大工12秋《模拟电子线路》辅导资料一.doc

大连理工大学网络教育学院模拟电子线路辅导资料一主 题：课件第1章绪论、第2章半导体二极管及其基本电路学习时间：2012年9月30日10月7日内 容：我们这周主要学习第1章绪论以及第2章半导体二极管及其基本电路的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对二极管相关知识的理解。一、学习要求1了解模拟电子线路的课程性质、作用和基本内容。2掌握模拟电子线路课程的学习方法。3正确理解PN结。4熟练掌握器件（二极管）的工作原理、特性和主要参数。5正确理解模型分析法及典型应用。 6会查阅电子器件手册。重点难点分析：1重点：模拟电子线路课程的学习方法；二极管的外特性、主要参数。2难点：PN结的基本原理；模型分析法。二、主要内容1绪论电子技术发展迅速，新的器件和电路层出不穷，学习本课程时一定要抓住基本概念和基本理论，注意正确的学习方法，掌握本课程的一些与数学、物理、电工基础等课程不同的独特分析方法。这些分析方法有:（1）估算在数学等课程中，要求计算的结果完全准确。但是，在对电子线路进行分析和计算时，常常根据实际情况作合理的近似，即忽略次要因素，突出主要矛盾，这就是工程估算。采用工程估算的方法，不但可以使计算简单，而且使物理概念更加清楚。否则，如果一味追求“严密”与“准确”，则必然使问题复杂化。更何况由于电子元器件参数的分散性和实际电路中各种寄生因素的影响，任何严格的计算都不可能得到与实际完全一致的精确结果，因此严格的计算也就没有实际意义了。例如，两个阻值相差10倍以上的电阻并联，由于它们的数量级不同，则可忽略大阻值的电阻，近似认为并联后的阻值近似等于阻值小的电阻阻值。（2）等效电子线路中的电子器件，其电流与电压关系（称为伏安特性）是非线性的。但是，在一定的条件下，电子器件的非线性特性退居次要的地位，这时就可把它近似看成一个线性器件，于是整个电子线路就可用一个线性电路来等效，从而用线性电路的求解方法进行分析和计算，这就是等效的方法。例如，对于放大电路中的三极管，在分析电压增益、输入电阻和输出电阻时可用其低频小信号模型，在分析上限截止频率时可用其高频等效模型。2半导体的基本知识（1）半导体材料根据物体导电能力的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。多数现代电子器件是由性能介于导体与绝缘体之间的半导体材料制造而成的。典型的半导体材料有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。（2）半导体的共价键结构见图1。图1 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构（3）本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。这一现象称为本征激发，也称热激发。可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。（4）杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子钟的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。图2 N型半导体的共价键结构在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。图3 P型半导体的共价键结构在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。3PN结及其单向导电性（1）PN结的形成 PN结合因多子浓度差多子的扩散空间电荷区形成内电场阻止多子扩散，促使少子漂移。图4 载流子的扩散运动图5 平衡状态下的PN结由浓度差产生的运动为扩散运动，由电场作用所产生的运动为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。（2）PN结的单向导电性加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区 图6 外加正向电压下的PN结PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。加反向电压电源正极接N区，负极接P区 图7 外加反向电压下的PN结PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。4半导体二极管（1）组成：将PN结封装，引出两个电极，就构成二极管。图8 二极管封装（2）伏安特性图9 二极管伏安特性曲线第段为正向特性，在正向特性的起始部分，由于正向电压较小，正向电流几乎为零。当正向电压大于门坎电压Vth时，电流迅速增长，二极管正向导通。第段为反向特性，在反向电压作用下，形成反向饱和电流。第段为反向击穿特性，当反向电压增加到一定大小时，反向电流剧增。V-I特性关系式：-为通过二极管的电流；-为二极管两端的外加电压；-为反向饱和电流；-为温度的电压当量，在室温下，。（3）二极管的主要参数最大整流电流：二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流。最大反向工作电压：二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压。反向电流：指管子未击穿时的反向电流，其值愈小，管子的单向导电性愈好。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(mA)级。（4）二极管的等效电路将伏安特性折线化（a）理想模型 （b）恒压降模型 （c）折线模型图10 理想模型：如图10（a）所示。在正向偏置时，二极管导通，其管压降=0V；而当二极管反偏时，认为它的电阻无穷大，=0。恒压降模型：如图10（b）所示。在二极管导通后，认为=常数，不随变化，典型值为0.7V（硅管）。折线模型：如图10（c）所示。在恒压降模型的基础上，作一定的修正，较真实地描述二极管V-I特性，即认为二极管的管压降是随着二极管导通电流的增加而增加的。微变等效电路图11小信号模型：如在二极管电路中，除直流电源外，还有小信号电压加入，则可在静态工作点附近工作，把V-I特性线性化处理，得到小信号模型如图11所示。图中称为动态电阻，在常温下，。的值与静态工作点的位置有关。三、习题（单选题）1. PN结加正向电压时，空间电荷区将（ ）。A.变窄 B.不变 C.变宽 D.不确定答案：A2. 半导体二极管的重要特性之一是（ ）。A.温度稳定性 B.单向导电性 C.放大作用 D.滤波特性答案：B3.当外加偏置电压不变时，若工作温度升高，二极管的正向导通电流将 （ ）。A.增大 B.减小 C.不变 D.不确定答案：A4. 当温度升高时，二极管