模拟电子线路第2章杨凌

会计学1模拟电子线路第2章杨凌§2.0引言“每种类型的半导体设备都有其独特的性能,从而满足不同的电路要求.学习这些特性能帮助电路设计着更快地选择正确的元器件.花时间学习每种分立半导体器件如何工作,以及它们与其他元件如何相互作用,最终会得到回报的.”“任何电子类职业都会涉及到半导体器件的应用甚至设计.掌握半导体器件的基本知识,无论对于那些测试二极管、晶体管以及微电路芯片的技工,还是那些将半导体器件设计到电子设备中的工程师来说,都是非常重要的.”第1页/共56页§2.1半导体的基本知识

半导体的导电率介于导体和绝缘体之间

(10－3～109Ω·cm).

硅(Si)

和锗(Ge)

是常用的半导体材料,它们广泛用于半导体器件和集成电路中,其他半导体材料用在特殊的领域中,例如砷化镓(GaAs)及其相关化合物用在特高速器件和光器件中.一、本征半导体本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体.

本征半导体呈电中性.

第2页/共56页§2.1半导体的基本知识+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴图2.1图2.2本征激发第3页/共56页§2.1半导体的基本知识

ni=pi=AT3/2e－Eg0/2kT

（2—1）

3.88×1016cm－3K－3/2（Si）

1.76×1016cm－3K－3/2（Ge）

1.21eV（Si）

0.785eV（Ge）

k(玻尔兹曼常数)=8.63×10－5eV/KT↑→ni↑，T=300K，ni(Si)

≈1.5×1010cm－3

ni(Ge)

≈2.4×1013cm－3;T—(K)A=Eg0(禁带宽度)=第4页/共56页§2.1半导体的基本知识

硅本征半导体中自由电子的浓度为

1.5×1010cm－3,看上去似乎很大,但和硅原子的浓度4.96×1022cm－3相比还是很小的.所以,本征半导体的导电能力很弱(本征硅的电阻率约为2.2×105Ω·cm).

二、杂质半导体掺有杂质的半导体称为杂质半导体.在掺杂过程中,通过控制自由电子和空穴的浓度,来控制半导体的导电性能.

杂质半导体依然呈电中性.第5页/共56页§2.1半导体的基本知识

1.N型半导体

多子:自由电子

少子:

空穴

+4+5+4+4+4P施主杂质图2.3+4+3+4+4+4B受主杂质图2.4

2.P型半导体

多子:空穴

少子:自由电子

第6页/共56页§2.1半导体的基本知识在热平衡条件下n0p0=ni2（2—2）

N型半导体n0=Nd+p0≈Nd（2—3）

Nd—施主原子浓度

.P型半导体p0=Na+n0≈Na（2—4）

Na—受主原子浓度

.(1)掺杂后,多子浓度都将远大于少子浓度.且少量掺杂,载流子就会有几个数量级的增加,即导电能力显著增大.第7页/共56页§2.1半导体的基本知识(2)在杂质半导体中,多子浓度近似等于掺杂浓度,其值几乎与温度无关(3)在杂质半导体中,少子浓度随温度升高而显著增大.少子浓度的温度敏感性是导致半导体器件温度特性差的主要原因.三、两种导电机理—漂移和扩散

1.漂移和漂移电流在外加电场作用下,载流子将在热骚动状态下产生定向的运动,这种定向运动称为漂移运动,由此产生的电流称为漂移电流.第8页/共56页§2.1半导体的基本知识图2.5+V-EIIJt=Jpt+Jnt=q(pμp+nμn)

E

=σE（2—5）2.扩散和扩散电流因载流子的浓度差引起的载流子的定向运动称为扩散运动,相应产生的电流称为扩散电流.第9页/共56页§2.1半导体的基本知识N型硅半导体n0≈p0n(x)p(x)图2.60xJd=Jpd+Jnd

（2—6）dp(x)Jpd=－qDpdxdn(x)dn(x)Jnd=－(－q)Dn

=qDndxdx

由扩散运动产生的扩散电流是半导体区别于导体的一种特有的电流.第10页/共56页§2.2PN结

当P区和N区连接在一起构成PN结时,半导体的现实作用才真正发挥出来.一、PN结的形成

1.形成过程图2.7空间电荷区P+x=0N－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－E耗尽层(阻挡层)第11页/共56页§2.2PN结

阻碍多子扩散载流子浓度差→多子扩散→空间电荷区利于少子漂移形成一定厚度的PN结动态平衡2.内建电位差NaNdVB≈VTln(2—7)ni2其中:

