模擬電路技術課件第一章

電子技術基礎——模擬部分主講申春課程中心:

學號登陸->課程資源->課程總覽->計算機科學與技術學院->模擬電子技術基礎->教學資料登陸信箱下載課件monidianzi2013@126.com密碼：shenchun1、電子系統(tǒng)與信號電子系統(tǒng):是由若干相互聯接、相互作用的基本電路組成的具有特定功能的電路整體。模擬信號:在時間上和幅值上均連續(xù)的信號。

信號：是信息的載體。自然界的各種物理量必須先經過傳感器轉換為電信號再送入電子系統(tǒng)中加以處理。例如：氣候信息就包含溫度、氣壓、風速等信號。數字信號:時間和數值上都是離散的信號。電壓放大和功率放大聲音音頻放大器傳聲器傳輸導線揚聲器模擬信號例：

擴音系統(tǒng)

第一章半導體二極管1.1半導體的基本知識1.2PN結的形成及特性※1.3

半導體二極管結構與特性※1.4

二極管基本電路及其分析方法1.5

特殊二極管1.1半導體的基本知識

一、半導體材料

在物理學中。根據材料的導電能力，可以將他們劃分導體、絕緣體和半導體。典型的半導體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。si硅原子Ge鍺原子+4硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。

本征半導體的共價鍵結構束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。二、本征半導體

本征半導體——化學成分純凈的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。

這一現象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，稱為空穴。

可見本征激發(fā)同時產生電子空穴對。

外加能量越高（溫度越高），產生的電子空穴對越多。與本征激發(fā)相反的現象——復合在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對自由電子帶負電荷電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－載流子空穴帶正電荷空穴流本征半導體的導電性取決于外加能量：溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。導電機制二.雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量雜質元素后的半導體稱為雜質半導體。1.

N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，砷等，稱為N型半導體。

N型半導體---電子型半導體多余電子磷原子硅原子多數載流子——自由電子少數載流子——空穴++++++++++++N型半導體施主離子自由電子電子空穴對+4+4+4+4+4+4+3+4+4+4+4+4+4+4+4+3+4+4

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶递d流子——空穴少數載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導體受主離子空穴電子空穴對2.

P型半導體雜質半導體的示意圖++++++++++++N型半導體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關，本征激發(fā)產生多子濃度——與溫度無關，由摻雜雜質產生1.2PN結及其單向導電性

1.載流子的漂移和擴散

漂移：由于電場的作用導致載流子的運動，形成漂移電流

擴散：由于載流子的濃度差異，載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散，形成擴散電流。

內電場E因多子濃度差形成內電場多子的擴散空間電荷區(qū)

阻止多子擴散，促使少子漂移。PN結合空間電荷區(qū)多子擴散電流少子漂移電流耗盡層

2.PN結的形成

少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散又失去多子，耗盡層寬，E內電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層動態(tài)平衡：擴散電流＝漂移電流總電流＝03.PN結的單向導電性(1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)

外電場的方向與內電場方向相反。

外電場削弱內電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流

(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)

外電場的方向與內電場方向相同。

外電場加強內電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IR(10-8至10-14A)PN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關。

PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現低電阻，PN結導通；

PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現高電阻，PN結截止。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。4.PN結的伏安特性曲線及表達式

根據理論推導，PN結的伏安特性曲線如圖正偏IF（多子擴散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結電擊穿——可逆。分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩種

根據理論分析：u為PN結兩端的電壓降i為流過PN結的電流IS為反向飽和電流VT稱為溫度的電壓當量對于室溫（相當T=300K）則有VT=26mV。)1(eTS-=nVuIin為發(fā)射系數，值1~2之間當u>0u>>VT時1eT>>nVuTeSnVuIi?當u<0|u|>>|UT

|時1eT<<nVu

總結：1、半導體的基本知識

本征半導體，本征激發(fā)，載流子（空穴、電子）

P型半導體，N型半導體，多子，少子2、PN結的形成

載流子的漂移及擴散

PN結的形成

PN結的單向導電性

PN結的V-I特性1.3半導體二極管二極管=PN結+管殼+引線NP1結構符號陽極+陰極-

二極管按結構分兩大類：(1)點接觸型二極管

PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。但不能承受高的反向電壓和大電流(2)面接觸型二極管`

PN結面積大，可以承受比較大的工作電流，反向擊穿電壓高，用于低頻大電流整流電路。負極引線正極引線N型硅PN結鋁合金小球底座

1.3.2

二極管的V—I特性

硅：0.5V

鍺：

0.1V(1)正向特性導通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR實驗曲線uEiVmAuEiVuA鍺硅：0.7V鍺：0.3V3二極管的主要參數

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓UBR———

二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。

(3)反向電流IR——

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。

(4)最高工作頻率fM:由于PN結存在結電容,當頻率升高到一定值時,二極管失去單向導電性.1.4二極管的基本電路及分析方法iR10VE1kΩ+–vD一、簡單二極管電路的圖解分析方法ivDEE/R端口左邊為線性器件i=(E–vD)/R端口右邊為非線性器件ivDivD圖解分析Q二、二極管的簡化模型分析方法DU2.恒壓降模型（串聯電壓源模型）UD二極管的導通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。DiuU1.理想二極管模型正偏反偏導通壓降二極管的V—A特性-+iu3.折線模型u≥UthU

th

二極管的門坎電壓。硅管0.5V；鍺管0.1V。DU2.恒壓降模型（串聯電壓源模型）UD二極管的導通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。DiuUthUrD=200WiuUth+-uithUrDrD=(0.7V-0.5V)/1mA=200Wu<Uth4.小信號模型如果信號在靜態(tài)工作Q（v=VD,i=ID）附近工作，可以把與Q點處相切直線的斜率的倒數作用微變電阻rDrD=△uD

/

△iD≈VT/ID=26(mV)/IDiuQ△iD△uDrD△iD+-△uD導通壓降二極管的V—A特性-+iuIR10VE10kΩ例1：測量值0.932mA理想二極管模型RI10VE10kΩmA1K10V10=W=I相對誤差000071000.9321-0.932=d×≈恒壓降模型IR10VE10kΩ0.7VmA0.93V)7.010(=10KW-=I相對誤差000.21000.932

0.932-0.93=d×≈00折線模型0.5VIR10VE10kΩrD

=200WdmA0.931V)5.010(≈10.2KW-=I相對誤差000.11000.932

0.932-0.931=×≈00二極管的近似分析計算1.4.2二極管應用的典型電路1.限幅電路:能把輸出電壓限制在一定幅值內的電路。02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V采用恒壓降模型UREF=2V2.整流電路：將交流電壓轉變成單向直流電壓的電路采用理想模型++--vivo0vit0vit3.開關電路:利用二極管的單向導電性，可以接通或斷開電路。

vi1vi2vo采用理想模型該電路是“與”門電路。完成了“與”的邏輯關系VCC+5V例:電路如圖（a）所示，其輸入電壓vi1和vi2的波形如圖（b）所示，設二極管為理想二極管。試畫出輸出電壓vo的波形。例:電路如圖所示，設ui=10sinωt，二極管使用恒壓降模型（0.7V），試畫出輸出電壓uo的波形。

例:在0≤t≤10ms時間內，電路輸入vi(t)波形如圖所示。分別繪出以下兩圖電路的輸出電壓Vo(t)的波形。設二極管是理想的。1.5特殊二極管當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時,其兩端電壓近似為常數穩(wěn)定電壓

穩(wěn)壓二極管是應用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管正向同二極管反偏電壓≥UZ

反向擊穿＋UZ－限流電阻

【例1.4】由穩(wěn)壓管可以