1+第1章绪论+第3章二极管.ppt

,模拟电子技术基础,(Electronics),西北工业大学电子信息学院,齐敏,1绪论,(Introduction),1.1课程介绍1.2电子电路及其信号1.3模拟电路研究内容1.4本课程的特点1.5课程要求1.6本课程的内容框架1.7怎样学好这门课,1.1.1大学课程分类：三大平台a)基础课体现了学历教育和大学教育的基础性大学必修课特点：课时多，教学内容基本稳定。,1.1课程介绍,b)专业（技术）基础课反映了学科和专业方向的基础性学科必修课，是学院的平台课特点：课时较多；承前启后；内容相对稳定，但有发展。,c)专业课反映了专业的应用性是专业方向必修课和选修课特点：分模块，课时少，内容变化快。,1.1.2本课程的地位是工科重要的专业（技术）基础课是电子线路课程体系的第一门课，是电子信息类专业的主干课程是强调硬件应用能力的工程类课程是工程师训练的基本入门课程是很多重点大学的考研课程,现代社会赖以生存三大要素：材料（物质）、能源（能量）、信息信息技术(InformationTechnology，IT)时代是以电子和微电子技术的充分发展为基础的。电子技术在国防、科学、工业、医学、通信及文生活等各个领域中起到巨大的作用。,1.2电子电路及其信号,1.2.1电子技术的应用目标是处理信号信号的产生、传输和处理。电子线路是信号的载体，信号是信息的载体。,1.2.2电子技术研究对象是硬件电子器件(Electronicdevice)电子电路（线路）(Electroniccircuit)电子系统(Electronicsystem),电阻（Resistance，R）电容（Capacitance，C）电感（Inductance，L）变压器（Transformer，Tr）,1.2.3电子元器件,二极管(Diode，D)三极管(Transistor，T)集成电路（IntegratedCircuit,IC）,电阻,精密型金属膜电阻器,金属氧化膜电阻器,大功率电阻器,贴片电阻器,压敏电阻器,热敏电阻器,贴片电容,陶瓷电容器,电解电容,电容,涤纶电容,云母电容、钽(tn)电解电容（“但”电容）等。,贴片电感,色码电感,传输线圈,电感线圈,电感,二极管,发光二极管,三极管,集成电路芯片,集成电路插座,集成电路,模拟电路：产生和处理模拟信号的电子电路。数字电路：产生和处理数字信号的电子电路。,a)信号：指变化的电压或电流电信号。两类：模拟信号和数字信号。,1.2.4电子电路分类,按信号的连续性分类,模拟电路(Analogcircuit),数字电路(Digitalcircuit),b)模拟信号：信号的振幅随时间呈连续变化。如语音（音频）信号、图像（视频）信号、模拟温度、压力的物理量检测信号等。,采样数据信号：时间离散，数值（幅度）连续,模拟信号：时间和数值（幅度）都连续,c)数字信号：时间和幅值都是离散。如开关信号、脉冲信号、计算机编码信号等。,d)模拟电路分类根据信号频率分为：低频电路(LowFrequencyCircuit)高频电路(HighFrequencyCircuit)微波电路(MicrowaveCircuit),根据器件模型分为：非线性电路(NonlinearCircuit)线性电路(LinearCircuit),1.2.5电子系统通常指由若干相互连接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体。一般要求：规模比较大、功能比较完整、有控制部分。,一般电子系统组成框图,1.3模拟电路研究内容,1、电子器件：器件的工作原理、特点、电特性、电模型。,2、电子电路：电路的工作原理、特点、分析方法、电路设计方法。包括：,3、电子电路应用：,分立元件电子电路、集成电路。,1、电子器件是非线性的，精确求解I(V)关系比较复杂，采用工程近似估算法。,一定条件下线性化处理，重工程。,“电路”课重模型重拓扑结构重线性,1.4本课程的特点,2、有很多微观、细节的问题。,BJT输入特性曲线,BJT输出特性曲线,4、器件的特性具有离散性。,3、RC的实际值与标称值有差异。,5、器件特性随温度、时间改变。,例：标称值1K的电阻：10%5%1%0.1%实际值：9001100950105099010109991001,1.5课程要求,1、基本理论：电路的工作原理与分析方法（重点）,2、基本知识：器件、电路的性能、应用，器件以外特性为主。,3、基本技能：,实验能力、运算能力、读图能力、仪器使用、查手册资料等。,“四基”：基本概念、基本原理、基本分析方法、基本应用。,1.6本课程的内容框架,第一条主线基本放大器,1.