VT≈26mVNa↑Nd↑ni↓→VB↑第12页/共56页§2.2PN结室温下(T=300K)VB(Ge)≈0.2～0.3VVB(Si)≈0.5～0.7V－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－图2.8xxn－xpVP+NOVB3.阻挡层宽度xnNal0=xn+xp

=

(2—8)xpNd第13页/共56页§2.2PN结二、PN结的伏安关系VF+－图

2.9VB－VFVl0P+NlxOVB图2.10VB+VRVl0VR－

+P+NlxOVB第14页/共56页§2.2PN结1、正偏

l＜l0，ID＞ITIF2、反偏

l＞l0，ID＜

ITISOvD/V←TiD/mAVBRIS(Si)≈(10－9～10－16)AIS(Ge)≈(10－6～10－8)A(Na、Nd)↑→IS

↓T↑→IS

↑图

2.11PN结具有单向导电性.第15页/共56页§2.2PN结ID=IS(e

－1)VDVT→VDVTID

≈ISe(2—9)(2—10)IDID或

VD

≈VTln=2.3VTlgISIS

3、V-I关系的数学表达式I2I1I2V2－V1=2.3VTlg

－2.3VTlg

=2.3VTlg

(2—11)

ISISI1VD(on)≈0.7V(Si)VD(on)≈0.25V(Ge)当VD＞VD(on)

时,PN结正向导通.VD

每增加60mV,

ID将按10的幂次方迅速增大.第16页/共56页§2.2PN结4、温度特性

温度每升高10oC,IS约增加一倍.

温度每升高1oC,VD(on)约减小2.5mV.当

VD＜0且

VD

>>VT时,→0eVDVTID≈－ISTmax=(150～200)oC(Si)(75～100)oC(Ge)5、击穿特性

电击穿(可逆)

热击穿(不可逆)雪崩击穿(低掺杂PN结,VBR＞6V

)齐纳击穿(高掺杂PN结,VBR＜6V

)第17页/共56页§2.2PN结(1)、雪崩击穿PNPN结接电源负极接电源正极12231223图

2.12电子空穴碰撞电离电子-空穴对碰撞电离电子-空穴对…载流子倍增第18页/共56页§2.2PN结(2)、齐纳击穿E↑(2×105V/cm)电子-空穴对场致激发载流子剧增三、PN结的电容特性

1、势垒电容CBP+NP+N图

2.13(a)势垒电容充电(b)势垒电容放电第19页/共56页§2.2PN结f↑且反偏时,CB影响显著.2、扩散电容CD

正偏时,CD较大.3、结电容CjCj=CB+CD

正偏时,Cj≈CD(几十pF到几千pF)

反偏时,Cj≈CB(几pF到几十pF)xnx－xpOpn0np0△Qsn△QSPVF+－P+N图

2.14第20页/共56页§2.3二极管一、结构、分类、符号第21页/共56页§2.3二极管第22页/共56页§2.3二极管1

、结构点接触型:结面积小,极间电容小,不能承受高的反向电压和大的电流,适于做高频检波和开关元件用.2AP1(IF=16mA,f=150MHz)面接触型:结面积大,极间电容也大,适于做整流用,但不宜用于高频电路中.2CP1(IF=400mA,f=3kHz)平面型:集成电路中的常用形式.2

、分类第23页/共56页§2.3二极管

按材料分类:硅管、锗管、砷化镓管等;

按用途分类:检波二极管、开关二极管、特殊二极管等;

按工作频率分类:高频管、低频管等;

按输出功率分类:大功率管、中功率管、小功率等.3

、符号二、V-I特性OvD/VGeiD/mAiD/μASi图

2.16第24页/共56页§2.3二极管第25页/共56页§2.3二极管三、主要参数

1、最大整流电流IF2、反向击穿电压VBR3、反向电流IR4、极间电容Cj5、最高工作频率f四、电路模型

1、理想模型

2、恒压降模型vD/VOiD/mA(a)vD/VOiD/mA(b)0.7V+－第26页/共56页§2.3二极管3、折线模型4、小信号模型vD/VOiD/mA(c)

Vth+－RD(200Ω)rdCjrd(d)图

2.19图

2.20OQiD/mAvD/VIDQ

1arctanrd第27页/共56页§2.3二极管

VTrd

=(2—12)

