模擬電子線路課件

1、指包含電子器件、并能對電指包含電子器件、并能對電 信號實(shí)現(xiàn)某種處理的功能電路。信號實(shí)現(xiàn)某種處理的功能電路。 電子器件電子器件 + 外圍電路外圍電路 二極管、三極管、場效應(yīng)管、二極管、三極管、場效應(yīng)管、 集成電路。集成電路。 直流電源、電阻、電容、直流電源、電阻、電容、 電流源電路等。電流源電路等。 PN 正極正極負(fù)極負(fù)極 即即 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。 硅硅 ( Si ) 、鍺、鍺 ( Ge ) 原子結(jié)構(gòu)及簡化模型：原子結(jié)構(gòu)及簡化模型： +14 2 8 4 +32 2 8418 +4 價電子價電子 慣性核慣性核 硅和鍺的單晶稱為硅

2、和鍺的單晶稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。它們是制造。它們是制造 半導(dǎo)體器件的基本材料。半導(dǎo)體器件的基本材料。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 硅和鍺共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖：硅和鍺共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖： 共價鍵共價鍵 q當(dāng)當(dāng)T升高或光線照射時升高或光線照射時產(chǎn)生產(chǎn)生自由電子空穴對。自由電子空穴對。 q 共價鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。共價鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。 當(dāng)當(dāng)T=0K（無外界影（無外界影 響）時，共價鍵中無自由移動的電子。響）時，共價鍵中無自由移動的電子。 這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱 注意：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。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)本征激發(fā)。 本征激

3、發(fā)本征激發(fā) 當(dāng)原子中的價電子激發(fā)為自由電子時，原子中留當(dāng)原子中的價電子激發(fā)為自由電子時，原子中留 下空位，同時原子因失去價電子而帶正電。下空位，同時原子因失去價電子而帶正電。 當(dāng)鄰近原子中的價電子不斷填補(bǔ)這些空位時形成當(dāng)鄰近原子中的價電子不斷填補(bǔ)這些空位時形成 一種運(yùn)動，該運(yùn)動可等效地看作是一種運(yùn)動，該運(yùn)動可等效地看作是空穴的運(yùn)動空穴的運(yùn)動。 注意：注意：空穴運(yùn)動方向與價電子填補(bǔ)方向相反?？昭ㄟ\(yùn)動方向與價電子填補(bǔ)方向相反。 自由電子自由電子 帶負(fù)電帶負(fù)電 半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子 空穴的運(yùn)動空穴的運(yùn)動 空空 穴穴 帶正電帶正電 溫度一定時：溫度一定時： 激發(fā)與復(fù)合在

4、某一熱平衡值上達(dá)到激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動態(tài)平衡。動態(tài)平衡。 熱平衡載流子濃度：熱平衡載流子濃度： 本征半導(dǎo)體中本征半導(dǎo)體中 本征激發(fā)本征激發(fā)產(chǎn)生產(chǎn)生自由電子空穴對。自由電子空穴對。 電子和空穴相遇釋放能量電子和空穴相遇釋放能量復(fù)合。復(fù)合。 i kT E i peATn g 22 3 0 T導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力 ni 或光照或光照 熱敏特性熱敏特性 光敏特性光敏特性 v N N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體： +4 +4 +5 +4 +4 簡化模型：簡化模型： N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 多子多子自由電子自由電子 少子少子空穴空穴 自由電子自由電子 本征半導(dǎo)體中摻入少量本征半導(dǎo)體中摻入少量五價五價元素構(gòu)成。元

5、素構(gòu)成。 v P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 +4 +4 +3 +4 +4 簡化模型：簡化模型： P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 少子少子自由電子自由電子 多子多子空穴空穴 空空 穴穴 本征半導(dǎo)體中摻入少量本征半導(dǎo)體中摻入少量三價三價元素構(gòu)成。元素構(gòu)成。 載流子在電場作用下的運(yùn)動運(yùn)動稱載流子在電場作用下的運(yùn)動運(yùn)動稱漂移運(yùn)動，漂移運(yùn)動， 所形成的電流稱所形成的電流稱漂移電流。漂移電流。 漂移電流密度漂移電流密度 EqpJ Ppt EpqJ nnt )( 總漂移電流密度：總漂移電流密度：)( nPntptt npEqJJJ 遷移率遷移率 漂移與漂移電流漂移與漂移電流 載流子在濃度差作用下的運(yùn)動稱載流子在濃度差作用下的

