电子线路高教第四版电子课件

课程概述电子线路：指包含电子器件，并能对电信号实现某种处理的功能电路。电路组成：电子器件+外围电路电子器件：二极管、场效应管、集成电路。外围电路：直流电源、电阻、电容、电流源电路等。第1章晶体二极管1.0概述1.1半导体物理基础知识1.2PN结1.3晶体二极管电路分析方法1.4晶体二极管的应用概述晶体二极管结构及电路符号：PN结正偏(P接+、N接-)，D导通。PN正极负极晶体二极管的主要特性：单方向导电特性PN结反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、开关、检波电路中。第1章晶体二极管1.1半导体物理基础知识半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅(Si)、锗(Ge)原子结构及简化模型：+14284+3228418+4价电子惯性核第1章晶体二极管硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和锗共价键结构示意图：共价键1.1.1本征半导体第1章晶体二极管本征激发当T升高或光线照射时产生自由电子空穴对。共价键具有很强的结合力。当T=0K(无外界影响)时，共价键中无自由移动的电子。这种现象称注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。本征激发。第1章晶体二极管当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子—带负电半导体中有两种导电的载流子空穴的运动空穴—带正电第1章晶体二极管温度一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：本征半导体中本征激发——产生自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量——复合。T导电能力ni或光照热敏特性光敏特性第1章晶体二极管

N型半导体：1.1.2杂质半导体+4+4+5+4+4简化模型：N型半导体多子——自由电子少子——空穴自由电子本征半导体中掺入少量五价元素构成。第1章晶体二极管P型半导体+4+4+3+4+4简化模型：P型半导体少子——自由电子多子——空穴空穴本征半导体中掺入少量三价元素构成。第1章晶体二极管杂质半导体体中载流浓浓度计算N型半导体(质量作用定理)(电中性方程)P型半导体杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。多子浓度取决于掺杂浓度。第1章晶体二二极管1.1.3两种导电机机理——漂移和扩散散漂移与漂移移电流载流子在电电场作用下下的运动称称漂移运动，，所形成的电电流称漂移电流。。漂移电流密度总漂移电流密度：迁移率第1章晶体二二极管半导体的电电导率电压：V=El电流：I=SJt+-V长度l截面积S电场EI电阻：电导率：第1章晶体二二极管载流子在浓浓度差作用用下的运动动称扩散运动，，所形成的电电流称扩散电流。。扩散电流密密度：扩散与扩散散电流N型硅光照n(x)p(x)载流子浓度xn0p0第1章晶体二二极管1.2PN结利用掺杂工工艺，把P型半导体和和N型半导体在在原子级上上紧密结合合，P区与N区的交界面面就形成了了PN结。掺杂N型P型PN结第1章晶体二二极管1.2.1动态平衡下下的PN结阻止止多多子子扩扩散散出现内建电场开始因浓度差产生空间电荷区引起多子扩散利于于少少子子漂漂移移最终达动态平衡注意：PN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过PN结的电流为零。PN结形形成成的的物物理理过过程程第1章晶晶体体二二极极管管内建电位差：室温时锗管VB

0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V阻挡层宽度：注意意：：掺杂杂浓浓度度(Na、Nd)越大大，，内内建建电电位位差差VB越大大，，阻阻挡层层宽宽度度l0越小小。。第1章晶晶体体二二极极管管1.2.2PN结的的伏安安特特性性PN结———单向向导导电电特特性性P+N内建电场El0+-VPN结正偏阻挡层变薄内建电场减弱多子扩散>>少子漂移多子扩散形成较大的正向电流IPN结导通I电压V电流I第1章晶晶体体二二极极管管PN结———单向向导导电电特特性性P+N内建电场

El0-+VPN结反偏阻挡层变宽内建电场增强少子漂移>>多子扩散少子漂移形成微小的反向电流IRPN结截止IRIR与V近似无关。温度T电流IR结论论：：PN结具具有有单单方方向向导导电电特特性性。。第1章晶晶体体二二极极管管PN结———伏安安特特性性方方程程式式PN结正正、、反反向向特特性性，，可可用用理理想想的的指指数数函函数数来来描描述述：：热电压26mV(室温)其中中：：IS为反反向向饱饱和和电电流流，，其其值值与与外外加加电电压压近近似似无无关关，，但但受受温温度度影影响响很很大大。。正偏偏时时：：反偏偏时时：：第1章晶晶体体二二极极管管PN结———伏安安特特性性曲曲线线IDVVD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN结VD(on)=0.25V锗PN结IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)时随着V

