模擬電路技術(shù)課件第一章

電子技術(shù)基礎(chǔ)——模擬部分主講申春課程中心:

學(xué)號(hào)登陸->課程資源->課程總覽->計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院->模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)->教學(xué)資料登陸信箱下載課件monidianzi2013@126.com密碼：shenchun1、電子系統(tǒng)與信號(hào)電子系統(tǒng):是由若干相互聯(lián)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(hào):在時(shí)間上和幅值上均連續(xù)的信號(hào)。

信號(hào)：是信息的載體。自然界的各種物理量必須先經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(fēng)速等信號(hào)。數(shù)字信號(hào):時(shí)間和數(shù)值上都是離散的信號(hào)。電壓放大和功率放大聲音音頻放大器傳聲器傳輸導(dǎo)線揚(yáng)聲器模擬信號(hào)例：

擴(kuò)音系統(tǒng)

第一章半導(dǎo)體二極管1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.2PN結(jié)的形成及特性※1.3

半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)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(dǎo)體的基本知識(shí)

一、半導(dǎo)體材料

在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素。si硅原子Ge鍺原子+4硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。

本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。二、本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，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(dǎo)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(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。

可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。

外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對(duì)的濃度一定。常溫300K時(shí)：電子空穴對(duì)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(duì)自由電子帶負(fù)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(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。導(dǎo)電機(jī)制二.雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.

N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。

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

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對(duì)2.

P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)，本征激發(fā)產(chǎn)生多子濃度——與溫度無(wú)關(guān)，由摻雜雜質(zhì)產(chǎn)生1.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

1.載流子的漂移和擴(kuò)散

漂移：由于電場(chǎng)的作用導(dǎo)致載流子的運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流

擴(kuò)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(kuò)散，形成擴(kuò)散電流。

內(nèi)電場(chǎng)E因多子濃度差形成內(nèi)電場(chǎng)多子的擴(kuò)散空間電荷區(qū)

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

2.PN結(jié)的形成

少子飄移補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴(kuò)散又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場(chǎng)E多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層動(dòng)態(tài)平衡：擴(kuò)散電流＝漂移電流總電流＝03.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。

外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)＞漂移運(yùn)動(dòng)→多子擴(kuò)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(fù)極接P區(qū)

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。

外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→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(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無(wú)關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?.PN結(jié)的伏安特性曲線及表達(dá)式

根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏I(xiàn)F（多子擴(kuò)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(jié)電擊穿——可逆。分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩種

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

|時(shí)1eT<<nVu

總結(jié)：1、半導(dǎo)體的基本知識(shí)

本征半導(dǎo)體，本征激發(fā)，載流子（空穴、電子）

P型半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體，多子，少子2、PN結(jié)的形成

載流子的漂移及擴(kuò)散

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的V-I特性1.3半導(dǎo)體二極管二極管=PN結(jié)+管殼+引線NP1結(jié)構(gòu)符號(hào)陽(yáng)極+陰極-

二極管按結(jié)構(gòu)分兩大類：(1)點(diǎn)接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)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(jié)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(fù)極引線正極引線N型硅PN結(jié)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)曲線uEiVmAuEiVuA鍺硅：0.7V鍺：0.3V3二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IF——二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)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(shí)對(duì)應(yīng)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(jí)；鍺二極管在微安(A)級(jí)。

(4)最高工作頻率fM:由于PN結(jié)存在結(jié)電容,當(dāng)頻率升高到一定值時(shí),二極管失去單向?qū)щ娦?1.4二極管的基本電路及分析方法iR10VE1kΩ+–vD一、簡(jiǎn)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(jiǎn)化模型分析方法DU2.恒壓降模型（串聯(lián)電壓源模型）UD二極管的導(dǎo)通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。DiuU1.理想二極管模型正偏反偏導(dǎo)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(lián)電壓源模型）UD二極管的導(dǎo)通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。DiuUthUrD=200WiuUth+-uithUrDrD=(0.7V-0.5V)/1mA=200Wu<Uth4.小信號(hào)模型如果信號(hào)在靜態(tài)工作Q（v=VD,i=ID）附近工作，可以把與Q點(diǎn)處相切直線的斜率的倒數(shù)作用微變電阻rDrD=△uD

/

△iD≈VT/ID=26(mV)/IDiuQ△iD△uDrD△iD+-△uD導(dǎo)通壓降二極管的V—A特性-+iuIR10VE10kΩ例1：測(cè)量值0.932mA理想二極管模型RI10VE10kΩmA1K10V10=W=I相對(duì)誤差000071000.9321-0.932=d×≈恒壓降模型IR10VE10kΩ0.7VmA0.93V)7.010(=10KW-=I相對(duì)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(duì)誤差000.11000.932

0.932-0.931=×≈00二極管的近似分析計(jì)算1.4.2二極管應(yīng)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(nèi)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(zhuǎn)變成單向直流電壓的電路采用理想模型++--vivo0vit0vit3.開關(guān)電路:利用二極管的單向?qū)щ娦?，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(guān)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(shè)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(shè)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(shí)間內(nèi)，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(shè)二極管是理想的。1.5特殊二極管當(dāng)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(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)穩(wěn)定電壓

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)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