IDQ

五、特殊二极管

1、稳压二极管

VZ

、IZ

、rZ

、PZM△IZIZminIZmaxiZ/mAOvZ/V△VZ图

2.21

IDQ+ISIDQ=≈

VTVTvD=VDQ第28页/共56页§2.3二极管3、发光二极管(LED)电信号光信号4、光电二极管光信号电信号在反向状态下运行2、变容二极管在高频技术中应用较多.如谐振回路的电调谐;压控振荡器;频率调制等.502010521C/pF0510152025V/V图

2.22第29页/共56页§2.3二极管图

2.235、激光二极管图

2.24第30页/共56页§2.3二极管

激光二极管的物理结构是在发光二极管的节间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。在正偏时，LED发出光来并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出来的单波长的光。同时光在光谐振腔中产生振荡并被放大，形成激光。激光二极管发射的主要是红外线，它在小功率光电设备中得到广泛应用，如计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等。第31页/共56页§2.4二极管基本应用电路

一、整流电路整流电路是二极管的一个重要应用.整流是将正、负交替的交流电转化为单一极性的直流电的过程.负载二极管整流器滤波器稳压器变压器

交流电压源图

2.25小功率直流稳压电源的组成框图第32页/共56页§2.4二极管基本应用电路

1、半波整流图

2.26R+－－VDv2+vO(a)v2/Vt0vO/Vt0VOVm(b)v2＞0，

VD√，vO=v2；

v2＜0，

VD×，vO=0.Vm√2V2VO≈≈≈0.45V2

(2—13)

π

π第33页/共56页§2.4二极管基本应用电路

2、全波整流图

2.27+vO－RVD1+v2－+v2－VD2iD1iD2(a)(b)v2/Vt0vO/Vt0v2＞0，VD1√，VD2×，vO=v2

；

v2＜0，VD1×，VD2√，vO=－v2.

VO≈0.9V2

(2—14)

第34页/共56页§2.4二极管基本应用电路

3、桥式整流图

2.28VD3RVD1+vi2－VD2+vO－VD4(a)(b)v2/Vt0vO/Vt0v2＞0，VD1√，VD3√，VD2×，VD4×，vO=v2

；v2＜0，VD1×，VD3×，VD2√，VD4√，vO=－v2.

第35页/共56页§2.4二极管基本应用电路

整流桥堆第36页/共56页§2.4二极管基本应用电路

二、稳压电路图

2.29R↓IZRL↓IL→IR+VI－+VO－VSIZ=IR－IL

IZmin=IRmin－ILmax

(2—15)IZ=IR－IL

IZmax=IRmax－ILmin

(2—16)IZmin＜IZ＜IZmax

(2—17)RL↓→IL↑→IR↑→VO↓→IZ↓→IR↓VO↑第37页/共56页§2.4二极管基本应用电路

VImin－VZVZVImax－VZVZ

－＜Iz＜－(2—18)R

RLminR

RLmaxVImax－VZVImin－VZ≤R≤(2—19)

IZmax+

ILminIZmin+

ILmax【例2-1】试设计一稳压管稳压电路,作为汽车用收音机的供电电源。已知收音机的直流电源为9V,音量最大时需供给的功率为0.5W。汽车上的供电电源在12～13.6V之间波动。要求选用合适的稳压管(IZmin、IZmax、VZ、PZM),以及合适的限流电阻(阻值、额定功率)。第38页/共56页§2.4二极管基本应用电路

【解】由题意可画出稳压电路如图2.30所示。

PLmax0.5W

ILmax==≈56mAVL9V

PLmax=VLILmaxR↓IZ→IR+VI－+VZ=9V－收音机→IL图

2.30汽车电源+VL－取R=47Ω

VImin－VZ12－9R≤=≈0.049kΩ=49Ω

IZmin+

ILmax5+56第39页/共56页§2.4二极管基本应用电路三、低电压稳压电路由于低电压的稳压管的稳压性能不够理想,所以在3～4V以下,采用多只二极管串接,以获得较好的稳压特性.IZmax=IRmax－ILmin=－ILmin=－0

=98mA

VImax－VZ

R

13.6－9

47

PZM=VZIZmax=9V×98mA

=882mW

PRM=VRmaxIRmax=(VImax－VZ).≈0.45W

VImax－VZ

R

宜选47Ω,1W的电阻.宜选VZ=9V,IZmax=98mA,

IZmin=5mA,

PZM=0.882W的稳压管.第40页/共56页§2.4二极管基本应用电路R+△vD－(a)(b)rd△iD+△VI

－(c)+△vI

－+vD－RVDiDVI+vD－RiDvOVDvI图

2.31VIID,VD

△vI△iD,△vD

iD=ID+△iD,vD=VD+△vD第41页/共56页§2.4二极管基本应用电路【例2-2】在图2.31(a)所示的低电压稳压电路中,直流电源VI

的正常值为10V,R=10kΩ,若VI

变化±1V时,

问相应的硅二极管的电压(输出电压)的变动如何?

