模擬電子技術(shù)

模擬電子技術(shù)1第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五本章目標(biāo)掌握1．半導(dǎo)體二極管的伏安特性和基本應(yīng)用電路分析；2．半導(dǎo)體三極管的輸入、輸出特性；3．場效應(yīng)管的輸出特性、轉(zhuǎn)移特性；4．放大的基本概念及放大電路主要技術(shù)指標(biāo)的含義；5．放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)及動態(tài)技術(shù)指標(biāo)的分析方法。理解1．N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體以及PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?．半導(dǎo)體三極管放大電路三種基本組態(tài)的電路組成、工作原理和性能特點(diǎn)；3．場效應(yīng)管共源、共漏基本放大電路的電路組成、工作原理及性能特點(diǎn)；4．二極管應(yīng)用電路（整流、限幅、鉗位）的工作原理。了解1.二極管和三極管的主要性能參數(shù)和測試方法。2第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五2.1半導(dǎo)體二極管2.1.1半導(dǎo)體基本知識2.1.2

PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.1.3半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及特性2.1.4二極管的等效電路分析2.1.5二極管的基本應(yīng)用電路3第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五2.1.1半導(dǎo)體（Semiconductor）基本知識半導(dǎo)體—

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。（如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等）本征半導(dǎo)體

—純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料的純度達(dá)到99.9999999%，稱為“九個9”。物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。半導(dǎo)體材料且具有摻雜和光、熱敏特性。4第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五溫度：溫度上升，電阻率下降。鍺由20℃上升到30℃，電阻率降低一半。摻雜：摻入少量的雜質(zhì)，會使電阻率大大降低。純硅中摻入百萬分之一的硼，電阻率由

2.3×105·cm降至0.4·cm。光照：光照使電阻率降低。利用半導(dǎo)體的這些特性制成了各種各樣的半導(dǎo)體器件。引起導(dǎo)電性能產(chǎn)生很大變化的外界條件有：5第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五2.1.1半導(dǎo)體（Semiconductor）基本知識硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)Si284Ge28184半導(dǎo)體原子簡化模型+4慣性核價電子(束縛電子)+4+4+4+4+4+4+4+4+4價電子共價鍵硅(鍺)晶體的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵—本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。相鄰原子共有價電子所形成的束縛。當(dāng)溫度T=0

K時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。6第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征激發(fā)：

在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。2.1.1半導(dǎo)體（Semiconductor）基本知識本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴空穴可看成帶正電的載流子載流子—自由運(yùn)動的帶電粒子。本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴兩種載流子。自由電子空穴復(fù)合—自由電子和空穴在運(yùn)動中相遇重新結(jié)合成對消失的過程。漂移—自由電子和空穴在電場作用下的定向運(yùn)動。7第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運(yùn)動自由電子(在共價鍵以外)的運(yùn)動空穴(在共價鍵以內(nèi))的運(yùn)動

結(jié)論：1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；電子和空穴兩種載流子均參與導(dǎo)電；

2.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度和光照激發(fā)有關(guān)。自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱。2.1.1半導(dǎo)體（Semiconductor）基本知識8第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五1、N（Negative）型半導(dǎo)體和P(Positive)型半導(dǎo)體N型+5+4+4+4+4+4五價雜質(zhì)原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)P型+3+4+4+4+4+4三價雜質(zhì)原子空穴空穴—

多子電子—

少子載流子數(shù)空穴數(shù)2.1.1半導(dǎo)體（Semiconductor）基本知識—摻雜9第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五2、P型、N型半導(dǎo)體的簡化圖示負(fù)雜質(zhì)離子多子少子多子少子結(jié)論（1）雜質(zhì)半導(dǎo)體雖有一種載流子占多數(shù),但整個半導(dǎo)體呈中性。（２）半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決多子的濃度。P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體正雜質(zhì)離子施主離子受主離子2.1.1半導(dǎo)體（Semiconductor）基本知識—摻雜10第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為PN結(jié)。PNPN結(jié)

PN結(jié)的形成一、PN結(jié)的形成2.1.2PN結(jié)(PNJunction)及其單向?qū)щ娦?1第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五1.載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散運(yùn)動2.復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡區(qū)、勢壘區(qū))

