第十章Multisim仿真课件

电子电路仿真软件

——Multisim仿真

目前常见的EDA软件有：Protel、Orcad、Pspice和EWB系列等四种软件。 ElectronicsWorkbench(EWB)是加拿大IIT公司于八十年代末、九十年代初推出的用于电路仿真与设计的EDA软件，又称为“虚拟电子工作台”。

IIT公司从EWB6.0版本开始，将专用于电路仿真与设计模块更名为MultiSim，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，大大扩充了元件库中的仿真元件数量，使仿真设计更精确、可靠。

Multisim意为“万能仿真”直流工作点分析交流分析暂态分析傅立叶分析噪声分析失真分析直流扫描灵敏度分析一、主要功能参数扫描温度扫描零-极点分析传输函数分析最坏情况分析……Multisim二、主要特点仿真的手段切合实际，选用的元器件和测量仪器与实际情况非常接近；并且界面可视、直观。绘制电路图所需的元器件、仪器、仪表以图标形式出现，选取方便，并可扩充元件库。可以对电路中的元器件设置故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，针对不同故障观察电路的各种状态，从而加深对电路原理的理解。在进行仿真的同时，它还可以存储测试点的所有数据、测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据，列出所有被仿真电路的元器件清单等。有多种输入输出接口，与SPICE软件兼容，可相互转换。Multisim产生的电路文件还可以直接输出至常见的Protel、Tango、Orcad等印制电路板排版软件。二、主要特点三、Multisim界面介绍菜单系统工具栏设计工具栏使用中元件列表元件工具栏仪器仪表工具栏电路图编辑窗口状态栏仿真开关.com按钮菜单View：调整视图窗口Place：在编辑窗口中放置节点、元器件、总线、输入/输出端、文本、子电路等对象Simulate：提供仿真的各种设备和方法Transfer：将所搭电路及分析结果传输给其他应用程序Tools：用于创建、编辑、复制、删除元件Options：对程序的运行和界面进行设置设计工具栏

器件按钮，缺省显示。当选择该按钮时，器件选择器显示。

器件编辑器按钮，用以调整或增加器件。Tools的快捷方式仪表按钮，用以给电路添加仪表或观察仿真结果。

分析按钮，用以选择要进行的分析。

仿真按钮，用以开始、暂停或结束仿真。

后分析器按钮，用以进行对仿真结果的进一步操作。

VHDL/Verilog按钮，用以使用VHDL模型进行设计VHDL：VHSICHardwareDescriptionLanguageVHSIC：VeryHighSpeedIntegratedCircuit

报告按钮，用以打印有关电路的报告传输按钮，用以与其它程序通讯，比如与Ultiboard通讯；也可以将仿真结果输出到像MathCAD和Excel这样的应用程序。

元件工具栏

电源库基本元件库二极管库晶体管库模拟元件库TTL元件库COMS元件库其他数字元件库混合芯片库指示部件库其他部件库控制部件库射频器件库机电类元件库

仪器仪表工具栏

从左到右分别是：数字万用表、函数发生器、示波器、波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、瓦特表、逻辑转换仪、失真分析仪、网络分析仪、频谱分析仪注：电压表和电流表在指示器件库，而不是仪器库中选择

操作：设置菜单栏Option/Preferences中各属性四、定制Multisim用户界面选择元件的符号标准ANSI：美国标准DIN：欧洲标准。选择元件、节点及连接线上所要显示的说明文字等设置电路编辑窗口元器件和背景的颜色设置元件的识别、参数值与属性、节点序号、引脚名称和原理图文本等文字的属性设置选择窗口图纸的缩放比例

设置窗口图纸的大小设置显示窗口图纸格式设置导线的宽度设置导线的自动连接方式

选择文件自动保存功能并设定保存时间间隔

设置存取文件路径

设置数字电路的仿真方式

选择PCB的接地方式

Multisim

元件库

电源库（Sources）基本元件库（Basic）二极管库（DiodesComponents）晶体管库（TransistorsComponents）模拟元件库（AnalogComponents）TTL元件库（TTL）CMOS元件库（CMOS）其他数字元件库（MiscDigitalComponents）混合芯片库（MixedComponents）指示器件库（IndicatorsComponents）其他器件库（MiscComponents）控制器件库（ControlComponents）射频器件库（RFComponents）机电类器件库（Elector-MechanicalComponents）

一、电源库电源库中共有30个电源器件，分别是：●接地端●数字接地端●VCC电压源●VDD数字电压源●直流电压源●直流电流源●正弦交流电压源●正弦交流电流源●时钟电压源●调幅信号源●调频电压源●调频电流源●FSK信号源●电压控制正弦波电压源●电压控制方波电压源●电压控制三角波电压源●电压控制电压源●电压控制电流源●电流控制电压源●电流控制电流源●电流控制电压源●电流控制电流源●脉冲电压源●脉冲电流源图●指数电压源●指数电流源●分段线性电压源●分段线性电流源●压控分段电压源●受控单脉冲●多项式电源●非线性相关电源1、接地端利用Multisim创建电路时必须接“地”2、直流电压源设置标号设置显示状态