正向R很小I

PN结导通；V<VD(on)时IR很小(IR-IS)反向R很大PN结截止。温度度每每升升高高10℃℃，IS约增增加加一一倍倍。。温度度每每升升高高1℃℃，VD(on)约减减小小2.5mV。第1章晶晶体体二二极极管管O1.2.3PN结的的击穿穿特特性性|V反|

=V(BR)时，IR急剧，

PN结反向击穿。雪崩击穿齐纳击穿PN结掺杂浓度较低(l0较宽)发生条件外加反向电压较大(>6V)

形成原因：碰撞电离。V(BR)IDV形成原因：场致激发。

发生条件PN结掺杂浓度较高(l0较窄)外加反向电压较小(<6V)第1章晶晶体体二二极极管管O因为为T载流流子子运运动动的的平平均均自自由由路路程程V(BR)。击穿穿电电压压的的温温度度特特性性雪崩崩击击穿穿电电压压具具有有正正温温度度系系数数。。齐纳纳击击穿穿电电压压具具有有负负温温度度系系数数。。因为为T价电电子子获获得得的的能能量量V(BR)。稳压压二二极极管管利用用PN结的的反反向向击击穿穿特特性性，，可可制成成稳稳压压二二极极管管。。要求求：：IZmin<IZ<IZmax第1章晶晶体体二二极极管管VZIDVIZminIZmax+-VZO1.2.4PN结的的电容容特特性性势垒垒区区内内空空间间电电荷荷量量随随外外加加电电压压变变化化产产生生的的电电容容效效应应。。势垒垒电电容容CT扩散散电电容容CD阻挡挡层层外外(P区和和N区)贮存存的的非非平平衡衡电电荷荷量量,随外外加加电电压压变变化化产产生生的的电电容容效效应应。。CT(0)CTVOxn少子浓度xO-xpP+N第1章晶晶体体二二极极管管PN结电电容容PN结反反偏偏时时，，CT>>CD，则CjCTPN结总总电电容容：：Cj=CT+CDPN结正正偏偏时时，，CD>>CT，则Cj≈CD故：：PN结正正偏偏时时，，以以CD为主主。。故：：PN结反偏偏时时，，以以CT为主主。。通常常：：CD几十十pF~几千千pF。通常常：：CT几pF~几十十pF。第1章晶晶体体二二极极管管1.3晶体体二二极极管管电电路路分分析析方方法法晶体体二二极极管管的的内内部部结结构构就就是是一一个个PN结。。就就其其伏伏安安特特性性而而言言，，它它有有不不同同的的表表示示方方法法，，或或者者表表示示为为不不同同形形式式的的模模型型：：便于于计计算算机机辅辅助助分分析析的的数学学模模型型适于于任任一一工工作作状状态态的的通用用曲曲线线模模型型直流简化电路模型交流小信号电路模型电路分析时采用的第1章晶晶体体二二极极管管1.3.1晶体体二二极极管管的的模模型型数学学模模型型———伏安安特特性性方方程程式式理想模型：修正模型：其中：n—非理想化因子I正常时：n1I过小或过大时：n

2rS—体电电阻阻+引线线接接触触电电阻阻+引线线电电阻阻注意意：：考虑虑到到阻阻挡挡层层内内产产生生的的自自由由电电子子空空穴穴对对及及表表面面漏电电流流的的影影响响，，实实际际IS理想想IS。第1章晶晶体体二二极极管管曲线线模模型型—伏安安特特性性曲曲线线V(BR)I

