模拟电子线路一单元

1、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。,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。,晶体二极管,实际二极管的照片,电路符号,1.1半

2、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：,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。,硅和锗共价键结构示意图：,1.1.1本征半导体,晶体二极管,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,硅和锗的晶体结构：,本征激发,共价键具有很强的结合力。 当 T = 0 K(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。(

3、动画),晶体二极管,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,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,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：,N 型半导体： (动画),1.1.2杂质半导体,简化

4、模型：,本征半导体中掺入少量五价元素构成。,Negative,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,P 型半导体(动画),简化模型：,本征半导体中掺入少量三价元素构成。,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生 一个空穴。这个空穴可

5、能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,杂质半导体中载流浓度计算,1.1.3两种导电机理漂移和扩散,漂移与漂移电流,载流子在电场作用下的运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。,总漂移电流密度：,半导体的电导率,电压： V = E l,电流： I = S Jt,电阻：,电导率：,载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散电流。,扩散电流密度：,扩散与扩散电流,1.2PN 结,利用掺杂工艺，把 P 型半导体和 N 型半导体在原子级上紧密结合，P 区与 N 区的交界面就形成了 PN 结。,N 型,PN 结,1.空间电荷区中没

6、有载流子。,2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3.P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,1.2.1动态平衡下的 PN 结,阻止多子扩散,利于少子漂移,PN 结形成的物理过程(动画),内建电位差：,阻挡层宽度：,注意：掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位差 VB越大，阻 挡层宽度 l0 越小。,1.2.2PN 结的伏安特性,PN 结单向导电特性,I,二极管,一、PN 结正向偏置(动画),P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,PN 结单向导电特性,IR,结论：P

7、N 结具有单方向导电特性。,二、PN 结反向偏置(动画),N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,二极管的单向导电性仿真,PN 结伏安特性方程式,PN 结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：,其中：,IS 为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。,正偏时：,反偏时：,PN 结伏安特性曲线,温度每升高 10，IS 约增加一倍。,温度每升高 1， VD(on) 约减小 2.5 mV。,O,1.2.3PN 结的击穿特性,O,因为 T 载流子运动的平均自由路程 V(BR)。,击穿电压的温度特性,雪崩击穿电压

8、具有正温度系数。,齐纳击穿电压具有负温度系数。,因为 T 价电子获得的能量 V(BR)。,稳压二极管,利用 PN 结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。,要求：IZmin IZ IZmax,稳压仿真,1.2.4PN 结的电容特性,势垒区内空间电荷量随外加电压变化产生的电容效应。,势垒电容 CT,扩散电容 CD,阻挡层外(P 区和 N 区)贮存的非平衡电荷量,随外加电压变化产生的电容效应。,PN 结电容,PN 结反偏时，CT CD ，则 Cj CT,PN 结总电容： Cj = CT + CD,PN 结正偏时，CD CT ，则 Cj CD,故：PN 结正偏时，以 CD 为主。,故：PN 结反偏时，以

9、 CT 为主。,通常：CD 几十 pF 几千 pF。,通常：CT 几 pF 几十 pF。,1.3晶体二极管电路分析方法,晶体二极管的内部结构就是一个 PN 结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型：,便于计算机辅助分析的数学模型,适于任一工作状态的通用曲线模型,1.3.1晶体二极管的模型,数学模型伏安特性方程式,理想模型：,修正模型：,rS 体电阻 + 引线接触电阻 + 引线电阻,注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面 漏电流的影响，实际 IS 理想 IS。,晶体二极管,曲线模型伏安特性曲线,晶体二极管的伏安特性曲线，通常由实测得到。,简化电路模型,折线等效：