设置电压幅值

设置分析类型设置故障3、交流电压源设置最大值设置有效值设置频率设置初相位4、时钟电压源实质上是一个频率、占空比及幅度皆可调的方波发生器

5、受控源1）VCVS2）VCCS3）CCVS4）CCCS二、基本元件库●电阻●虚拟电阻●电容●虚拟电容●电解电容●上拉电容●电感●虚拟电感●电位器●虚拟电位器●可变电容●虚拟可变电容●可变电感●虚拟可变电感●开关●继电器●变压器●非线性变压器●磁芯●无芯线圈●连接器●插座●半导体电阻●半导体电容●封装电阻●SMT电阻●SMT电容●SMT电解电容●SMT电感现实元件虚拟元件1、电阻电阻浏览器电阻模型分类栏“General”页：元件的一般性资料，包括元件的名称、制造商、创建时间、制作者。“Symbol”页：元件的符号。“Model”页：元件的模型，提供电路仿真时所需要的参数。“Footprint”页：元件封装，提供给印制电路板设计的原件外形。“ElectronicParameters”页：元件的电气参数，包括元件在实际使用中应该考虑的参数指标。“UserFields”页：用户使用信息。编辑电阻元件2、虚拟电阻3、电位器设定控制键设置调节幅度4、开关“CURRENT_CONTROLLEDSWITCH”（电流控开关）“SPDT”（单刀双掷开关）“SPST”（单刀单掷开关）“TD_SWI”（时间延迟开关）“VOLTAGE_CONTROLLEDSWITCH”（电压控开关）设定控制键三、指示器件库●电压表●电流表●探测器●灯泡●十六进制显示器●条形光柱●蜂鸣器设置内阻电路类型选择3 Multisim

仪器仪表库

数字万用表（Multimeter）函数信号发生器（FunctionGenerator）瓦特表（Wattmeter）示波器（Oscilloscope）波特图仪（BodePlotter）字信号发生器（WordGenerator）逻辑分析仪（LogicAnalyzer）逻辑转换仪（LogicConverter）失真分析仪（DistortionAnalyzer）频谱分析仪（SpectrumAnalyzer）网络分析仪（NetworkAnalyzer）一、数字万用表二、函数信号发生器三、瓦特表A、B两通道，G是接地端，T为触发端四、示波器①测量数据显示区在示波器显示区有两个可以任意移动的游标，游标所处的位置和所测量的信号幅度值在该区域中显示。其中：●“T1”、“T2”分别表示两个游标的位置，即信号出现的时间；●“VA1”、“VB1”和“VA2”、“VB2”分别表示两个游标所测得的A通道和B通道信号在测量位置具有的幅值。

②时基控制（Timebase）●X轴刻度（s/div）：控制示波屏上的横轴，即X轴刻度（时间/每格）

●X轴偏移（Xposition）：控制信号在X轴的偏移位置●显示方式：

Y/T：幅度/时间，横坐标轴为时间轴，纵坐标轴为信号幅度

Add：A、B通道幅值相加

B/A：B电压(纵坐标)/A电压(横坐标)

A/B：A电压/B电压③A（B）信号通道控制调节●Y轴刻度：设定Y轴每一格的电压刻度

●Y轴偏移：控制示波器Y轴方向的原点

●输入显示方式：

AC方式：仅显示信号的交流成分；

0方式：无信号输入；

DC方式：显示交流和直流信号之和。

④触发控制（Trigger）

●触发方式Edge：上升沿触发和下降沿触发;

●触发电平大小Level;●触发信号选择：

Sing：单脉冲触发；Nor：一般脉冲触发；

Auto：触发信号不依赖于外信号；

A、B：A或B通道的输入信号作为同步X轴的时基信号；

Ext：用示波器图表上T端连接的信号作为同步X轴的时基信号。

4 电路图绘制

例.在Multisim中绘制如下电路图，并用示波器观察电容电压波形的变化。（一）建立电路文件（二）从元器件库中调有所需的元器件（三）电路连接及导线调整（四）为电路增加文本（五）示波器的连接（六）电路仿真基于Multisim的电路分析1电阻电路分析一.测量节点电压基本操作：选用“直流工作点分析（DCOperatingPointAnalysis）”（1）Outputvariables：主要作用是选择所要分析的节点电压、电源和电感支路电流。（2）MiscellaneousOptions：用于设置与仿真相关的其它选项。（3）Summary：对分析设置的汇总。例1.求下图所示电路的节点电压U1、U2。见example8_1_1.msm二求戴维宁等效电路

基本操作：

1.利用数字万用表测量电路端口的开路电压和短路电流

2.求解出该二端网络的等效电阻

3.绘制戴维宁等效模型例2求下图所示电路的戴维宁等效电路。Req=16/6.333≈3Ω添加输入/输出节点

见example8_1_2.msm三验证叠加原理

例3测量下图所示电路中的电流I，并验证叠加原理。电源故障设置

见example8_1_3.msm电源故障设置

2动态电路分析主要目的：观察动态电路响应的时域波形。主要方法：

1.利用“瞬态分析（TransientAnalysis）”

