(tài)：與外電路相比，RD 可忽略時的伏安特性。,簡化電路模型：折線等效時，二極管的簡化電路模型。,小信號電路模型,rs：PN 結(jié)串聯(lián)電阻，數(shù)值很小。,rj：為二極管增量結(jié)電阻。,Cj：PN 結(jié)結(jié)電容，由 CD 和 CT 兩部分構(gòu)成。,注意：高頻電路中，需考慮 Cj 影響。因高頻工作時， Cj 容抗很小，PN 結(jié)單向?qū)щ娦詴?Cj 的交流 旁路作用而變差。,圖解法,分析二極管電路主要采用：圖解法、簡化分析法、小信號等效電路法。(重點掌握簡

11、化分析法),寫出管外電路直流負(fù)載線方程。,1.3.2晶體二極管電路分析方法,利用二極管曲線模型和管外電路所確定的負(fù)載線，通過作圖的方法進(jìn)行求解。,要求：已知二極管伏安特性曲線和外圍電路元件值。,分析步驟：,作直流負(fù)載線。,分析直流工作點。,優(yōu)點：直觀。既可分析直流，也可分析交流。,例 1已知電路參數(shù)和二極管伏安特性曲線，試求電路的 靜態(tài)工作點電壓和電流。,Q,由圖可寫出直流負(fù)載線方程：V = VDD - IR,在直流負(fù)載線上任取兩點：,解：,VDD,VDD/R,連接兩點，畫出直流負(fù)載線。,VQ,IQ,令 I = 0，得 V = VDD；,令 V = 0，得 I = VDD / R；,所得交點(

12、VQ , IQ)，即為 Q 點。,簡化分析法,即將電路中二極管用簡化電路模型代替，利用所得到的簡化電路進(jìn)行分析、求解。,將截止的二極管開路，導(dǎo)通的二極管用直流簡化電路 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)電路中存在多個二極管時，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)。,晶體二極管,例 2設(shè)二極管是理想的，求 VAO 值。,圖(a)，假設(shè) D 開路，則 D 兩端電壓：,VD = V1 V2 =

13、( 6 12)V = 18 V 0 V，,解：,故 D 截止。,VAO = 12 V。,圖(b)，假設(shè) D1、D2 開路，則 D 兩端電壓：,VD1=V2 0 = 9 V 0 V，,VD2 = V2 (V1) = 15 V 0 V。,由于 VD2 VD1 ，則 D2 優(yōu)先導(dǎo)通。,此時 VD1 = 6 V 0 V，,故 D1 截止。,VAO = V1 = 6 V 。,(2)畫輸出信號波形方法,根據(jù)輸入信號大小 判斷二極管的導(dǎo)通與截止 找出 vo 與 vi 關(guān)系 畫輸出信號波形。,例 3設(shè)二極管是理想的，vi = 6sint (V)，試畫 vo波形。,解：,vi 2 V 時，D 導(dǎo)通，則 vO =

14、 vi,vi 2 V 時，D 截止，則 vO = 2 V,由此可畫出 vO 的波形。,小信號分析法,即將電路中的二極管用小信號電路模型代替，利用得到的小信號等效電路分析電壓或電流的變化量。,分析步驟：,將直流電源短路，畫交流通路。,用小信號電路模型代替二極管，得小信號等效電路。,利用小信號等效電路分析電壓與電流的變化量。,1.4晶體二極管的應(yīng)用,電源設(shè)備組成框圖： (動畫),晶體二極管,整流電路,1.4.1整流與穩(wěn)壓電路,當(dāng) vi 0 V 時，D 導(dǎo)通，則 vO = vi,當(dāng) vi 0 V 時，D 截止，則 vO = 0 V,由此，利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢崿F(xiàn)了半波整流(動畫) 。,若輸入信號

15、為正弦波：,平均值：,VO,t,O,vO,Vim,Vim,橋式整流電路的仿真,整流后的波形,VD1開路,整流后的波形,半波,穩(wěn)壓電路,某原因 VO IZ I ,限流電阻 R：保證穩(wěn)壓管工作在 IZmin IZmax 之間,穩(wěn)壓原理：,VO = VZ,輸出電壓：,1.4.2限幅電路(或削波電路),V2 vi V1 時，D1、D2 截止，vo = vi,Vi V1 時，D1 導(dǎo)通、D2 截止，vo = V1,Vi V2 時，D2 導(dǎo)通、D1 截止，vo = -V2,由此 ，電路實現(xiàn)雙向限幅功能。,其中：V1 為上限幅電平， V2 為下限幅電平。,補: 半導(dǎo)體器件的種類及發(fā)展,、種類： 二極管、三極

16、管、場效應(yīng)管、集成電路（IC） Integrated Circuit,、發(fā)展： 電子器件的更新?lián)Q代推動電子技術(shù)的發(fā)展，其中 電子學(xué)發(fā)展史上三個重要里程碑： 1)1906年電子管發(fā)明（進(jìn)入電子時代） 2)1948年晶體管問世（半導(dǎo)體器件） 3)60年代集成電路出現(xiàn)(進(jìn)入信息時代),目前，貝爾實驗室正研制超小體積和超低功耗的第四代半導(dǎo)體器件，它的問世將掀起電子技術(shù)新革命:,1第一代電子器件電子管 1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）等發(fā)明，可實現(xiàn)整流、穩(wěn)壓、檢波、放大、振蕩等多種功能電路。 電子管體積大、重量重、壽命短、耗電大。世界上第一臺計算機用1.8萬只電子管，占地170m2，重30t，