10、在主要利用二极管单向导电性的电路中， 实际二极管的伏安特性。,理想状态：与外电路相比，VD(on) 和 RD 均可忽略时， 二极管的伏安特性和电路符号。,开关状态：与外电路相比，RD 可忽略时的伏安特性。,简化电路模型：折线等效时，二极管的简化电路模型。,小信号电路模型,rs：PN 结串联电阻，数值很小。,rj：为二极管增量结电阻。,Cj：PN 结结电容，由 CD 和 CT 两部分构成。,注意：高频电路中，需考虑 Cj 影响。因高频工作时， Cj 容抗很小，PN 结单向导电性会因 Cj 的交流 旁路作用而变差。,图解法,分析二极管电路主要采用：图解法、简化分析法、小信号等效电路法。(重点掌握简

11、化分析法),写出管外电路直流负载线方程。,1.3.2晶体二极管电路分析方法,利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。,要求：已知二极管伏安特性曲线和外围电路元件值。,分析步骤：,作直流负载线。,分析直流工作点。,优点：直观。既可分析直流，也可分析交流。,例 1已知电路参数和二极管伏安特性曲线，试求电路的 静态工作点电压和电流。,Q,由图可写出直流负载线方程：V = VDD - IR,在直流负载线上任取两点：,解：,VDD,VDD/R,连接两点，画出直流负载线。,VQ,IQ,令 I = 0，得 V = VDD；,令 V = 0，得 I = VDD / R；,所得交点(

12、VQ , IQ)，即为 Q 点。,简化分析法,即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。,将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化电路 模型替代，然后分析求解。,(1)估算法,判断二极管是导通还是截止？,假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位。,理想二极管：若 V 0，则管子导通；反之截止。,实际二极管：若 V VD(on)，管子导通；反之截止。,当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子 优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。,晶体二极管,例 2设二极管是理想的，求 VAO 值。,图(a)，假设 D 开路，则 D 两端电压：,VD = V1 V2 =

13、( 6 12)V = 18 V 0 V，,解：,故 D 截止。,VAO = 12 V。,图(b)，假设 D1、D2 开路，则 D 两端电压：,VD1=V2 0 = 9 V 0 V，,VD2 = V2 (V1) = 15 V 0 V。,由于 VD2 VD1 ，则 D2 优先导通。,此时 VD1 = 6 V 0 V，,故 D1 截止。,VAO = V1 = 6 V 。,(2)画输出信号波形方法,根据输入信号大小 判断二极管的导通与截止 找出 vo 与 vi 关系 画输出信号波形。,例 3设二极管是理想的，vi = 6sint (V)，试画 vo波形。,解：,vi 2 V 时，D 导通，则 vO =

14、 vi,vi 2 V 时，D 截止，则 vO = 2 V,由此可画出 vO 的波形。,小信号分析法,即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。,分析步骤：,将直流电源短路，画交流通路。,用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。,利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。,1.4晶体二极管的应用,电源设备组成框图： (动画),晶体二极管,整流电路,1.4.1整流与稳压电路,当 vi 0 V 时，D 导通，则 vO = vi,当 vi 0 V 时，D 截止，则 vO = 0 V,由此，利用二极管的单向导电性，实现了半波整流(动画) 。,若输入信号

15、为正弦波：,平均值：,VO,t,O,vO,Vim,Vim,桥式整流电路的仿真,整流后的波形,VD1开路,整流后的波形,半波,稳压电路,某原因 VO IZ I ,限流电阻 R：保证稳压管工作在 IZmin IZmax 之间,稳压原理：,VO = VZ,输出电压：,1.4.2限幅电路(或削波电路),V2 vi V1 时，D1、D2 截止，vo = vi,Vi V1 时，D1 导通、D2 截止，vo = V1,Vi V2 时，D2 导通、D1 截止，vo = -V2,由此 ，电路实现双向限幅功能。,其中：V1 为上限幅电平， V2 为下限幅电平。,补: 半导体器件的种类及发展,、种类： 二极管、三极

16、管、场效应管、集成电路（IC） Integrated Circuit,、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),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:,1第一代电子器件电子管 1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）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。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m2，重30t，