半导体器件,1）静态（直流）工作点：IB，IC，VCE。,2）交流指标：Av，Ri，Ro。,2.基本放大电路：不同电路，不同公式。,3）放大电路的频率响应：fH，fL，BW，GBW。,4）功率放大电路。,3.改善放大器的性能,引入负反馈。,第二条主线集成电路运算放大器,1.集成运放的内部电路,2.集成运放的应用,1）两个基本电路,2）加法电路、减法电路,3）比较器,4）滤波器,第三条主线两源,1.信号源：正弦波信号发生器,2.电源：直流稳压电源,牢固掌握基本理论、基本概念和基本方法。学好电路基础课（必要条件）。注意理论与实际相结合。强调工程的观点。强调自学能力，注意学习方法：善于总结对比，寻求内在规律，增强抽象能力。入门时可能会遇到一些困难。注意不断改进、总结和调整、提高。,1.7怎样学好这门课,本章结束,3半导体二极管及其基本电路,(DiodesandDiodeCircuits),3.0半导体器件的种类及发展3.1半导体的基本知识3.2PN结的形成及特性3.3半导体二极管3.4二极管基本电路及其分析方法3.5特殊二极管,3半导体二极管及其基本电路,(DiodesandDiodeCircuits),3.0半导体器件的种类及发展,、种类：二极管、三极管、场效应管、集成电路（IntegratedCircuit，IC）,、发展：电子器件的更新换代推动电子技术的发展，其中电子学发展史上三个重要里程碑：1)1906年电子管发明（进入电子时代）2)1948年晶体管问世（半导体器件）3)60年代集成电路出现(进入信息时代),1)第一代电子器件电子管1906年，福雷斯特（LeeDeFordst）等发明，可实现整流、稳压、检波、放大、振荡等多种功能电路。电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。,ENIAC：ElectronicNumericalIntegratorandCalculator电子数字积分器和计算器,1946年由美国生产的世界上第一台计算机“埃尼阿克”（ENIAC）用了1.8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。,2)第二代电子器件晶体管（半导体三极管）1948年，肖克利（W.Shckly）等发明，在体积、重量等方面性能优于电子管。但是，由成百上千只晶体管和其他元件组成的分立电路体积大、焊点多，可靠性差。,3)第三代电子器件集成电路1958年，基尔白等设想将管子、元件和线路集成封装在一起，三年后集成电路实现了商品化。IC按集成度分:类别元件个数/晶体管数小规模集成电路(SmallScaleIntegration，SSI):10102中规模集成电路(MediumScaleIntegration，MSI):102103大规模集成电路(LargeScaleIntegration，LSI):103105超大规模集成电路(VeryLargeScaleIntegration，VLSI):105特大规模集成电路(UltraLargeScaleIntegration，ULSI),微机电系统(MicroElectroMechanicalSystems，MEMS),外形尺寸在毫米量级，组成元器件尺寸在纳米、微米量级。将信号探测、处理、控制和执行各子系统集成于一体的可运作微型机电装置。例：德国工程师制成黄蜂大小的能升空的直升飞机应用：军事（小型间谍飞机）,单芯片系统(systemonchip),一片单芯片系统一颗卫星,微型计算机（嵌入衣服、皮包中）,微型手机（耳机大小，一年充电一次）,目前，贝尔实验室正研制超小体积和超低功耗的第四代半导体器件，它的问世将掀起电子技术新革命:,4)第四代半导体器件发展趋势,科学家研制出可计数事件的生物电路,美国麻省理工大学和波士顿大学的工程师设计出了一种可以计算并“记忆”细胞事件的细胞，通过使一系列因子按照特定顺序活动而形成的简单电路来实现。这种电路与电脑芯片中的类似，能够用于计数细胞分裂的次数或者研究某个发展阶段的顺序，也能用作生物传感器来计数不同毒素的方位。研究小组开发了两种细胞计数器，虽然这种细胞电路与电脑的类似，研究者的意图却并非制造微型生物电脑。两篇论文的第一作者之一，哈佛大学研究生TimothyLu说：“我认为生物电路并不一定能够完成电脑能够完成的事情。”他认为，在细胞内进行精细的计算将非常困难，因为控制活细胞要比硅芯片困难的多。取而代之的是，研究者专注于设计微型的部件来完成特别的任务。另一名第一作者AriFriedland说：“我们的目标是设计一种能够完成细胞一些方面功能的工具”。