2.利用示波器瞬态分析（TransientAnalysis）设置初始条件设置分析时间设置计算步长例1观察下图所示RC电路的零输入响应uc(t)，已知

uc(0+)=10V。关键：

1.设置电容元的初值

2.设置分析时间

1.设置电容元的初值

1）所选用的电容为现实电容2）所选用的电容为虚拟电容

2.设置分析时间

时间常数工程上认为经过4τ~5τ，暂态过程结束，故仿真的时间取0~0.05s

3.结果显示

见example8_2_1.msm例2已知R=1Ω，L=1H，对比分析在电压源作用下RL串联电路的电感电流的阶跃响应和冲激响应。关键：恰当地选择和设置激励源

1.观察阶跃响应

见example8_2_2.msm输入激励波形阶跃响应波形2.观察冲激响应

阶跃响应波形冲激响应波形例3在RLC串联电路中，已知L=10mH，R=51Ω，C=2uF，信号源输出频率为100Hz、幅值为5V的方波信号，利用示波器观察同时观察输入信号和电容电压的波形，此时电路处于何种状态？当R为多少时，电路处于临界阻尼状态？

关键：示波器与电路的连接设置示波器连线的颜色设置示波器面板的各刻度见example8_2_3.msm在响应波形中有振荡现象，电路处于欠阻尼状态临界电阻：当R<R0时，电路处于欠阻尼状态当R=R0时，电路处于临界阻尼状态当R>R0时，电路处于过阻尼状态

若需要同时观察三种状态，可采用“参数扫描方式（ParameterSweep）”参数扫描方式（ParameterSweep）选择扫描的元件和参数

选择扫描方式选择分析类型设置分析参数3交流电路分析一.测定交流电路的参数测定交流电路的参数常用的有三表法，即交流电压表测U、交流电流表测I、瓦特表测P及功率因数。然后通过下列关系计算出电路参数。阻抗的模：等效电阻：等效电抗：例1设计实验测定电路模块Zx的参数，并判断其性质。见example8_3_1.msm电压滞后电流，呈容性基本操作：选用“交流分析（ACAnalysis）”二.观察交流电路的幅频特性和相频特性，并测定谐振参数。信号源起-止频率扫描方式例2已知RLC串联电路中R=100Ω，L=100uH，C=100nF，观察RLC串联电路的幅频特性和相频特性，求谐振频率。

不表示分析频率

见example8_3_2.msm当RLC串联电路的电流最大时，电路发生串联谐振。f0=50.1187kHz将正弦交流电压源的频率设置为谐振频率50.1187kHz品质因数三.交流电路功率因数提高例3RL串联电路为一老式日光灯电路的模型，已知R=250Ω，L=1.56H。将此电路接在电压为220V、频率为50Hz的正弦电压源上。（1）测量日光灯电路的电流，功率和功率因数；（2）如果要将功率因数提高到0.95，试问需与日光灯电路并联多大的电容？此时电路的总电流、总功率为多少？日光灯电路的电流、功率是否变化？（注：电容值在0~5μF之间）见example8_3_3.msm（2）与日光灯电路并联一个5μF的虚拟可变电容

关键：调节可变电容使线路的功率因数达到0.95四.三相电路例4一个三相Y-Y连接电路，已知电源线电压为380伏，频率为50Hz，负载为白炽灯，可视为电阻元件，每个电阻值为484Ω。利用Multisim设计实验完成以下测量：（1）有中线且负载对称，每相负载均为3个灯泡并联。测量中线电流，以及各相负载电压、电流；（2）有中线，断开A相负载，B、C相负载为3个灯泡并联，测量中线电流，以及各相负载电压、电流；（3）无中线，断开A相负载，B、C相负载为3个灯泡并联，测各相负载电压、电流；（4）有中线但负载不对称，A、B、C三相灯泡数之比为1:2:3，测量中线电流，各相负载电压、电流；（5）无中线且负载不对称，A、B、C三相灯泡数之比为1:2:3，测各相负载电压、电流，并用两瓦计法测三相功率。

创建三相对称电源子电路

设三相对称电源采用A－B－C－A相序

Multisim中交流电压源不能设置负的初相角交流电压源若水平旋转，则相位相差180o放置输入/输出节点：Place/PlaceJunction

放置文本：Place/PlaceText

三相对称电源波形图打包为子电路：Place/ReplacebySubcircuit

（1）有中线且负载对称，每相负载均为3个灯泡并联。测量中线电流，以及各相负载电压、电流；（2）有中线，断开A相负载，B、C相负载为3个灯泡并联，测量中线电流，以及各相负载电压、电流；（3）无中线，断开A相负载，B、C相负载为3个灯泡并联，测各相负载电压、电流；（4）有中线但负载不对称，A、B、C三相灯泡数之比为1:2:3，测量中线电流，各相负载电压、电流；（5）无中线且负载不对称，A、B、C三相灯泡数之比为1:2:3，测各相负载电压、电流；并用两瓦计法测三相功率。

两瓦法测量三相电路的功率88电子电路数字电路模拟电路低频电路（处理低频信号）高频电路（处理高频信号）电子电路分类电子电路数字电路模拟电路线性电路（处理小信号）非线性电路（处理大信号）89内容简介第一章晶体二极管及其基本电路第二章双极型晶体管及其放大电路第三章场效应管及其基本电路第五章集成运算放大器电路第六章反馈第四章频率响应第七章集成运放的应用第八章功率放大电路第九章直流稳压电源90