6、運(yùn)動稱擴(kuò)散運(yùn)動，擴(kuò)散運(yùn)動， 所形成的電流稱所形成的電流稱擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流。 擴(kuò)散電流密度擴(kuò)散電流密度: x xp qDJ d )(d ppd x xn DqJ d )(d )( nnd 擴(kuò)散與擴(kuò)散電流擴(kuò)散與擴(kuò)散電流 N N 型型 硅硅 光照光照 n(x) p(x) 載流子濃度載流子濃度 x no po 利用摻雜工藝，把利用摻雜工藝，把P P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N N型半導(dǎo)體在原子型半導(dǎo)體在原子 級上緊密結(jié)合，級上緊密結(jié)合，P P區(qū)與區(qū)與N N區(qū)的交界面就形成了區(qū)的交界面就形成了PNPN結(jié)。結(jié)。 摻雜摻雜 N型型P型型 PN結(jié)結(jié) 阻止多子擴(kuò)散阻止多子擴(kuò)散 出現(xiàn)內(nèi)建電場出現(xiàn)內(nèi)建電場 開始因濃度差

7、開始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴(kuò)散引起多子擴(kuò)散 利于少子漂移利于少子漂移 最終達(dá)動態(tài)平衡最終達(dá)動態(tài)平衡 注意：注意： PNPN結(jié)處于動態(tài)平衡時，擴(kuò)散電流與漂移電結(jié)處于動態(tài)平衡時，擴(kuò)散電流與漂移電 流相抵消，通過流相抵消，通過PNPN結(jié)的電流為零。結(jié)的電流為零。 PNPN結(jié)形成的物理過程結(jié)形成的物理過程 注意：注意：摻雜濃度（摻雜濃度（Na、Nd）越大，內(nèi)建電位差）越大，內(nèi)建電位差 VB 越大，阻擋層寬度越大，阻擋層寬度 l0 0 越小。越小。 內(nèi)建電位差：內(nèi)建電位差： 2 i da TB ln n NN VV 阻擋層寬度：阻擋層寬度： 2 1 da da B0 ) 2 ( N

8、N NN V q l 室溫時室溫時 鍺管鍺管 VB 0.2 0.3V 硅管硅管 VB 0.5 0.7V PN結(jié)結(jié)單向?qū)щ娞匦詥蜗驅(qū)щ娞匦?P+N 內(nèi)建電場內(nèi)建電場E E lo + -+ - V PN結(jié)結(jié)正偏正偏 阻擋層變薄阻擋層變薄 內(nèi)建電場減弱內(nèi)建電場減弱 多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散少子漂移少子漂移 多子擴(kuò)散形成多子擴(kuò)散形成較大較大的正向電流的正向電流IPNPN結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通 I 電壓電壓V V 電流電流I I PN結(jié)結(jié)單向?qū)щ娞匦詥蜗驅(qū)щ娞匦?P+N 內(nèi)建電場內(nèi)建電場E E lo - +- + V PN結(jié)結(jié)反偏反偏 阻擋層變寬阻擋層變寬 內(nèi)建電場增強(qiáng)內(nèi)建電場增強(qiáng) 少子漂移少子漂移多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散 少子

9、少子漂移漂移形成形成微小微小的反向電流的反向電流IR PNPN結(jié)截止結(jié)截止 IR I IR R與與V V 近似無關(guān)。近似無關(guān)。 溫度溫度T T 電流電流I IR R 結(jié)論：結(jié)論：PNPN結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦?。結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦浴?PN結(jié)結(jié)伏安特性方程式伏安特性方程式 PNPN結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來描述：結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來描述： ) 1( T S V V eII q kT V T 熱電壓熱電壓 26mV（室溫）（室溫）其中：其中： IS為反向飽和電流，其值與外加電壓近似為反向飽和電流，其值與外加電壓近似 無關(guān)，但受溫度影響很大。無關(guān)，但受溫度影響很大。 正偏時：

10、正偏時： T S V V eII 反偏時：反偏時： S II PN結(jié)結(jié)伏安特性曲線伏安特性曲線 ID(mA) V(V) VD(on) - -IS SiGe VD(on)= 0.7V IS=(10-910-16)A 硅硅PNPN結(jié)結(jié) VD(on)= 0.25V 鍺鍺PNPN結(jié)結(jié) IS=(10-610-8)A V VD(on)時時 隨著隨著V 正向正向R R很小很小 I PNPN結(jié)導(dǎo)通；結(jié)導(dǎo)通； V 6V) ) 形成原因形成原因: : 碰撞電離碰撞電離。 V(BR) ID(mA) V(V) 形成原因形成原因: : 場致激發(fā)。場致激發(fā)。 發(fā)生條件發(fā)生條件 PNPN結(jié)摻雜濃度較高結(jié)摻雜濃度較高 ( (

11、lo o較窄較窄) ) 外加反向電壓較小外加反向電壓較小( (6V) ) 因為因為T 載流子運(yùn)動的平均自由路程載流子運(yùn)動的平均自由路程 V(BR) (BR) 。 。 雪崩擊穿電壓雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)。具有正溫度系數(shù)。 齊納擊穿電壓齊納擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。具有負(fù)溫度系數(shù)。 因為因為T 價電子獲得的能量價電子獲得的能量 V(BR) (BR) 。 。 VZ ID(mA) V(V) IZmin IZmax + - - VZ Z 利用利用PNPN結(jié)的反向擊穿特結(jié)的反向擊穿特 性，可性，可制成穩(wěn)壓二極管。制成穩(wěn)壓二極管。 要求：要求：Izmin Iz CD ，則，則 Cj CT PN結(jié)總電容：結(jié)

