第1章南昌大學(xué)低頻

第1章晶體二極管晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)：PN結(jié)正偏(P接+、N接-)，D導(dǎo)通。PN正極負(fù)極晶體二極管的主要特性：?jiǎn)畏较驅(qū)щ娞匦訮N結(jié)反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、開(kāi)關(guān)、檢波電路中。1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。硅(Si)、鍺(Ge)原子結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化模型：+14284+3228418+4價(jià)電子慣性核硅和鍺的單晶稱為本征半導(dǎo)體。它們是制造半導(dǎo)體器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和鍺共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖：共價(jià)鍵1.1.1本征半導(dǎo)體本征激發(fā)當(dāng)T

升高或光線照射時(shí)產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。當(dāng)T=0K(無(wú)外界影響)

時(shí)，共價(jià)鍵中無(wú)自由移動(dòng)的電子。這種現(xiàn)象稱注意：空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的重要特征。本征激發(fā)。當(dāng)原子中的價(jià)電子激發(fā)為自由電子時(shí)，原子中留下空位，同時(shí)原子因失去價(jià)電子而帶正電。當(dāng)鄰近原子中的價(jià)電子不斷填補(bǔ)這些空位時(shí)形成一種運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)可等效地看作是空穴的運(yùn)動(dòng)。注意：空穴運(yùn)動(dòng)方向與價(jià)電子填補(bǔ)方向相反。自由電子—帶負(fù)電半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子空穴的運(yùn)動(dòng)空穴—帶正電復(fù)合過(guò)程溫度一定時(shí)：激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度：本征半導(dǎo)體中本征激發(fā)——產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。電子和空穴相遇釋放能量——復(fù)合。T導(dǎo)電能力ni或光照熱敏特性光敏特性

N型半導(dǎo)體：1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+5+4+4簡(jiǎn)化模型：N型半導(dǎo)體多子——自由電子少子——空穴自由電子本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素構(gòu)成。磷、銻或砷等

P型半導(dǎo)體+4+4+3+4+4簡(jiǎn)化模型：P型半導(dǎo)體少子——自由電子多子——空穴空穴本征半導(dǎo)體中摻入少量三價(jià)元素構(gòu)成。硼、鎵或鋁等雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計(jì)算N型半導(dǎo)體(熱平衡條件)(電中性條件)P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體呈電中性少子濃度取決于溫度。多子濃度取決于摻雜濃度。例：一塊本征硅片中摻入五價(jià)元素砷，濃度為Nd＝8×1014cm－3。試求室溫300K時(shí)的自由電子和空穴的熱平衡濃度值。由于ni=1.5×1010cm－3故多子自由電子濃度n0Nd＝8×1014cm－3少子空穴濃度在上例中，當(dāng)溫度分別升高到400K和500K時(shí)，試求自由電子和空穴的熱平衡濃度值。在400K時(shí)，ni＝7.59×1012cm－3在500K時(shí)，ni＝3.53×1014cm－3例：一塊本征硅片,先摻入五價(jià)元素砷，濃度為Nd＝8×1016cm－3，為N型半導(dǎo)體，再摻入濃度為的三價(jià)硼原子，試問(wèn)它為何種雜質(zhì)半導(dǎo)體，并求室溫時(shí)的多子和少子的熱平衡濃度值。5×1017cm－31.1.3兩種導(dǎo)電機(jī)理——漂移和擴(kuò)散漂移與漂移電流載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)稱漂移運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱漂移電流。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率半導(dǎo)體的電導(dǎo)率電壓：V=E

l電流：I=SJt+-V長(zhǎng)度l截面積S電場(chǎng)EI電阻：電導(dǎo)率：

假設(shè)足夠強(qiáng)度的光均勻地照射在半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的熱平衡條件受到破壞，由光照產(chǎn)生的載流子將疊加在熱平衡濃度值上。常將它們稱為非平衡載流子，其濃度值分別用表示，且兩者相等。則半導(dǎo)體的導(dǎo)電率為：載流子在濃度差作用下的運(yùn)動(dòng)稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流密度：擴(kuò)散與擴(kuò)散電流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xn0p01.2PN結(jié)利用摻雜工藝，把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在原子級(jí)上緊密結(jié)合，P區(qū)與N區(qū)的交界面就形成了PN結(jié)。摻雜N型P型PN結(jié)1.2.1動(dòng)態(tài)平衡下的PN結(jié)阻止多子擴(kuò)散出現(xiàn)內(nèi)建電場(chǎng)開(kāi)始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴(kuò)散利于少子漂移最終達(dá)動(dòng)態(tài)平衡注意：PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流與漂移電流相抵消，通過(guò)PN結(jié)的電流為零。

PN結(jié)形成的物理過(guò)程內(nèi)建電位差：室溫時(shí)鍺管VB

0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V阻擋層寬度：注意：阻擋層任一側(cè)寬度與該側(cè)摻雜濃度成反比。阻擋層寬度受內(nèi)建電位差、摻雜濃度、溫度變化的影響。注意：溫度每升高1度，VB約減小2.5mV。1.2.2PN結(jié)的伏安特性

PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場(chǎng)El0+-VPN結(jié)正偏阻擋層變薄內(nèi)建電場(chǎng)減弱多子擴(kuò)散>>少子漂移多子擴(kuò)散形成較大的正向電流IPN結(jié)導(dǎo)通I電壓V電流I

PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場(chǎng)

El0-+VPN結(jié)反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)少子漂移>>多子擴(kuò)散少子漂移形成微小的反向電流IRPN結(jié)截止IRIR與V近似無(wú)關(guān)。溫度T電流IR結(jié)論：PN結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦浴?/p>

PN結(jié)——伏安特性方程式PN結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來(lái)描述：熱電壓26mV(室溫)其中：IS為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無(wú)關(guān)，但受溫度影響很大。正偏時(shí)：反偏時(shí)：

PN結(jié)——伏安特性曲線IDVVD(on)-ISSiGeVon=0.6~0.8VIS=(10-9~10-16)A硅PN結(jié)Von=0.2~0.3V鍺PN結(jié)IS=(10-6~10-8)AV>Von時(shí)隨著V

正向R很小I

PN結(jié)導(dǎo)通；V<Von時(shí)IR很小(IR-IS)反向R很大PN結(jié)截止。溫度每升高10℃，IS約增加一倍。溫度每升高1℃，Von約減小2.5mV。O1.2.3PN結(jié)的擊穿特性|V反|

=V(BR)時(shí)，IR急劇，

PN結(jié)反向擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿PN結(jié)摻雜濃度較低(l0較寬)發(fā)生條件外加反向電壓較大(>6V)

形成原因：碰撞電離。V(BR)IDV形成原因：場(chǎng)致激發(fā)。

發(fā)生條件PN結(jié)摻雜濃度較高(l0較窄)外加反向電壓較小(<6V)O1.2.4PN結(jié)的溫度特性PN結(jié)伏安特性的溫度特性溫度每升高10度，Is約增加一倍；PN結(jié)正向電流隨溫度升高而略有增大。VIDT2T1T2T1>穩(wěn)壓二極管利用PN結(jié)的反向擊穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。要求：IZmin<IZ<IZmaxVZIDVIZminIZmax+-VZO因?yàn)門(mén)

載流子運(yùn)動(dòng)的平均自由路程V(BR)。擊穿電壓的溫度特性雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)。齊納擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。因?yàn)門(mén)

價(jià)電子獲得的能量V(BR)。1.2.5PN結(jié)的電容特性勢(shì)壘區(qū)內(nèi)空間電荷量隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。勢(shì)壘電容CT(增量電容，非恒值)擴(kuò)散電容CD

阻擋層外(P區(qū)和N區(qū))貯存的非平衡電荷量,隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。CT(0)CTVOxn少子濃度xO-xpP+N

PN結(jié)電容

PN結(jié)反偏時(shí)，CT>>CD，則Cj

CTPN結(jié)總電容：Cj=CT+CD

PN結(jié)正偏時(shí)，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結(jié)正偏時(shí)，以CD為主。故：PN結(jié)反偏時(shí)，以CT為主。通常：CD幾十pF~幾千pF。通常：CT

幾pF~幾十pF。1.2.6PN結(jié)的開(kāi)關(guān)特性理想開(kāi)關(guān)特性

開(kāi)關(guān)閉合，接通電阻為0；開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，關(guān)斷電阻趨于無(wú)窮，且通斷之間的切換是瞬間完成的。若忽略PN結(jié)的導(dǎo)通電壓和反向飽和電流影響，PN結(jié)具有理想開(kāi)關(guān)的特性。開(kāi)關(guān)特性的非理想性

導(dǎo)通電壓、導(dǎo)通后的電阻特性、反向飽和電流、導(dǎo)通與截止之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間。開(kāi)關(guān)二極管參數(shù)最大正向電流、最大反向工作電壓等。

+-RV1.3晶體二極管電路的分析方法晶體二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PN結(jié)。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示為不同形式的模型：便于計(jì)算機(jī)輔助分析的數(shù)學(xué)模型適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型直流簡(jiǎn)化電路模型交流小信號(hào)電路模型電路分析時(shí)采用的1.3.1晶體二極管模型數(shù)學(xué)模型——伏安特性方程式理想模型：修正模型：其中：n—非理想化因子I正常時(shí)：n1I過(guò)小或過(guò)大時(shí)：n

2rS—體電阻+引線接觸電阻+引線電阻注意：考慮到阻擋層內(nèi)產(chǎn)生的自由電子空穴對(duì)及表面漏電流的影響，實(shí)際IS

理想IS。曲線模型—伏安特性曲線V(BR)I

/mAV/VVD(on)-IS當(dāng)V>VD(on)時(shí)二極管導(dǎo)通當(dāng)V<VD(on)時(shí)二極管截止當(dāng)反向電壓V