课程地位与课程体系

是重要的学科基础课

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很重要!91掌握硬件本领当前社会对于硬件工程师（特别是具有设计开发能力的工程师）需求量很大。培养硬件工程师比较困难。学好并掌握硬件本领将使你基础实，起点高，发展大，受益无穷！

很有用!92这门课的特点

涉及相关知识较多：高等数学、电路分析、信号与系统等曾有人戏称模拟电子电路为“魔鬼电路”，简称“魔电”。很难学!93学习方法“过四关”基本器件关电路构成工程近似关分析方法EDA应用关设计能力实验动手关实践应用94

以电阻串、并联为例来进行说明

a若两电阻R1

、R2

串联，如果R1>>R2（一般R1大十倍以上即可），则可忽略R2

。即：R=R1+R2≈R1

。①、近似计算（估算）95b、若两电阻R1

、R2

并联，如果R1>>R2（R1大十倍以上即可），则可忽略R1

。即：R=R1||R2≈R2

。96②、交、直流源同时出现在电路中时，采用叠加原理vO=vo2+VO1求vo2的过程称为动态分析求VO1的过程称为静态分析最后利用叠加原理得直流等效电路交流等效电路97例一：电路如下图，求vOvo=vo1+vo2=es第一步：静态分析vo2=es画直流等效电路，求vo1vo1=0V第二步：动态分析画交流等效电路，求vo298例二：电路如下图，求VO1

、VO2第一步：静态分析画直流等效电路，求Vo1’、Vo2’第二步：动态分析画交流等效电路，求vo2、vo299③、非线性元件有条件的线性化。可将非线性电路化为线性电路。

二极管的特性

三极管的特性IC

VCE

I

V

100考试成绩评定平时30%期末70%1011孙肖子等编,模拟电子技术基础,西安:西安电子科技大学出版社,2001.2康华光主编．电子技术基础（模拟部分，第四版），北京：高等教育出版社，1988．3谢嘉奎主编．电子线路（线性部分，第四版），北京：高等教育出版社，1999．参考书102第一章晶体二极管及其基本电路1-1半导体物理基础知识导体σ>104s/cm半导体σ在10-9～104s/cm间绝缘体σ<10-9s/cm物质半导体的特性：1．导电能力介于导体和绝缘体之间；2．导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。103硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）１-１-１本征半导体104+14284+3228184硅原子（Silicon）锗原子（Germanium）图1

硅和锗原子结构图105+4图1-1硅和锗原子结构简化模型核电子(最外层)106+4+4+4+4共价键价电子图1-2单晶硅和锗共价键结构示意图107说明1、共价键：相邻两个原子中的价电子作为共用电子对而形成的相互作用力。2、单晶硅：原子按一定的间隔排列成有规律的空间点阵结构。通常共价键的电子受到所属原子核的吸引，是不能自由移动的。——束缚电子，不能参与导电。3、本征半导体：纯净的（未掺杂）单晶半导体称为本征半导体。108绝对零度（-273OC）时晶体中无自由电子——相当于绝缘体。载流子(Carrier)指半导体结构中获得运动能量的带电粒子。有温度环境就有载流子——本征激发一、半导体中的载流子

——自由电子和空穴109+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子图1-3本征激发产生电子和空穴在一定的温度下，或者受到光照时，使价电子获得一定的额外能量，一部分价电子就能够冲破共价键的束缚变成自由电子——本征激发110空穴的运动：1、空穴的运动可以看成一个带正电荷的粒子的运动。2、一个空穴的运动实际上是许多价电子（不是自由电子）作相反运动的结果。但是一个空穴运动所引起的电流的大小只与空穴的多少有关，与多少个价电子运动无关。3、若没有空穴，价电子不会运动，即使互换位置也不会带来电荷的迁移。111结论在半导体中，有两种载流子：自由电子（负电荷）和空穴（正电荷）。在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的。112二、本征载流子浓度复合：由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合。与本征激发是相反的过程。一分为二本征激发

复合合二为一载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。113本征载流子浓度：式中：ni、pi——分别表示电子和空穴的浓度（㎝-3）；

T——为热力学温度（K）；

EG0为T=0K（-273oC）时的禁带宽度（硅为1.21eV，锗为0.78eV）；

k为玻尔兹曼常数（8.63×10-6V/K）；A0为与半导体材料有关的常数（硅为3.87×1016㎝-3·，锗为1.76×1016㎝-3·）。114说明随着T的增加，载流子浓度按指数规律增加。——对温度非常敏感。在T=300K的室温下，本征硅（锗）的载流子浓度=1.43×1010㎝-3（2.38×1013㎝-3），本征硅（锗）的原子密度=5×1022㎝-3

（4.4×1022㎝-3）。 相比之下，室温下只有极少数原子的价电子(三万亿分之一)受激发产生电子、空穴对。115结论

本征半导体的导电能力是很弱的；本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大，所以其导电性能对温度的变化很敏感。1161-1-2杂质半导体（掺杂半导体）

在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂质），会使其导电性能发生显著变化。————杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体。117一、N型半导体