12、總電容： Cj = CT + CD PN結(jié)正偏時，結(jié)正偏時，CD CT ，則，則 Cj CD 故：故：PN結(jié)正偏時，以結(jié)正偏時，以CD為主。為主。 故：故：PNPN結(jié)結(jié)反偏時，以反偏時，以CT為主。為主。 通常：通常：CD 幾十幾十PF 幾千幾千PF。 通常：通常：CT 幾幾PF 幾十幾十PF。 晶體二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個晶體二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個PNPN結(jié)。就其結(jié)。就其 伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表 示為不同形式的模型：示為不同形式的模型： 適于任一工作狀態(tài)的適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型通用曲線模型 便于計算機(jī)輔助分析的便于計算機(jī)輔助

13、分析的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 直流簡化電路模型直流簡化電路模型 交流小信號電路模型交流小信號電路模型 電路分析時采用的電路分析時采用的 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型伏安特性方程式伏安特性方程式 ) 1e ( T S V V II 理想模型：理想模型： 修正模型：修正模型：) 1e ( T S S nV IrV II r rS S 體電阻體電阻 + + 引線接觸電阻引線接觸電阻 + + 引線電阻引線電阻 其中：其中：n 非理想化因子非理想化因子 I I 正常時正常時: : n 1 1 I I 過小或過大時過小或過大時: n: n 2 2 注意：注意：考慮到阻擋層內(nèi)產(chǎn)生的自由電子空穴對及表考慮到阻擋層內(nèi)產(chǎn)生的自由電

14、子空穴對及表 面漏電流的影響，實(shí)際面漏電流的影響，實(shí)際I IS S理想理想I IS S。 。 曲線模型曲線模型伏安特性曲線伏安特性曲線 V(BR) I (mA) V(V) VD(on)-IS 當(dāng)當(dāng)V VD(on)時時 二極管二極管導(dǎo)通導(dǎo)通 當(dāng)當(dāng)V 0，則管子導(dǎo)通；反之截止。，則管子導(dǎo)通；反之截止。 實(shí)際二極管：若實(shí)際二極管：若VVD(on)，管子導(dǎo)通；反之截止。，管子導(dǎo)通；反之截止。 當(dāng)電路中存在多個二極管時，正偏電壓最大的管子當(dāng)電路中存在多個二極管時，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)。優(yōu)先導(dǎo)通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。 例例1 1：設(shè)二極管是理想的，求設(shè)二極管

15、是理想的，求VAO值。值。 圖圖(a)(a)，假設(shè)，假設(shè)D開路，則開路，則D D兩端電壓：兩端電壓： VD=V1V2= 6 12= 18 0V，VD2=V2( (V1) )=15V 0V 由于由于VD2 VD1 ，則，則D2優(yōu)先導(dǎo)通優(yōu)先導(dǎo)通。 此時此時VD1= 6V 2V時，時，D D導(dǎo)通，則導(dǎo)通，則vO O= =vi vi 2V時，時，D D截止，則截止，則vO O=2V 由此可畫出由此可畫出vO O的波形。的波形。 + - D V + - + -2V 100R vO O vi t 6 2 0 vi(V) vO O(V) t 0 2 6 電源設(shè)備組成框圖：電源設(shè)備組成框圖： 電電 源源 變壓

16、器變壓器 整流整流 電路電路 濾波濾波 電路電路 穩(wěn)壓穩(wěn)壓 電路電路 vivO O t vi t v1 t v2 t v3 t vO O 整流電路整流電路 整流與穩(wěn)壓電路整流與穩(wěn)壓電路 D + - + - R vO O vi 當(dāng)當(dāng)vi 0V時，時，D D導(dǎo)通，則導(dǎo)通，則vO O= =vi 當(dāng)當(dāng)vi 0V時，時，D D截止，則截止，則vO O=0V 由此，利用二極管的單向?qū)в纱?，利用二極管的單向?qū)?電性，實(shí)現(xiàn)了電性，實(shí)現(xiàn)了半波整流半波整流。 若輸入信號為正弦波：若輸入信號為正弦波： 平均值：平均值： imo 1 VV VO t 0 vi t 0 vO O 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路 某原因某原因VO IZ I 限流電阻限流電阻R：保證穩(wěn)壓管工作在保證穩(wěn)壓管工作在Izmin Izmax之間之間 穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓原理： VO VR VO= VZ輸出輸出電壓：電壓： D + - + - R RL IL VIVO