V(BR)時(shí)二極管擊穿晶體二極管的伏安特性曲線，通常由實(shí)測(cè)得到。等效電路模型折線等效：在主要利用二極管單向?qū)щ娦缘碾娐分校瑢?shí)際二極管的伏安特性。IVVD(on)IVOabIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想狀態(tài)：與外電路相比，VD(on)和RD均可忽略時(shí)，二極管的伏安特性和電路符號(hào)。開(kāi)關(guān)狀態(tài)：與外電路相比，RD可忽略時(shí)的伏安特性。簡(jiǎn)化電路模型：折線等效時(shí)，二極管的簡(jiǎn)化電路模型。大信號(hào)模型小信號(hào)電路模型rsrjCjIVQrs：PN結(jié)串聯(lián)電阻，數(shù)值很小。rj：為二極管增量結(jié)電阻。Cj：PN結(jié)結(jié)電容，由CD和CT兩部分構(gòu)成。注意：高頻電路中，需考慮Cj影響。因高頻工作時(shí)，

Cj容抗很小，PN結(jié)單向?qū)щ娦詴?huì)因Cj的交流旁路作用而變差。圖解法分析二極管電路主要采用：圖解法、等效電路法。寫(xiě)出管外電路負(fù)載線方程；1.3.2晶體二極管電路分析方法利用二極管曲線模型和管外電路所確定的負(fù)載線，通過(guò)作圖的方法進(jìn)行求解。要求：已知二極管伏安特性曲線和外圍電路元件值。分析步驟：作負(fù)載線；在伏安特性曲線上分析工作點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：直觀。例已知電路參數(shù)和二極管伏安特性曲線，試求電路的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓和電流。IVQ+-RVDDDI+-V由圖可寫(xiě)出直流負(fù)載線方程：V=VDD

-

IR在直流負(fù)載線上任取兩點(diǎn)：解：VDDVDD/R連接兩點(diǎn)，畫(huà)出直流負(fù)載線。VQIQ令I(lǐng)=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；所得交點(diǎn)(VQ

,

IQ)，即為Q

點(diǎn)。tOQOtO若上例存在增量電壓源時(shí)，在的作用下，管外電路方程為相應(yīng)的負(fù)載線是一組斜率為－1/R且隨wt的變化而平行移動(dòng)的直線。圖解法的交流分析等效電路法即將電路中二極管用簡(jiǎn)化電路模型代替，利用所得到的簡(jiǎn)化電路進(jìn)行分析、求解。將截止的二極管開(kāi)路，導(dǎo)通的二極管用等效電路模型替代，然后分析求解。(1)估算法判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？假設(shè)電路中二極管全部開(kāi)路，分析其兩端的電位。理想二極管：若V>0，則管子導(dǎo)通；反之截止。實(shí)際二極管：若V>VD(on)，管子導(dǎo)通；反之截止。當(dāng)電路中存在多個(gè)二極管時(shí)，正偏電壓最大的管子優(yōu)先導(dǎo)通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。例設(shè)二極管是理想的，求VAO值。圖(a)，假設(shè)D開(kāi)路，則D兩端電壓：VD=V1–V2=(–6–12)V=–18V<0V，解：故D截止。VAO=12V。+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3k(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3k6V9V(b)圖(b)，假設(shè)D1、D2開(kāi)路，則D兩端電壓：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V。

由于VD2>VD1，則D2優(yōu)先導(dǎo)通。此時(shí)VD1

=–6V<0V，故D1截止。VAO=–V1=–6V。(2)畫(huà)輸出信號(hào)波形方法根據(jù)輸入信號(hào)大小判斷二極管的導(dǎo)通與截止找出vo與vi關(guān)系畫(huà)輸出信號(hào)波形。例設(shè)二極管是理想的，vi

=6sint(V)，試畫(huà)vo波形。解：vi>2V時(shí)，D導(dǎo)通，則vO=vivi

2V時(shí)，D截止，則vO=2V由此可畫(huà)出vO的波形。

+-DV+-+-2V100Rvovit62OVi/VVo/VtO26小信號(hào)分析法即將電路中的二極管用小信號(hào)電路模型代替，利用得到的小信號(hào)等效電路分析電壓或電流的變化量。分析步驟：將直流電源短路，畫(huà)交流通路。用小信號(hào)電路模型代替二極管，得小信號(hào)等效電路。利用小信號(hào)等效電路分析電壓與電流的變化量。1.4晶體二極管的應(yīng)用電源設(shè)備組成框圖：電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路vivotvitv1tv2tv3tvo整流電路1.4.1整流與穩(wěn)壓電路D+-+-RvOvi當(dāng)vi>0V時(shí)，D導(dǎo)通，則vO=vi當(dāng)vi

0V時(shí)，D截止，則vO=0V由此，利用二極管的單向?qū)щ娦?，?shí)現(xiàn)了半波整流。

若輸入信號(hào)為正弦波：

平均值：

VOtOvitOvOVimVim穩(wěn)壓電路某原因VOIZI限流電阻R：保證穩(wěn)壓管工作在IZm