图1-4N型半导体原子结构示意图+4+5+4+4键外电子束缚电子施主原子118说明在本征硅（锗）中掺入少量的五价元素（如：磷、砷、锑等）就得到N型半导体。杂质原子顶替硅原子，多一个电子位于共价键之外，受原子的束缚力很弱，很容易激发成为自由电子。几乎一个杂质原子能提供一个自由电子，从而自由电子数大大增加。——施主杂质。由于自由电子的浓度增加，与空穴（本征激发产生的）复合的机会也增加，因此空穴浓度相应减少。119在N型半导体中： 自由电子——多数载流子，简称多子； 空穴——少数载流子，简称少子。答：N型半导体是电中性的。虽然自由电子数远大于空穴数，但由于施主正离子的存在，使正、负电荷数相等，即自由电子数=空穴数+施主正离子

问题：N型半导体是带正电还是带负电？120

图1-5P型半导体原子结构示意图受主原子空位+4+3+4+4束缚电子二、P型半导体（Positivetype）121

在本征硅（或锗）中，掺入少量的三价元素（硼、铝等），就得到P型半导体。室温时，几乎全部杂质原子都能提供一个空穴。多子（多数载流子）：空穴；少子（少数载流子）：自由电子；P型半导体是电中性的。空穴数=自由电子数+受主负离子122三、杂质半导体的载流子浓度多子的浓度 在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数远大于本征激发的载流子数。

结论：多子的浓度主要由掺杂浓度决定。少子的浓度 少子主要由本征激发产生，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。123结论：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。

对N型半导体，多子nn与少子pn有124对P型半导体，多子pp与少子np有125小结1.本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一种载流子少。2.多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。1261-1-3半导体中的电流

在导体中，载流子只有一种：自由电子。在电场作用下，产生定向的漂移运动形成漂移电流。在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。电场作用下的漂移电流两种类型的电流浓度差导致的扩散电流127IpIn一、漂移电流总电流：1、定义：在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流。128①载流子浓度2.漂移电流大小取决于②外加电场强度③迁移速度二、扩散电流

在半导体工作中，扩散运动是比漂移运动更为重要的导电机理。金属导体是不具有这种电流的，正是由于扩散电流特性，才能够将它做成电子器件。129平衡载流子浓度：一般的本征半导体在温度不变、无光照或其他激发下，载流子浓度分布均匀。非平衡载流子浓度：若一端注入载流子或用光线照射该端。则该端的载流子浓度增加。130图1―6半导体中载流子的浓度分布131扩散电流大小主要取决于该处载流子浓度差（即浓度梯度）。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。132思考题与习题导体、半导体和绝缘体的区别？说明半导体材料的特性及其应用解释本征半导体、杂质半导体的区别？解释N型半导体与P型半导体的区别？为什么说这两种半导体仍然对外呈电中性？解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何种因素决定的？解释漂移电流和扩散电流的构成？1331-2PN结

PN结是半导体器件的核心，可以构成一个二极管。PN

本征硅的一边做成P型半导体，一边做成N型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物理层。——PN结134+++++++++++++++PN（a）空穴和电子的扩散1-2-1ＰＮ结的形成

由于扩散运动，使接触面附近的空穴和电子形成不能移动的负离子和正离子状态，这个区域称为空间电荷区（耗尽层），即PN结。135PN空间电荷区内电场UB（b）平衡时的PN结图1-7PN结的形成+++++++++++++++136PN结形成“三步曲”（1）多数载流子的扩散运动。（2）空间电荷区的形成促进少子的漂移运动，阻止多子的扩散运动。（3）扩散运动与漂移运动的动态平衡。PN结又称为势垒区、阻挡层。PN结很窄（几个到几十个

m)。空间电荷区（耗尽层）137问题：达到动态平衡时，在PN结流过的总电流为多少，方向是什么？如下图，多子的扩散电流方向为从左到右，少子的漂移电流方向从右到左。两者在动态平衡时，大小相等，而方向相反，所以流过PN结的总电流为零。

多子扩散电流方向少子漂移电流方向PN多子少子多子少子138对称PN结：如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结不对称PN结：如果一边掺杂浓度大（重掺杂），一边掺杂浓度小（轻掺杂），此耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，这样的PN结称为不对称结139问题：为什么PN结伸向轻掺杂区？答：轻掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的排列稀疏，重掺杂区的施主正离子（或受主负离子）的排列紧密。两边电荷量相等，所以会伸向轻掺杂区。140PN耗尽区内电场UB

-U图1-9正向偏置的PN结+-ERU+++++++++++++++1-2-2ＰＮ结的单向导电特性141PN结加正向电压外加的正向电压大部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低阻性，有较大的正偏电流。142图1-10反向偏置的PN结ERPN耗尽区内电场UB

+U-+U+++++++++++++++二、PＮ结加反向电压143PN结加反向电压外加的反向电压大部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。PN结呈现高阻性。在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

144

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。结论：PN结具有单向导电性。145三、PN结电流方程图1-11PN结的伏安特性当T=300K(室温)时,UT=26mV。iu0-U(BR)IS为反向饱和电流(10-15A)。UT=KT/q,温度电压当量，146PN结伏安特性由上式当u为正时

PN结外加正电压时，流过电流为正电压的e指数关系。当u为负时

PN结外加负电压时流过电流为饱和漏电流。1471-2-5PN结的温度特性一、反映在伏安特性上为：温度升高，正向特性向左移，反向特性向下移。1.保持正向电流不变时，温度每升高1℃，结电压减小约2~2.5mV，即Δu/ΔT≈-(2~2.5)mV/℃2.温度每升高10℃，反向饱和电流IS增大一倍。148