,3.1半导体的基本知识,3.1.1半导体（Semiconductor）材料物体的导电性：导体原子核外层电子数小于4，铜、铝等；绝缘体原子核外层电子数接近8，玻璃、陶瓷等；半导体原子核外层电子数等于4，硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。半导体特点:导电能力可控（受控于光照、温度、掺杂等）,载流子(Carrier)的种类：导体自由电子（数量很多）绝缘体几乎没有半导体自由电子、空穴,半导体的两种载流子是构成半导体器件的关键因素。,3.1.2半导体的共价键(covalentbond)结构,Si硅原子（原子序数14）,Ge锗原子（原子序数32）,(b)硅晶体的空间排列,(a)共价键结构平面示意图,半导体是空间排列有序的晶体(crystal),1、本征半导体(IntrinsicSemiconductor),纯净无掺杂的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,半导体的分类：本征半导体、杂质半导体区别在于组成材料的元素、载流子构成数量不同，从而导致两种半导体导电能力的大小不同。,3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用,例判断对错：本征半导体是指没有掺杂的纯净半导体。,（）,改为“纯净的半导体晶体”。不仅与掺杂有关而且与结构有关,intrinsic:(指价值、性质)固有的,内在的,本质的,本征激发：价电子获得能量挣脱原子核的束缚，成为自由电子，从而可能参与导电。这一现象称为本征激发。也称热激发。,T=0K(-273C)和没有外界激发时：四个价电子(bondedelectron)受共价键束缚，不能自由移动，是束缚电子，不能参与导电。,2、本征激发,T=300K(室温)时：产生自由电子。,本征激发产生两种载流子：自由电子空穴（成对出现）即：电子空穴对(ElectronHolePair),空穴：价电子离开共价键后留下的空位。,自由电子：负电荷空穴：正电荷(空位处原子核正离子)代表束缚电子产生的电流(方向相反),判断：半导体整体呈电中性,空穴运动是一个虚拟概念。,（）,空穴是半导体区别于导体的重要特点,复合(recombination)：自由电子释放能量而进入有空位的共价键，使自由电子和空穴成对消失，这一现象称为复合。,本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!,本征激发和复合的过程,温度一定,激发与复合动态平衡,载流子数确定,缺点：载流子少，导电性差，温度稳定性差！,a)本征载流子浓度：电子浓度=空穴浓度b)导电能力很弱：室温下只有极少数原子的价电子受激发产生电子空穴对，如硅约三万亿分之一。c)导电性能对温度很敏感：本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大。,应用：热敏电阻性元件,3、本征半导体特点,N型半导体(Negative)五价元素(磷)，施主杂质/N型杂质(Donorimpurities)自由电子、空穴、正离子自由电子数空穴数（多子）（少子）,3.1.4杂质半导体(ExtrinsicSemiconductor),1、概念：在本征半导体中掺入少量其它元素(杂质)的半导体。,P型半导体(Positive)三价元素(硼)，受主杂质/P型杂质(Acceptorimpurities)自由电子、空穴、负离子空穴数自由电子数（多子）（少子）,类型：掺杂：电荷：载流子：,N型半导体(n-typesemiconductor),P型半导体(p-typesemiconductor),1）施主杂质、受主杂质：“主”指的是电子。,2）N型杂质、P型杂质：“N、P”指掺入的杂质提供的多子是什么性质的。,3）以P型半导体为例，束缚电子填补空穴的运动等效于空穴发生位移，离开杂质原子。可以理解为受主杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子。,P型半导体,空穴,受主离子,受主离子,空穴,2、杂质半导体特点：多子主要由杂质原子提供，所以其浓度主要取决于掺杂浓度，受温度影响小；少子由热激发形成，所以其浓度主要取决于本征激发，受温度影响大。,应用：制作集成电路内的电阻元件；制作半导体有源器件的基本材料PN结。,杂质半导体导电能力远大于本征半导体；（百万倍）杂质半导体受温度影响远小于本征半导体。,T=300K室温下，本征硅的空穴和电子浓度：p=n=1.41010/cm3（三万亿分之一）,典型数据：本征硅的原子浓度=4.961022/cm3,浓度基本上相差106/cm3载流子数目剧增！