《模拟电子电路》课件.ppt

第一章半导体基础及应用电路 1 1半导体基础知识 1 2PN结原理 1 3晶体二极管及应用应用 返回 1 1半导体基础知识 1 1 1本征半导体 1 1 2杂质半导体 1 1 3漂移电流与扩散电流 引言 返回 1 1半导体材料及导电特性 返回 1 1 1本征半导体 返回 当Si 或Ge 原子组成单晶体后 各原子之间有序 整齐的排列在一起 原子之间靠得很近 价电子不仅受本原子的作用 还要受相邻原子的作用 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个才能处于稳定状态 1 1 1本征半导体 intrinsicsemiconductor 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 二 本征激发和两种载流子 返回 三 本征载流子 intrinsiccarrier 浓度 返回 1 1 2杂质半导体 donorandacceptorimpurities 返回 一 N型半导体 NTypesemiconductor 5 返回 在本征半导体中掺入5价元素的杂质 砷 磷 锑 就成为N型杂质半导体 一 N型半导体 NTypesemiconductor 5 返回 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型半导体中自由电子数目很高 浓度大 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 二 P型半导体 Ptypesemiconductor 返回 在本征半导体中掺入3价元素 如B硼 就成为P型半导体 二 P型半导体 Ptypesemiconductor 返回 三 杂质半导体中的载流子浓度 本征半导体中载流子由本征激发产生 ni pi 掺杂半导体中 NorP 掺杂越多 多子浓度 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 ni2 P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 三 杂质半导体中的载流子浓度 2电中性条件 整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等 N型 ND表示施主杂质浓度 则 nn ND pn P型 NA表示受主杂质浓度 pp NA np 由于一般总有 ND pnNA np 返回 1 1 3漂移电流与扩散电流 半导体中有两种载流子 电子和空穴 这两种载流子的定向运动会引起导电电流 引起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 driftcurrent 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 二 扩散电流 diffusioncurrent 返回 1 2PN结 1 2 2PN结的单向导电特性 1 2 1PN结的形成及特点 返回 1 2PN结 返回 1 2 1PN结的形成及特点 1 PN结的形成 返回 空间电荷区 spacechargeregion 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度差 导致载流子的扩散运动 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 具有消弱内建电场E的作用 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 达到热平衡 动态平衡 PN结中总电流为零 空间电荷区宽度稳定形成PN结 2 PN结的特点 返回 1 2 2PN结的单向导电特性 返回 1 正向偏置 正向电流 返回 仿真 2 反向偏置 反向电流 返回 仿真 1 3晶体二极管及应用 1 3 2二极管的电阻 1 3 3二极管的交流小信号等效模型 1 3 4二极管应用电路 1 3 1晶体二极管的伏安特性引言 返回 1 3 5稳压管 1 3 6PN结电容 1 3 7PN结的温度特性 1 3 8二极管主要参数 1 3晶体二极管及应用 1 3 1晶体二极管的伏安特性 返回 1 3 1晶体二极管的伏安特性 返回 UBR UBR 返回 二极管击穿后端电压几乎不变 具有稳压特性 返回 Si iR IS Ge UBR UBR 1 0 iD uD Si Ge uD 忽略R上的电压 1 3 2二极管的电阻 返回 电路仿真 iD iD 1 3 3二极管的等效模型 返回 a 伏安特性曲线 UON UON 1 理想开关模型 2 恒压源模型 3 折线近似模型 例1 1 Si二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电路如图1 25所示 求二极管工作点UD和ID的值 解 将二极管用恒压源模型近似 对于导通的Si管 其工作点电压UD变化不大 可取UD UON 0 7V 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ID2和电压UO 假设每个二极管的UON 0 7V 解题技巧 1 假设二极管的状态 如果假设一个二极管导通 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UD UON 那么假设就是正确的 如果分析的结果显示ID 0和UD UON 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 UA 7 62V和UB 6 92V 代入上式可得 ID2 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 电路仿真 2 二极管的交流小信号等效模型 返回 1 3 4二极管应用电路 1整流电路 ui 0 二级管截止 iD 0 uo 0 ui 0 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时 VD1和VD2都截止 回路中的电流iD 0 uo ui 如果 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 ui UON VD1截止VD2导通 回路中的电流 uo UON 电路仿真 返回 iD 1 3 4二极管应用电路 3二极管钳位电路 钳位电路是一种能改变信号的直流电压成分的电路 下图是一个简单的二级管钳位电路的例子 当ui 2 5V时 VD导通 回路中的电流iD对电容C充电 由于rd较小 充电时间常数 Crd很小 充电迅速 使 电路仿真 返回 uc