【解】

VT26rd

==≈28ΩIDQ

0.93其中:

VI－VD(on)I0－0.7IDQ===0.93mAR

10rd0.028△vO=△vD=△vI

=×±1≈±2.79mV

R+rd10+0.028△vI=±1

V

△vO=±2.79mV

第42页/共56页§2.4二极管基本应用电路四、限幅电路

限幅器用于消除信号中大于或小于某一特定值的部分.限幅器最简单的应用是在电子电路的输入端限制输入电压,以保证电路中的晶体管不被击穿.VOHVOLVIHVOVOVO

(a)上限幅VIVILVIVILVOLVIVIHVOH

(b)下限幅

(c)双向限幅图

2.32第43页/共56页§2.4二极管基本应用电路1、单向限幅VmvI/Vt0vO/Vt0V1+VD(on)vO/Vt0V1－VD(on)+V1－R+vI－+vO－VDvI=VmsinωtV1＞0Vm＞V1vI＞V1+VD(on),VD√,vO=V1+VD(on);

vI＜V1+VD(on),VD×,vO=vI.

(a)R+V1－+vI－+vO－VD(b)第44页/共56页§2.4二极管基本应用电路

vI＞V1－VD(on),

VD×,vO=vI;

vI＜V1－VD(on),VD√,vO=V1－VD(on).

(c)(d)图2.33ttVmvI/Vt0vO/V0－(V1－VD(on))vO/V0－(V1+VD(on))R－

V1

++vI－+vO－VD－

V1+R+vI－+vO－VD第45页/共56页§2.4二极管基本应用电路2、双向限幅－(V2+VD(on))VmvI/Vt0vO/Vt0V1+VD(on)R+V1

－－

V2++vI－+vO－VD1VD2图2.34

设vI=10sinωt(V),V1=V2=3V,试确定上图(b)中的上限幅值及下限幅值.(a)(b)第46页/共56页§2.4二极管基本应用电路五、开关电路

二极管和电路中的其他元件连接在一起,可完成逻辑运算功能.如“与”、“或”等.vI1vI2VD1VD2vO0V0V√√0.7V0V3V√×0.7V3V0V×√0.7V3V3V××3.7V表2.1VCC（5V）R=4.7kΩvI1vOVD1VD2vI2图2.35第47页/共56页章末总结与习题讨论一、本章小结1、熟悉半导体的基本概念─载流子(电子、空穴)、P型半导体、N型半导体、多子、少子、施主杂质、受主杂质等;2、理解PN结的形成机理.掌握PN结的单向导电性,了解其反向击穿特性和电容特性.3、掌握PN的伏安关系及其数学表达式;4、熟悉二极管的结构、分类、符号及主要参数,了解几种常用的特殊二极管(稳压管、发光二极管等);5、掌握二极管电路的分析方法,要求采用合理的模型分析二第48页/共56页章末总结与习题讨论

极管电路.6、熟悉常用的二极管应用电路─整流、稳压、限幅、

开关.

二、例题讨论【例2-3】简单二极管基本电路如图2.36所示.对于下列两种情况,求电路的ID和VD的值:(1)VDD=10V;(2)VDD=1V.在每种情况下,应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解.【解】(1)VDD=10V①VD=0V,ID=1mA.

②VD=0.7V,ID=0.93mA.③ID=0.931mA,VD=0.69V.VDD+VD－R10kΩVDID图2.36第49页/共56页章末总结与习题讨论【例2-4】分析图2.37(a)所示的电路.设电路中各参数如下:

VDD=5V,R=5kΩ，VD(on)=0.6V,vi=0.1sinωt（V）.

(2)VDD=1V①VD=0V,ID=0.1mA.②VD=0.7V,ID=0.03mA.

③ID=0.049mA,VD=0.51V.+VDD

－+vi

－+vO－RVD

图2.37(a)【解】分两步进行分析:

直流分析和交流分析.(1)直流分析VDD－VD(on)5－0.6IDQ===0.88mAR5第50页/共56页章末总结与习题讨论

VO=IDQR=0.88×5=4.4V(2)交流分析+vi

－+vo－Rr