硅管：UD(on)=0.7V。锗管：UD(on)=0.3Viu0TT-U(BR)导通电压UD(on)UD(on)1491-2-3PN结的击穿特性当对PN结外加反向电压超过一定的限度，PN结会从反向截止发展到反向击穿。反向击穿破坏了PN结的单向导电特性。利用此原理可以制成稳压管。

U(BR)称为PN结的击穿电压。有两种击穿机理：雪崩击穿和齐纳击穿。150轻掺杂

耗尽区较宽

少子动能增大

碰撞中性原子

产生电子、空穴对

连锁反应

产生大量电子、空穴对

反向电流剧增。雪崩击穿重掺杂

耗尽区很窄

强电场

将中性原子的价电子直接拉出共价键

产生大量电子、空穴对

反向电流增大.齐纳击穿151击穿种类掺杂情况耗尽层宽度击穿机理雪崩击穿轻掺杂宽因为耗尽层宽，使加速的少子撞击耗尽区的中性原子，产生电子、空穴对，反复作用使载流子数目迅速增加齐纳击穿重掺杂窄较窄的耗尽区有很强的电场，强电场使耗尽区的价电子被直接拉出共价键，产生电子、空穴对。雪崩击穿和齐纳击穿的比较152问题：为什么轻掺杂的PN结不易出现齐纳击穿？相反重掺杂为什么不易出现雪崩击穿？答：因为轻掺杂的耗尽层宽，正负离子分布稀疏，电场强度不够强，不足以拉出价电子。而重掺杂的耗尽层窄使少子的加速时间短，少子的动能不足以撞击中性原子，产生电子空穴对。153一般来说，对硅材料的PN结，UBR>7V时为雪崩击穿；

UBR<5V时为齐纳击穿；

UBR介于5~7V时，两种击穿都有。154击穿的可逆性电击穿是可逆的（可恢复，当有限流电阻时）。电击穿后如无限流措施，将发生热击穿现象。热击穿会破坏PN结结构（烧坏）热击穿是不可逆的。1551-2-4PN结的电容特性PN结的耗尽区与平板电容器相似，外加电压变化，耗尽区的宽度变化，则耗尽区中的正负离子数目变化，即存储的电荷量变化。一、势垒电容CT156多子扩散

在对方区形成非平衡少子的浓度分布曲线

偏置电压变化

分布曲线变化

非平衡少子变化

电荷变化。二、扩散电容CD157图1―12P区少子浓度分布曲线158结电容Cj=CT+CD结论因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。

正偏时以扩散电容CD为主，Cj≈CD

，其值通常为几十至几百pF；

反偏时以势垒电容CT为主，Cj

≈CT,其值通常为几至几十pF。（如：变容二极管）1591-3晶体二极管及其基本电路PN结加上电极引线和管壳就形成晶体二极管。图1-13晶体二极管结构示意图及电路符号

P区N区正极负极（a）结构示意图（b）电路符号PN正极负极1601-3-1二极管特性曲线二极管特性曲线与PN结基本相同，略有差异。图1-14二极管伏安特性曲线

i/mAu/V(

A)0102030-5-10-0.50.5硅

二

极

管161一、正向特性硅:UD(on)=0.7V；1.导通电压或死区电压2.曲线分段：锗:UD(on)=0.3V。3.小功率二极管正常工作的电流范围内，管压降变化比较小。指数段（小电流时）、直线段（大电流时）。一般硅：0.6~0.8V，锗：0.1~0.3V。

i/mAu/V(

A)0102030-5-10-0.50.5硅

二

极

管162二、反向特性2.小功率二极管的反向电流很小。一般硅管<0.1

A，锗管<几十微安。1.反向电压加大时，反向电流也略有增大。

i/mAu/V(

A)0102030-5-10-0.50.5硅

二

极

管1631-3-2二极管的主要参数一、直流电阻图1-15二极管电阻的几何意义IDUDQ1RD=UD/IDRD

的几何意义：iu0Q2(a)直流电阻RDQ点到原点直线斜率的倒数。RD不是恒定的，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压的增大而增大。1641.正向电阻：几百欧姆；反向电阻：几百千欧姆；2.Q点不同，测出的电阻也不同；结论因此，PN结具有单向导电特性。165二、交流电阻二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)下的电压微变量与电流微变量之比。iu0Q

i

u(b)交流电阻rDrD

的几何意义:Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。166与IDQ成反比，并与温度有关。167例：已知D为Si二极管，流过D的直流电流ID=10mA，交流电压有效值

U=10mV，求室温下流过D的交流电流有效值

I=?10VDR0.93KΩUID解：交流电阻交流电流有效值为：168三、最大整流电流IF四、最大反向工作电压URM五、反向电流IR允许通过的最大正向平均电流。通常取U(BR)的一半，超过U(BR)容易发生反向击穿。未击穿时的反向电流。IR越小，单向导电性能越好。169六、最高工作频率fM※