空間電荷區(qū)特點(diǎn):無載流子，阻止擴(kuò)散進(jìn)行，利于少子的漂移。3.擴(kuò)散和漂移達(dá)到動態(tài)平衡擴(kuò)散電流等于漂移電流，總電流I=0。內(nèi)建電場2.1.2PN結(jié)(PNJunction)及其單向?qū)щ娦?2第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.外加正向電壓(正向偏置)P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場+

UR外電場外電場使多子向PN結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)形成正向電流IF2.外加反向電壓(反向偏置)P

區(qū)N

區(qū)

+UR內(nèi)電場外電場外電場使少子背離PN結(jié)移動，空間電荷區(qū)變寬。IR正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大;反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運(yùn)動加強(qiáng)形成反向電流IR于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小IR=I少子

0空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動，電路中有較大的正向電流。13第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五三、PN結(jié)的伏安特性O(shè)u

/Vi

/mA正向特性UUthi

急劇上升0U

Uth

i=0反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U0i=-IS

U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)1、正向特性2、反向特性14第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五3、PN結(jié)的電流方程反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng)T=300(27C)：UT

=26mV15第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五加正向電壓

uD>0幾乎與反向電壓的大小無關(guān)加反向電壓

uD<016第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五自測題：P23

評測一17第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五一、二、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管(Diode)符號：正極負(fù)極分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金平面型集成電路中平面型2.1.3半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)與特性18第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五一、二、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型19第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五三、二極管的伏安特性O(shè)uD/ViD/mA正向特性

UthUon

開啟電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)UUthiD急劇上升0U

Uth

導(dǎo)通電壓Uon

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)幾十A

(鍺)U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)導(dǎo)通電壓20第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(ZenerBreakdown)反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價鍵。

(高摻雜：擊穿電壓<6V，負(fù)溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。—PN結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。—PN結(jié)燒毀。(低摻雜：擊穿電壓>6V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在6V左右時，溫度系數(shù)趨近零。三、二極管的伏安特性(AvalancheMultiplication)21第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020結(jié)論：鍺管比硅管易導(dǎo)通，硅管比鍺管反向飽和電流小得多，所以硅管的單向?qū)щ娦院蜏囟确€(wěn)定性較好。三、二極管的伏安特性22第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五溫度對二極管特性的影響604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT

升高時，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度增加，導(dǎo)致PN結(jié)內(nèi)建電位差UB減小。UD(on)以

(22.5)mV/C下降三、二極管的伏安特性二極管的特性對溫度很敏感，具有負(fù)溫度系數(shù)。23第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五四、二極管的主要參數(shù)1.

IF—

最大整流電流(最大正向平均電流)2.

URM—

最高反向工作電壓，為U(BR)/23.

IR

—

反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?4.

fM—

最高工作頻率(超過時單向?qū)щ娦宰儾?iDuDU(BR)IFURMO24第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五2.1.4理想二極管及二極管特性的折線近似一、理想二極管模型特性uDiD符號及等效模型SS正偏導(dǎo)通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=二、二極管的恒壓降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)UD(on)25第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五2.1.4理想二極管及二極管特性的折線近似四、二極管的交流小信號模型三、二極管的折線近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/rDrDUD(on)rD微變等效：二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。26第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五rd的計算rd與靜態(tài)工作電流有關(guān)。27第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五

應(yīng)用舉例【例】二極管的靜態(tài)工作情況分析1、理想模型（R=10k）設(shè)VDD=10V2、恒壓模型（硅二極管典型值）3、折線模型（硅二極管典型值）設(shè)28第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五【例】

試求電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓UO的值。解：假設(shè)二極管斷開UP=15VUP>UN二極管導(dǎo)通等效為0.7V的恒壓源UO=VDD1

UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12VPN29第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五【例】

ui=2sin

t(V)，分析二極管的限幅作用并畫輸出波形。解：因ui較小，宜采用恒壓降模型D1D2uiuORui<0.7VD1、D2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VD2導(dǎo)通D１截止ui<

0.7VD1導(dǎo)通D2截止uO=0.7V思考題:

D1、D2支路各串聯(lián)一個恒壓源，輸出波形如何變化？OtuO/V0.7Otui

/V20.730第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期五【例】電路如圖所示，二極管導(dǎo)通壓降UD=0.7V，試分別計算開關(guān)斷開和閉合時的UR?！窘狻慨?dāng)開關(guān)斷開時，二極管因加正向電壓而導(dǎo)通，故

UR=US1－UD

=7.3（V）當(dāng)