,掺杂后N型半导体中的由电子浓度：n=51016/cm3,3.2PN结(PNJunction)的形成及特性,1.漂移电流,2.扩散电流,3.2.1载流子的漂移与扩散,在电场作用下，载流子定向运动形成的电流。电场越强，载流子浓度越大飘移电流越强。电子导电器件优于空穴导电器件。,由于载流子浓度不均匀，从浓度大处向浓度小处运动，形成扩散电流。扩散电流大小与浓度梯度有关。,电子移动速度约为空穴的3倍,因浓度差多子的扩散运动,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移(Drift),内电场阻止多子扩散(Diffusion),最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡（通过界面的净载流子数=0）。,3.2.2PN结的形成,在边界处相遇复合,由杂质离子形成空间电荷区(PN结),1)PN结实质=空间电荷区(Spacechargeregion)=耗尽层(区)(Depletionlayer),根据某种特征命名,2)PN结宽度与多子(掺杂)浓度的关系,在PN结中，掺杂的多子浓度较高时，则产生相同数量的电荷只需在较窄的区间。,对不同掺杂浓度的PN结：掺杂浓度越高，空间电荷区越窄(薄)；掺杂浓度越低，空间电荷区越宽(厚)。,在一定掺杂浓度下:扩散越强（流过的载流子数量多），空间电荷区越宽(与半导体材料的介电常数有关)；,漂移运动使空间电荷区变窄（少子中和交界面上对方的空间电荷）。,3)PN结的类型不对称结：空间电荷区两边宽度不同。,P+N结,PN+结,对称结：空间电荷区两边宽度相同。,P,N,3.2.3PN结的单向导电性,PN结两端外加不同极性的电压，其导电能力不同。,1.PN结加正向电压（P区正）,外加电压削弱内电场两侧多数载流子向PN节移动PN结变窄,PN结呈现低阻性，IF大（F_Forward）,空穴中和一部分负离子,电子中和一部分正离子,扩散运动漂移运动多子扩散为主正向电流，大,2.PN结加反向电压（N区正）,外加电压加强内电场PN结变宽,结论：PN结正向电流反向电流；正向电阻很小，反向电阻很大；即：PN结外加正向电压导通，外加反向电压截止。-单向导电性（关键：存在耗尽区）,PN结呈现高阻性，反向饱和电流（IS=IR）小。,S_SaturationR_Reverse,空穴远离PN结,电子远离PN结,漂移运动扩散运动少子漂移为主反向电流，小,反向电压，,通常正向电压，,3.PN结V-I特性的表达式,理论分析证明：,：PN结两端的外加电压,：通过PN结的电流,：反向饱和电流,：热电压(分子热运动引起的电压效应/温度的电压当量),T=300K(室温)时：,PN结伏安特性,(D_Diode),n：发射系数，为经验常数(12)。,两种击穿机理：PN结外加反向电压时,当|反向电压|VBR|时，反向电流急剧增大，结电压基本不变，称为PN结的反向击穿（电击穿）。,2)齐纳击穿(Zenerbreakdown)：重掺杂的PN结中。耗尽层薄，强电场直接电离层内本征原子，产生新电子空穴对，反向电流急剧增大。场致击穿。,3.2.4PN结的反向击穿,1)雪崩击穿(Avalanchebreakdown):,轻掺杂的PN结中。耗尽层宽，少子漂移加速，碰撞层内本征原子，产生新电子、空穴对，连锁反应，类似雪崩。碰撞电离。,(ReverseBreakdown，BR),注意：电击穿：可逆的（前提：不超过PN结最大耗散功率），为人所用（如稳压管）热击穿：电击穿后，PN结发热超过耗散功率，过热烧毁。,VBR7V：雪崩击穿；VBRCD，故CCB。,CD、CB均比反偏时大；且CDCB，故CCD,PN结反偏时：,结论：,温度升高时，反向电流呈指数规律增加。硅材料：每升高10，反向饱和电流增大一倍。锗材料：每增加12，反向电流大约增加一倍。正温特性/正温度系数,3.2.6PN结的温度特性,指PN结的三个基本特性受温度影响的特性。,单向导电特性、击穿特性、电容特性,反映了性能是否稳定，决定了器件的使用级别。,1.单向导电特性,温度每升高1，PN结的正向压降减小22.5mV。负温特性/负温度系数,PN结最高温度限制：当温度升高到一定程度，本征激发产生的少子浓度可能达到或超过掺杂（多子）浓度，杂质半导体变得和本征半导体一样，PN结消失。硅(Si)：约为（150200）锗(Ge)：约为（75100）,2.击穿特性,雪崩击穿：正温特性；齐纳击穿：负温特性；两者都有：有可能获得零温特性。,3.电容特性电容量随温度变化。,3.3半导体二极管(Diode),图片,3.3.1半导体二极管的结构,(1)点接触型,二极管=PN结+引线+管壳。