電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分

《電子技術(shù)基礎(chǔ)》模擬部分（第六版）華技大學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分緒論運(yùn)算放大器二極管及其基本電路場(chǎng)效應(yīng)三極管及其放大電路雙極結(jié)型三極管及其放大電路頻率響應(yīng)模擬集成電路反饋放大電路功率放大電路信號(hào)處理與信號(hào)產(chǎn)生電路直流穩(wěn)壓電源3

二極管及其基本電路半導(dǎo)體的基本知識(shí)PN結(jié)的形成及特性二極管二極管的基本電路及其分析方法特殊二極管3.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體3.1.1

半導(dǎo)體材料根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。3.1.2

半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及晶體結(jié)構(gòu)3.1.3

本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)?？昭ā矁r(jià)鍵中的空位。電子空穴對(duì)——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的 電子和空穴對(duì)。空穴的移動(dòng)——空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對(duì)3.1.4

雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。3.1.4

雜質(zhì)半導(dǎo)體1.

N型半導(dǎo)體因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵而很容易形成在N型半導(dǎo)體中電子。電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供 電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。3.1.4

雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+3+4鄰近的電子落入受主的空位，留下可移動(dòng)的空穴受主原子可移動(dòng)的空穴受主獲得一個(gè)電子而形成一個(gè)負(fù)離子2.

P型半導(dǎo)體因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。3.1.4

雜質(zhì)半導(dǎo)體3.

雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:T=300

K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:n

=p

=1.4×1010/cm312摻雜后N

型半導(dǎo)體中的 電子濃度:n=5×1016/cm33

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

。3.2

PN結(jié)的形成及特性載流子的漂移與擴(kuò)散PN結(jié)的形成PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的反向擊穿PN結(jié)的電容效應(yīng)3.2.1

載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)3.2.2 PN結(jié)的形成P

型N

型3.2.2 PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)P

型區(qū)N

型區(qū)內(nèi)電場(chǎng)

E內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)

多子擴(kuò)散最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成

N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。PN結(jié)加正向電壓時(shí)低電阻大的正向擴(kuò)散電流PN結(jié)的I-V

特性-0.5-1.00.51.0vD/ViD/mA1.0正向偏置特性0.53.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)高電阻很小的反向漂移電流PN結(jié)的I-V

特性iD/mA1.00.5-0.5-1.00.51.0vD/V正向偏置特性iD

=

-IS反向偏置特性3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的I-V

特性iD/mA1.00.5-0.5-1.00.51.0vD/V正向偏置特性iD

=

-IS反向偏置特性在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)高電阻很小的反向漂移電流3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?3)

PN結(jié)I-V

特性表達(dá)式D

Tv

/ViD

IS

(e

1)其中I

——反向飽和電流SVT

——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）qTV

kT

0.026V

26

mViD/mA1.00.5iD=

-IS-0.5-1.00.51.0vD/V正向偏置特性反向偏置特性PN結(jié)的I-V

特性3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆iDOVBvD3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)勢(shì)壘電容CBPNVD(a)

電壓減小時(shí)PN(b)電壓增加時(shí)VD外加電壓變化離子層厚薄變化等效于電容充放電3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng)PNVDpNnPx擴(kuò)散電容示意圖(2)擴(kuò)散電容CD外加電壓變化擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域在靠近PN結(jié)附近累積的載流子濃度發(fā)生變化等效于電容充放電3.3

半導(dǎo)體二極管二極管的結(jié)構(gòu)二極管的I-V特性二極管的參數(shù)3.3.1

二極管的結(jié)構(gòu)3.3.1

二極管的結(jié)構(gòu)(1)點(diǎn)接觸型二極管在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類。PN結(jié)面積小，結(jié)電(a)點(diǎn)接觸型二極管的結(jié)構(gòu)示意圖容小，用于檢波和變頻等高頻電路。3.3.1

二極管的結(jié)構(gòu)(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(3)二極管的代表符號(hào)(c)集成電路中的平面型陽(yáng)極陰極引線 引線PNP

型支持襯底k

陰極陽(yáng)極a3.3.2

二極管的I-V特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示iD

IS

(e

D

T

1)v

/VvD/V0.2

0.4

0.6

0.840530

20

10

010203040iD/AiD/mA201510死區(qū)VthVBR硅二極管2CP10的I-V

特性vD/V0.2

0.4

0.660

4

2050151010203040iD/AiD/mA20②①③VthVBR鍺二極管2AP15的I-V

特性+iDvD-R正向特性反向特性反向擊穿特性3.3.3

二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF反向擊穿電壓VBR反向電流IR極間電容Cd（CB、CD

）反向恢復(fù)時(shí)間TRR3.4

二極管的基本電路及其分析方法簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法3.4.1

簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡(jiǎn)單，但前提條件是已知二極管的V

-I

特性曲線。符號(hào)中大小寫的含義：大寫字母大寫下標(biāo)：靜態(tài)值（直流），如，IB小寫字母大寫下標(biāo)：總量（直流+交流），如，iB小寫字母小寫下標(biāo)：瞬時(shí)值（交流），如，ib（參見“本書常用符號(hào)表”）DD，已知二極管的V-I特性曲線、電源V

