电子线路高教第四电子课件

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中载载流浓度计算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章晶体二极管管1.1.3两种导电机理——漂移和扩散漂移与漂移电流流载流子在电场作作用下的运动称称漂移运动，所形成的电流称称漂移电流。漂移电流密度总漂移电流密度：迁移率第1章晶体二极管管半导体的电导率率电压：V=El电流：I=SJt+-V长度l截面积S电场EI电阻：电导率：第1章晶体二极管管载流子在浓度差差作用下的运动动称扩散运动，所形成的电流称称扩散电流。扩散电流密度：：扩散与扩散电流流N型硅光照n(x)p(x)载流子浓度xn0p0第1章晶体二极管管1.2PN结结利用掺杂工艺，，把P型半导体和N型半导体在原子子级上紧密结合合，P区与N区的交界面就形形成了PN结。掺杂N型P型PN结第1章晶体二极管管1.2.1动态平衡下的PN结阻止多子扩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少子漂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结形成的物理过过程第1章晶体二极管管内建电位差：室温时锗管VB

0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V阻挡层宽度：注意：掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位位差VB越大，阻挡层宽度l0越小。第1章晶体二极管管1.2.2PN结的伏安特性PN结——单向导电特性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章晶体二极管管PN结——单向导电特性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：PN结具有单方向导导电特性。第1章晶体二极管管PN结——伏安特性方程式式PN结正、反向特性性，可用理想的的指数函数来描描述：热电压26mV(室温)其中：IS为反向饱和电流流，其值与外加加电压近似无关关，但受温度影影响很大。正偏时：反偏时：第1章晶体二极管管PN结——伏安特性曲线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。温度每升高10℃，IS约增加一倍。温度每升高1℃，VD(on)约减小2.5mV。第1章晶体二极管管O1.2.3PN结的击穿特性|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章晶体二极管管O因为T载流子运动的平平均自由路程V(BR)。击穿电压的温度度特性雪崩击穿电压具具有正温度系数数。齐纳击穿电压具具有负温度系数数。因为T价电子获得的能能量V(BR)。稳压二极管利用PN结的反向击穿特特性，可制成稳压二极管管。要求：IZmin<IZ<IZmax第1章晶体二极管管VZIDVIZminIZmax+-VZO1.2.4PN结的电容特性势垒区内空间电电荷量随外加电电压变化产生的的电容效应。势垒电容CT扩散电容CD阻挡层外(P区和N区)贮存的非平衡电电荷量,随外加电压变化化产生的电容效效应。CT(0)CTVOxn少子浓度xO-xpP+N第1章晶体二极管管PN结电容PN结反偏时，CT>>CD，则CjCTPN结总电容：Cj=CT+CDPN结正偏时，CD>>CT，则Cj≈CD故：PN结正偏时，以以CD为主。故：PN结反偏时，以CT为主。通常：CD几十pF~几千pF。通常：CT几pF~几十pF。第1章晶体体二极管管1.3晶体二极极管电路路分析方方法晶体二极极管的内内部结构构就是一一个PN结。就其其伏安特特性而言言，它有有不同的的表示方方法，或或者表示示为不同同形式的的模型：：便于计算算机辅助助分析的的数学模型型适于任一一工作状状态的通用曲线线模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章晶体体二极管管1.3.1晶体二极极管的模模型数学模型型——伏安特性性方程式式理想模型：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—体电阻+引线接触触电阻+引线电阻阻注意：考虑到阻阻挡层内内产生的的自由电电子空穴穴对及表表面漏电流的的影响，，实际IS理想IS。第1章晶体体二极管管曲线模型型—伏安特性性曲线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)时二极管击穿晶体二极极管的伏伏安特性性曲线，，通常由由实测得得到。第1章晶体体二极管管简化电路路模型折线等效效：在主要利利用二极极管单向向导电性性的电路路中，实际二极极管的伏伏安特性性。IVVD(on)IVOabIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想状态态：与外电路路相比，，VD(on)和RD均可忽略略时，二极管的的伏安特特性和电电路符号号。开关状态态：与外电路路相比，，RD可忽略时时的伏安安特性。。简化电路路模型：：折线等效效时，二二极管的的简化电电路模型型。第1章晶体体二极管管小信号电电路模型型rsrjCjIVQrs：PN结串联电电阻，数数值很小小。rj：为二极管管增量结结电阻。。Cj：PN结结电容容，由CD和CT两部分构构成。注意：高频电路路中，需需考虑Cj影响。因因高频工工作时，，Cj容抗很小，，PN结单向导导电性会会因Cj的交流旁路作用用而变差差。第1章晶体体二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。分析步骤骤：将直流电电源短路路，画交交流通路路。用小信号号电路模模型代替替二极管管，得小小信号等等效电路路。利用小信信号等效效电路分分析电压压与电流流的变化化量。第1章晶体体二极管管1.4晶体二极极管的应应用电源设备备组成框框图：电源变压器整流电路滤波