类型：点接触型、面接触型和平面型。,PN结面积很小，极间电容很小。适用于高频、小电流。,三价元素,瞬时正向大电流熔接,(3)平面型,(2)面接触型,符号,电路符号（电气图用）,阳极(Anode),阴极(Cathode),理想二极管符号旧的电路符号,PN结面积大，极间电容大。适合整流，不适合高频。,集成电路中,3.3.2二极管的V-I特性,1.正向特性门坎电压(死区电压)：室温下硅管Vth(0.50.6)V锗管Vth(0.10.2)V导通电压VD(on)：硅管0.7V；锗管0.2V。,2.反向特性反向饱和电流：硅管：二极管管压降时,基本思想：,3.4.2二极管电路的简化模型分析法,(2)恒压降模型,使用条件：当iD1mA或iD1mA时。应用较广泛。,二极管导通时：管压降vD=0.7V恒定。,基本思想：,V-I特性,代表符号,Vth=0.5VrD：二极管导通电流=1mA时，管压降=0.7V。即：,V-I特性,代表符号,(3)折线模型,直流电阻,基本思想：二极管导通时，管压降不恒定，随电流增加而增加。,参数的确定：,直流大信号导通状态下的微变关系。,V-I特性上,用V-I特性表达式,V-I特性,代表符号,微变电阻rd(交流电阻)求法：,(T=300K),静态工作点(Q_QuiescentPiont)直流工作状态,(4)小信号模型,说明：直流电阻和交流电阻,直流电阻rD：二极管两端所加直流电压VD与流过二极管的直流电流ID之比。,rD、rd随Q(IDQ,VDQ)变化，是非线性电阻。,交流电阻rd：二极管在其直流工作状态(IDQ,VDQ)处的电压微变量与电流微变量之比。,特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，同一点处的交、直流电阻也不同。,D,vi,vo,t,t,0,0,整流电路中，通常viVD(on)，选择理想模型:VD(on)=0。1、正半周时，vi0，二极管加正向电压（正偏）导通，在理想模型中二极管相当于短路，故vo=vi，输出正半周波形。,2.模型分析法应用举例,(1)二极管整流电路(DiodeRectifier）,整流：将交流电转变为脉动直流电。,半波整流电路,例3.4.2,2、负半周时，vi0，二极管加反向电压（反偏）截止，在理想模型中二极管相当于开路断开，故vo=0，输出零波形。,正半周：D1、D3导通D2、D4截止,负半周D2、D4导通D1、D3截止,例：全波整流电路的输出波形。,(2)二极管电路的静态工作情况分析例3.4.3(旧2.4.1)：求VDD=10、1V时，二极管的电流ID、电压VD值(rD=0.2k)。,理想模型,恒压降模型,解：,a)VDD=10V时,参考电位点,习惯画法,折线模型,电源电压远大于管压降时：恒压降模型与折线模型结果很接近，使用恒压降模型。,b)VDD=1V时:计算方法同上。,模型选择方法,电源电压较低时：恒压降模型误差大，使用折线模型。,理想模型,恒压降模型,折线模型,理想模型,恒压降模型,折线模型,VDD=10V时,例3.4.4使用理想模型和恒压降模型求解。求vI=0,4,6V时，vO=?vI=6sintV，vO波形。,(3)限幅电路（AmplitudeLimiting）,vI=4、6V，二极管导通:,vI=0V，二极管截止，vO=vI。,vO=3V（理想模型）。,vO=3.7V（恒压降模型）。,理想模型,恒压降模型,vI=4、6V，二极管导通:,vI=0V，二极管截止，vO=vI。,解:,例旧2.4.2采用折线模型,设Vth=0.5V，rD=200，求vI=0,4,6V时，vO=?vI=6sintV，vO波形。,vI=6sintV,vO,vI,|vI|0.7V时，D1、D2中有一个导通，|vO|=0.7V,上限幅,下限幅,vI,例：双向限幅电路如图所示，使用恒压降模型。,改变V值就可改变限幅电平,vIVR时，二极管导通，vO=vI。,例：理想二极管电路中vI=VmsintV，求输出波形vO。,解：,vIVR时，二极管截止，vO=VR。,(4)开关电路（电平选择电路）,二极管的单向导电性表现为开关特性。可作为电子开关。,例3.4.5(旧2.4.3)求vI1和vI2不同值组合时的vO值（二极管为理想模型）。,解：,习惯画法,理想模型,基本原则：首先将二极管断开，然后判断其状态是导通或截止。,与逻辑,例：二极管“或”门电路(设二极管为理想模型)。,“与”门电路,例旧2.4.4(新例3.4.6类似)VI=10V，R=10k,若,问vD如何变化？,解:VI=10V时，采用恒压降模型，有：VD=0.7V,ID=(10-0.7)V/10k=0.93mA在此Q点上：,二极管电压变化：,3-4V以下时