和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD

。+vDiD-RVDDD解：由電路的KVL方程，可得R

VDDi

vDDD

DDDR

R

1

v

1

V即

i是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)R1例3.4.1

電路3.4.2

二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法OvD+vDiD(a)(d)iD+vDiD(b)+vDiD=0(c)（iD>0，vD=0）（vD<0，iD=0）1.二極管I-V

特性的建模將指數(shù)模型等效模型。（1）理想模型I-V

特性代表符號(hào)正向偏置時(shí)的電路模型v

ViD

IS

(e分D段T

線

性1)化，得到二極管特性的反向偏置時(shí)的電路模型3.4.2

二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管I-V

特性的建模（2）恒壓降模型

（3）折線模型（a）I-V

特性（b）電路模型vDO(a)+vDiD(b)iD（a）I-V

特性（b）電路模型OvD+vDiD(a)(b)iDVthrDVth3.4.2

二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法vs

=Vmsint

時(shí)（Vm<<VDD）+vDiD-RVDDDsDDDD

1

v

1

(V

v

)R

RiQ點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)

，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。的V-I

特性線性化，得到小信號(hào)模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線。1.二極管I-V

特性的建模（4）小信號(hào)模型將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)+vs-3.4.2

二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法OvD(a)iDiD(b)vDiDQ+vDrdD即

rd

i1.二極管I-V

特性的建模（4）小信號(hào)模型過Q點(diǎn)的切線可以等效成一個(gè)微變電阻vDv

/V

1)

ISe

D

Tv

/V根據(jù)

iD

IS

(e

D

T得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)QdvgdD

TQevD

/

VTV

diD

ISTV

IDddr

1則Dg

I

VT常溫下（T=300K）dID

ID

(mA

)TV

26(mV

)r

QTV

iD3.4.2

二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法OvD(a)iDiD(b)vDiDQ+vDrd特別注意：小信號(hào)模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。（a）I-V

特性

（b）電路模型1.二極管I-V

特性的建模（4）小信號(hào)模型Otvs2

34Otvo2

343.4.2

二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法+vo-R+vs-D（a）2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（理想模型）當(dāng)vs為正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通，且導(dǎo)通壓降為0V，vo

=vs2．模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析當(dāng)VDD=10V

時(shí)，（R=10k）理想模型VD

0

V

ID

VDD

/

R

1

mA恒壓模型DV

0.7

V（硅二極管典型值）ID

(VDD

VD

)

/

R

0.93

mA折線模型Vth

0.5

V（硅二極管典型值）

0.931

mAD

VthDR

r

VDDIDr

0.2

k設(shè)D

DthDV

V

I

r

0.69

V+DiD+DiDVD+DiDVDDVthrD（a）簡(jiǎn)單二極管電路

（b） 畫法VDD

VDD當(dāng)VDD=1V

時(shí)，

（

）0tvI2

34vO/V3.730tvI2

34vO/VvO+VREFvIDVDvODVREFvI+R

R+

+vO+DVREF

vI+R（3）限幅與鉗位電路電路如圖，R

=1kΩ，VREF

=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI

=6sint

V時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。2．模型分析法應(yīng)用舉例CD+vOvs-+-VC-

+（3）限幅與鉗位電路電路如圖，二極管為硅二極管，VD=0.7V，vs

=

Vm

sint

V，且Vm

>>VD

，繪出相應(yīng)的輸O出電壓v

的波形。vs的負(fù)半周，D導(dǎo)通，C充電，但無(wú)放電回路，最后（穩(wěn)態(tài)）VC

=Vm

-VD

=Vm–0.7V

（Vm是振幅值）此后輸出電壓為vO

=

vs

+VC

=

vs

+Vm

-

0.7V將輸入波形的底部鉗位在了-0.7V的直流電平上。tvs/VVm0tVC-0.7vO/V若顛倒二極管的方向，vO的波形將怎樣變化？2．模型分析法應(yīng)用舉例D3k(a)VVAO（4）開關(guān)電路電路 ，求AO的電壓值解：先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點(diǎn)為0V。則接D陽(yáng)極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽(yáng)極電位高于陰極電位，D接入時(shí)正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽(yáng)極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。2．模型分析法應(yīng)用舉例OtvO/V2344.30.0994+vO-RVDD+vs-D

iD+

vD

-（6）小信號(hào)工作情況分析圖示電路中，VDD

=5V，R

=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs

=0.1sint

V。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。解得：vO

=

VO

+

vo

=

4.3

+

0.0994sint

（V）+VO-RVDDVD直流通路（靜態(tài)）ID

rd

id+vo-R+vs-vd+

-小信號(hào)模型的交流通路（動(dòng)態(tài)）直流通路、交流通路、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。RVD

VDDD解：IDdIVr

Tsdo

vv

R

rR2．模型分析法應(yīng)用舉例3.5

特殊二極管齊納二極管變?nèi)荻O管肖特基二極管光電器件3.5.1

齊納二極管1.符號(hào)及穩(wěn)壓特性利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。a(a)符號(hào)k-VZIZvD/ViD/mAO-IZ(min)-IZ(max)-IZT-VZ0QZ1rVZ(b)伏安特性斜率+IZVZrZVZ0a（c）反向擊穿時(shí)的模型k3.5.1

齊納二極管-VZIZVZvD/ViD/mAO-IZ(min)-IZ(max)-IZT-VZ0Q1rZ斜率2.齊納二極管主要參數(shù)(1)

穩(wěn)定電壓VZ在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。(2)

動(dòng)態(tài)電阻rZ