需要指出，手册中给出的一般为典型值，需要时应通过实际测量得到准确值。工作频率超过f

M时，二极管的单向导电性能变坏。170对电子线路进行分析(定量分析)时,电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效表示，这称为：“建模”。计算机辅助分析计算要使用管子的模型。一、二极管的大信号等效电路1-3-3晶体二极管模型171由于二极管的非线性特性，当电路加入二极管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二极管的应用条件作合理近似，得到相应的等效电路，化为线性电路非线性近似线性

i/mAu/V(

A)0102030-5-10-0.50.5硅

二

极

管172图1-16二极管特性的折线近似及电路模型硅管：UD(on)＝０.7V锗管：UD(on)＝０.3ViA1uBUD(on)C0（a)折线近似特性U<UD(on)U

UD(on)12UD(on)rD(on)（b)近似电路模型173图1-16二极管特性的折线近似及电路模型iA′uBUD(on)C0（a)折线近似特性U<UD(on)U

UD(on)12UD(on)（c)简化电路模型174图1-16二极管特性的折线近似及电路模型iA2uB0C0（a)折线近似特性U<0U

012（d)理想电路模型175二极管大信号模型以上三种电路模型(近似、简化、理想)均为二极管线性化模型。对不同电路模型可在不同需求时采用。

176一、二极管整流电路

把交流电转变为直流电称为“整流”。反之称为“逆变”。整流交流电直流电逆变

1-3-4二极管基本应用电路177图1-17二极管半波整流电路及波形tui0

uot0(b)输入、输出波形关系VRLuiuo(a)电路

二极管近似为理想模型

思考：二极管近似为简化模型的电路输出？178uit010V0.7V179二、二极管限幅电路又称为：“削波电路”。能够把输入电压变化范围加以限制，常用于波形变换和整形。180图1-20二极管上限幅电路及波形

(b)

输入、输出波形关系t0

uo/V2.7-5t

ui/V0-55(a)电路E2VVRuiuo

二极管近似为简化模型181判别原则：ui-E

UD(ON)

时,V导通，否则截止。①当u

i≥2.7V,V导通，uo=E+0.7=2.7V②当u

i<2.7V时,V截止，即开路，uo=u

i。即：E2VVRuiuo182三、二极管电平选择电路能够从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路称为电平选择电路。183输入数字量时为与逻辑。5V1841.稳压二极管的正向特性、反向特性与普通二极管基本相同，区别仅在于反向击穿时，特性曲线更加陡峭。2.稳压管在反向击穿后，能通过调节自身电流，实现稳定电压的功能。电压几乎不变，为-UZ。即当一、稳压二极管的特性1-3-5稳压二极管及稳压电路185图1-21稳压二极管及其特性曲线(a)

电路符号i/mAu/V

IZmax0-UZ

IZmin(b)伏安特性曲线186二、稳压二极管主要参数稳压电压UZ额定功耗Pz稳定电流Iz动态电阻rz温度系数

187稳压电压UZ指管子长期稳定时的工作电压值。188额定功耗Pz

与材料、结构、工艺有关。使用时不允许超过此值。189稳定电流Iz稳压二极管正常工作时的参考电流。IZmin<IZ<IZmax,如果电流小于IZmin时，不能稳压，大于IZmax时，容易烧坏管子。i/mAu/V

IZmax0-UZ

IZmin(b)伏安特性曲线190动态电阻rz是在击穿状态下,管子两端电压变化量与电流变化量的比值。反映在特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。一般为几欧姆到几十欧姆（越小越好）。i/mAu/V

IZmax0-UZ

IZmin(b)伏安特性曲线191温度系数

指管子稳定电压受温度影响的程度。＞7V是正温系数(雪崩击穿)；＜5V是负温系数(齐纳击穿)；5～7V温度系数最小。192所谓稳压指当Ui、RL变化时，UO保持恒定。图1-22稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUo三、稳压二极管稳压电路稳压原理：若Ui不变，RL↓→Iz↓→IL↑→UO基本不变；

若RL不变，Ui↑→Iz↑→UR↑→UO基本不变193限流电阻R的选择：选择R的限制条件：当Ui、RL变化时，Iz应满足Izmin<Iz<Izmax

设外界条件为:Uimin<Ui<Uimax；RLmin<RL<RLmax

图1-22稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUo194图1-22稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUo分析过程： 根据电路：Iz何时取最大值？——ui=Uimax，RL=RLmax195图1-22稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUo196图1-22稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUoIz何时取最小值？——ui=Uimin，RL=RLmin197Rmin

<R<Rmax因此，可得限流电阻的取值范围是：图1-22稳压二极管稳压电路R

ILIZVZ

RLUiUo1981-6习题讲解V2导通，V1截止，UO＝5V。二极管等效为理想模型V1导通，V2截止，UO=0V。V1导通，V2导通UO=1.98V。1991-7在图P1-7所示的电路中，设二极管为理想二极管。当输入电压ui由0逐渐增加到10V时，试画出输出电压ui与uO的关系曲线。2002011-10稳压二极管电路如图P1-10所示，已知稳压管的UZ=6V，限流电阻R=100Ω。(1)当RL=200Ω时，稳压管的IZ=?UO=?(2)当RL=50Ω时，稳压管的IZ=?UO=?202解：（1）（2）203作业1-11-31-41-71-91-10204小结2.PN结是现代半导体器件的基础。它具有单向导电性、击穿特性和电容特性。1.N型半导体中，电子是多子，空穴是少子；P型半导体中，空穴是多子，电子是少子；多子浓度由掺杂浓度决定，少子浓度很小且随温度的变化而变化。3.