/mAV/VVD(on)-IS当V>VD(on)时二极管导通当V<VD(on)时二极管截止当反向电压V

V(BR)时二极管击穿晶体体二二极极管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线，，通通常常由由实实测测得得到到。。第1章晶晶体体二二极极管管简化化电电路路模模型型折线线等等效效：：在主主要要利利用用二二极极管管单单向向导导电电性性的的电电路路中中，，实际际二二极极管管的的伏伏安安特特性性。。IVVD(on)IVOabIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想想状状态态：：与外外电电路路相相比比，，VD(on)和RD均可可忽忽略略时时，，二极极管管的的伏伏安安特特性性和和电电路路符符号号。。开关关状状态态：：与外外电电路路相相比比，，RD可忽忽略略时时的的伏伏安安特特性性。。简化化电电路路模模型型：：折线线等等效效时时，，二二极极管管的的简简化化电电路路模模型型。。第1章晶晶体体二二极极管管小信信号号电电路路模模型型rsrjCjIVQrs：PN结串串联联电电阻阻，，数数值值很很小小。。rj：为二二极极管管增增量量结结电电阻阻。。Cj：PN结结结电电容容，，由由CD和CT两部部分分构构成成。。注意意：：高频频电电路路中中，，需需考考虑虑Cj影响响。。因因高高频频工工作作时时，，Cj容抗很很小小，，PN结单单向向导导电电性性会会因因Cj的交交流流旁路路作作用用而而变变差差。。第1章晶晶体体二二极极管管图解法分析二极极管电路路主要采采用：图图解法、、简化分分析法、、小信号号等效电电路法。。(重点掌握握简化分分析法)写出管外外电路直直流负载载线方程程。1.3.2晶体二极极管电路路分析方方法利用二极极管曲线线模型和和管外电电路所确确定的负负载线，，通过作作图的方方法进行行求解。。要求：已知二极极管伏安安特性曲曲线和外外围电路路元件值值。分析步骤骤：作直流负负载线。。分析直流流工作点点。优点：直观。既既可分析析直流，，也可分分析交流流。第1章晶体体二极管管例1已知电路路参数和和二极管管伏安特特性曲线线，试求求电路的的静态工作作点电压压和电流流。IVQ+-RVDDDI+-V由图可写写出直流流负载线线方程：：V=VDD-IR在直流负负载线上上任取两两点：解：VDDVDD/R连接两点点，画出出直流负负载线。。VQIQ令I=0，得V=VDD；令V=0，得I=VDD/R；所得交点点(VQ,IQ)，即为Q点。第1章晶体体二极管管简化分析析法即将电路路中二极极管用简简化电路路模型代代替，利利用所得得到的简简化电路路进行分分析、求求解。将截止的的二极管管开路，，导通的的二极管管用直流流简化电电路模型替代代，然后后分析求求解。(1)估算法判断二极极管是导导通还是是截止？？假设电路路中二极极管全部部开路，，分析其其两端的的电位。。理想二极极管：若若V>0，则管子导导通；反反之截止止。实际二极极管：若若V>VD(on)，管子导通通；反之之截止。。当电路中中存在多多个二极极管时，，正偏电电压最大大的管子子优先导通通。其余余管子需需重新分分析其工工作状态态。第1章晶体体二极管管例2设二极管管是理想想的，求求VAO值。图(a)，假设D开路，则则D两端电压压：VD=V1–V2=(––6–12)V=–18V<0V，解：故D截止。VAO=12V。。+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3k(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3k6V9V(b)图(b)，假设D1、D2开路，则则D两端电压压：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(––V1)=15V>0V。由于VD2>VD1，则D2优先导通通。此时VD1=–6V<0V，故D1截止。VAO=––V1=–6V。。第1章晶体体二极管管(2)画输出信信号波形形方法根据输入入信号大大小判断二极极管的导导通与截截止找出vo与vi关系画输出信信号波形形。例3设二极管管是理想想的，vi=6sint(V)，试画vo波形。解：vi>2V时，D导通，则则vO=vivi2V时，D截止，则则vO=2V由此可画画出vO的波形。+-DV+-+-2V100Rvovit62OVi/VVo/VtO26第1章晶体体二极管管小信号分分析法即将电路路中的二二极管用用小信号号电路模模型代替替，利用用得到的的小信号号等效电电路分析析电压或或电流的的变化量量。分析步骤