電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分課件單元

電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分課件單元演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共47頁(yè)。優(yōu)選電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分課件單元當(dāng)前2頁(yè)，總共47頁(yè)。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。當(dāng)前3頁(yè)，總共47頁(yè)。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)當(dāng)前4頁(yè)，總共47頁(yè)。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)生的自由電子和空穴對(duì)?？昭ǖ囊苿?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)當(dāng)前5頁(yè)，總共47頁(yè)。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(chēng)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。當(dāng)前6頁(yè)，總共47頁(yè)。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?chē)膫€(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)鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(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。

提供自由電子的五價(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(chēng)為施主雜質(zhì)。當(dāng)前7頁(yè)，總共47頁(yè)。3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體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。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。當(dāng)前8頁(yè)，總共47頁(yè)。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=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3當(dāng)前9頁(yè)，總共47頁(yè)。3.2PN結(jié)的形成及特性3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散3.2.2PN結(jié)的形成3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.4PN結(jié)的反向擊穿3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)當(dāng)前10頁(yè)，總共47頁(yè)。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)當(dāng)前11頁(yè)，總共47頁(yè)。3.2.2PN結(jié)的形成當(dāng)前12頁(yè)，總共47頁(yè)。3.2.2PN結(jié)的形成當(dāng)前13頁(yè)，總共47頁(yè)。

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過(guò)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(guò)程:

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(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。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)當(dāng)前14頁(yè)，總共47頁(yè)。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

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(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏；反之稱(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。

(1)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特性當(dāng)前15頁(yè)，總共47頁(yè)。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

高電阻很小的反向漂移電流

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(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏；反之稱(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)PN結(jié)的I-V特性當(dāng)前16頁(yè)，總共47頁(yè)。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的I-V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(chēng)為反向飽和電流。

高電阻很小的反向漂移電流

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(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏；反之稱(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)當(dāng)前17頁(yè)，總共47頁(yè)。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN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?。?dāng)前18頁(yè)，總共47頁(yè)。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(3)PN結(jié)I-V特性表達(dá)式其中IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）PN結(jié)的I-V

特性當(dāng)前19頁(yè)，總共47頁(yè)。3.2.4PN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(chēng)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——可逆當(dāng)前20頁(yè)，總共47頁(yè)。3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

(1)勢(shì)壘電容CB外加電壓變化離子層厚薄變化等效于電容充放電當(dāng)前21頁(yè)，總共47頁(yè)。3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(2)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖外加電壓變化擴(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當(dāng)前22頁(yè)，總共47頁(yè)。3.3半導(dǎo)體二極管3.3.1二極管的結(jié)構(gòu)3.3.2二極管的I-V特性3.3.3二極管的參數(shù)當(dāng)前23頁(yè)，總共47頁(yè)。3.3.1二極管的結(jié)構(gòu)當(dāng)前24頁(yè)，總共47頁(yè)。3.3.1二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線(xiàn)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(lèi)。(1)點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。當(dāng)前25頁(yè)，總共47頁(yè)。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(c)集成電路中的平面型(3)二極管的代表符號(hào)當(dāng)前26頁(yè)，總共47頁(yè)。3.3.2二極管的I-V特性二極管的伏安特性曲線(xiàn)可用下式表示硅二極管2CP10的I-V特性鍺二極管2AP15的I-V特性當(dāng)前27頁(yè)，總共47頁(yè)。3.3.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR(3)反向電流IR(4)極間電容Cd（CB、CD）(5)反向恢復(fù)時(shí)間TRR當(dāng)前28頁(yè)，總共47頁(yè)。3.4二極管的基本電路及其分析方法3.4.1簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法當(dāng)前29頁(yè)，總共47頁(yè)。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(xiàn)性器件，因而其電路一般要采用非線(xiàn)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(xiàn)。符號(hào)中大小寫(xiě)的含義：大寫(xiě)字母大寫(xiě)下標(biāo)：靜態(tài)值（直流），如，IB（參見(jiàn)“本書(shū)常用符號(hào)表”）小寫(xiě)字母大寫(xiě)下標(biāo)：總量（直流+交流），如，iB小寫(xiě)字母小寫(xiě)下標(biāo)：瞬時(shí)值（交流），如，ib當(dāng)前30頁(yè)，總共47頁(yè)。例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線(xiàn)、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過(guò)二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線(xiàn)，稱(chēng)為負(fù)載線(xiàn)

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱(chēng)為電路的工作點(diǎn)當(dāng)前31頁(yè)，總共47頁(yè)。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

將指數(shù)模型分段線(xiàn)性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型I-V特性代表符號(hào)當(dāng)前32頁(yè)，總共47頁(yè)。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（a）I-V特性（b）電路模型（3）折線(xiàn)模型（a）I-V特性（b）電路模型當(dāng)前33頁(yè)，總共47頁(yè)。3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法（4）小信號(hào)模型vs=Vmsint時(shí)（Vm<<VDD）Q點(diǎn)稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。

將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I特性線(xiàn)性化，得到小信號(hào)模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線(xiàn)。1.二極管I-V特性的建模+vs-當(dāng)前34頁(yè)，總共47頁(yè)。3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法

過(guò)Q點(diǎn)的切線(xiàn)可以等效成一個(gè)微變電阻即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）1.二極管I-V特性的建模（4）小信號(hào)模型當(dāng)前35頁(yè)，總共47頁(yè)。3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法

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)模型當(dāng)前36頁(yè)，總共47頁(yè)。3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法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=vs當(dāng)前37頁(yè)，總共47頁(yè)。2．模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）

當(dāng)VDD=10V時(shí)，恒壓模型（硅二極管典型值）折線(xiàn)模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)VDD=1V時(shí)，（自學(xué)）（a）簡(jiǎn)單二極管電路（b）習(xí)慣畫(huà)法當(dāng)前38頁(yè)，總共47頁(yè)。（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=6sintV時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。2．模型分析法應(yīng)用舉例當(dāng)前39頁(yè)，總共47頁(yè)。

電路如圖，二極管為硅二極管，VD=0.7V，vs=VmsintV，且Vm>>VD

，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO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。若顛倒二極管的方向，vO的波形將怎樣變化？（3）限幅與鉗位電路2．模型分析法應(yīng)用舉例當(dāng)前40頁(yè)，總共47頁(yè)。（4）開(kāi)關(guān)電路電路如圖所示，求AO的電壓值解：

先斷開(kāi)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)ā?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)用舉例當(dāng)前41頁(yè)，總共47頁(yè)。（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=0.1sinwtV。（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+0.0994sinwt（V）

直流通路（靜態(tài)）小信號(hào)模型的交流通路（動(dòng)態(tài)）