半导体二极管由一个PN结构成，大信号应用时表现为开关特性。4.利用PN结的击穿特性可制作稳压二极管。用稳压二极管构成稳压电路时，首先应保证稳压管反向击穿，另外必须串接限流电阻。205206KristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002AnalogElectronicsTutorialSeriesDIODES207TableofContentsKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Whatarediodesmadeoutof?____________________slide3N-typematerial_________________________________slide4P-typematerial_________________________________slide5Thepnjunction_________________________________slides6-7Thebiasedpnjunction___________________________slides8-9Propertiesofdiodes_____________________________slides10-11DiodeCircuitModels____________________________slides12-16TheQPoint____________________________________slides17-18DynamicResistance_____________________________slides19-20Typesofdiodesandtheiruses___________________slides21-24Sources_______________________________________slide25208WhatAreDiodesMadeOutOf?KristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Silicon(Si)andGermanium(Ge)arethetwomostcommonsingleelementsthatareusedtomakeDiodes.AcompoundthatiscommonlyusedisGalliumArsenide(GaAs),especiallyinthecaseofLEDsbecauseofit’slargebandgap.SiliconandGermaniumarebothgroup4elements,meaningtheyhave4valenceelectrons.Theirstructureallowsthemtogrowinashapecalledthediamondlattice.Galliumisagroup3elementwhileArsenideisagroup5element.Whenputtogetherasacompound,GaAscreatesazincblendlatticestructure.Inboththediamondlatticeandzincblendlattice,eachatomsharesitsvalenceelectronswithitsfourclosestneighbors.Thissharingofelectronsiswhatultimatelyallowsdiodestobebuild.Whendopantsfromgroups3or5(inmostcases)areaddedtoSi,GeorGaAsitchangesthepropertiesofthematerialsoweareabletomaketheP-andN-typematerialsthatbecomethediode.Si+4Si+4Si+4Si+4Si+4Si+4Si+4Si+4Si+4Thediagramaboveshowsthe2DstructureoftheSicrystal.Thelightgreenlinesrepresenttheelectronicbondsmadewhenthevalenceelectronsareshared.EachSiatomsharesoneelectronwitheachofitsfourclosestneighborssothatitsvalencebandwillhaveafull8electrons.209N-TypeMaterialKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002N-TypeMaterial:Whenextravalenceelectronsareintroducedintoamaterialsuchassiliconann-typematerialisproduced.Theextravalenceelectronsareintroducedbyputtingimpuritiesordopantsintothesilicon.Thedopantsusedtocreateann-typematerialareGroupVelements.ThemostcommonlyuseddopantsfromGroupVarearsenic,antimonyandphosphorus.The2DdiagramtotheleftshowstheextraelectronthatwillbepresentwhenaGroupVdopantisintroducedtoamaterialsuchassilicon.Thisextraelectronisverymobile.+4+4+5+4+4+4+4+4+4210P-TypeMaterialKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002P-TypeMaterial:P-typematerialisproducedwhenthedopantthatisintroducedisfromGroupIII.GroupIIIelementshaveonly3valenceelectronsandthereforethereisanelectronmissing.Thiscreatesahole(h+),orapositivechargethatcanmovearoundinthematerial.CommonlyusedGroupIIIdopantsarealuminum,boron,andgallium.The2DdiagramtotheleftshowstheholethatwillbepresentwhenaGroupIIIdopantisintroducedtoamaterialsuchassilicon.Thisholeisquitemobileinthesamewaytheextraelectronismobileinan-typematerial.+4+4+3+4+4+4+4+4+4211ThePNJunctionKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002SteadyState1Pn

------------------------------++++++++++++++++++++++++++++++NaNdMetallurgicalJunctionSpaceChargeRegionionizedacceptorsionizeddonorsE-Field++__h+drifth+diffusione-diffusione-drift==212ThePNJunctionSteadyStateKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Pn

--------------------++++++++++++++++++++NaNdMetallurgicalJunctionSpaceChargeRegionionizedacceptorsionizeddonorsE-Field++__h+drifth+diffusione-diffusione-drift====Whennoexternalsourceisconnectedtothepnjunction,diffusionanddriftbalanceeachotheroutforboththeholesandelectronsSpaceChargeRegion:

Alsocalledthedepletionregion.Thisregionincludesthenetpositivelyandnegativelychargedregions.Thespacechargeregiondoesnothaveanyfreecarriers.ThewidthofthespacechargeregionisdenotedbyWinpnjunctionformula’s.MetallurgicalJunction:

Theinterfacewherethep-andn-typematerialsmeet.Na&Nd:

Representtheamountofnegativeandpositivedopinginnumberofcarrierspercentimetercubed.Usuallyintherangeof1015to1020.213TheBiasedPNJunctionKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Pn+_AppliedElectricFieldMetalContact“OhmicContact”(Rs~0)+_VappliedIThepnjunctionisconsideredbiasedwhenanexternalvoltageisapplied.Therearetwotypesofbiasing:ForwardbiasandReversebias.Thesearedescribedonthennextslide.214TheBiased