電子線路2754806679完整課件

電子線路2754806679(1)2024/1/7電子線路2754806679(1)研究電子線路的必要性1、自然界信號(hào)的處理2電子線路2754806679(1)研究電子線路的必要性2、數(shù)字通信系統(tǒng)3電子線路2754806679(1)研究電子線路的必要性3、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)電子學(xué)4電子線路2754806679(1)主要內(nèi)容二極管三極管場(chǎng)效益管放大器電路5電子線路2754806679(1)第1章晶體二極管1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)1.2PN結(jié)1.3晶體二極管電路的分析方法1.4晶體二極管的應(yīng)用6電子線路2754806679(1)導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)（1）7電子線路2754806679(1)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)（2）本征半導(dǎo)體

什么是本征半導(dǎo)體：晶格整齊無(wú)缺陷的單晶半導(dǎo)體。2.本征半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)

（1）半導(dǎo)體原子結(jié)構(gòu)慣性核價(jià)電子

（2）晶格結(jié)構(gòu)8電子線路2754806679(1)當(dāng)T升高或光線照射時(shí)產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。當(dāng)T=0K（無(wú)外界影響）時(shí)，共價(jià)鍵中無(wú)自由移動(dòng)的電子。這種現(xiàn)象稱注意：空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的重要特征。本征激發(fā)。本征激發(fā)9電子線路2754806679(1)

當(dāng)原子中的價(jià)電子激發(fā)為自由電子時(shí)，原子中留下空位，同時(shí)原子因失去價(jià)電子而帶正電。

當(dāng)鄰近原子中的價(jià)電子不斷填補(bǔ)這些空位時(shí)形成一種運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)可等效地看作是空穴的運(yùn)動(dòng)。注意：空穴運(yùn)動(dòng)方向與價(jià)電子填補(bǔ)方向相反。自由電子—帶負(fù)電半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子空穴的運(yùn)動(dòng)空穴—帶正電10電子線路2754806679(1)溫度一定時(shí)：激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動(dòng)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)體中本征激發(fā)——產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。電子和空穴相遇釋放能量——復(fù)合。T導(dǎo)電能力ni或光照熱敏特性光敏特性11電子線路2754806679(1)

N型半導(dǎo)體：+4+4+5+4+4簡(jiǎn)化模型：N型半導(dǎo)體多子——自由電子少子——空穴自由電子本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素（如磷P：施主雜質(zhì)）構(gòu)成。12電子線路2754806679(1)P型半導(dǎo)體+4+4+3+4+4簡(jiǎn)化模型：P型半導(dǎo)體少子——自由電子多子——空穴空穴本征半導(dǎo)體中摻入少量三價(jià)元素（如硼B(yǎng)：受主雜質(zhì)）構(gòu)成。13電子線路2754806679(1)雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計(jì)算N型半導(dǎo)體（熱平衡）（電中性方程）P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體呈電中性少子濃度取決于溫度。多子濃度取決于摻雜濃度。14電子線路2754806679(1)半導(dǎo)體兩種導(dǎo)電機(jī)理——漂移和擴(kuò)散

載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)稱漂移運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱漂移電流。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率漂移與漂移電流空穴電流電子電流+--VSI15電子線路2754806679(1)電導(dǎo)率：半導(dǎo)體的電導(dǎo)率電阻：電壓：V=E

l電流：I=SJt+-V長(zhǎng)度l截面積S電場(chǎng)EI16電子線路2754806679(1)

載流子在濃度差作用下的運(yùn)動(dòng)稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流密度:擴(kuò)散與擴(kuò)散電流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xnopo17電子線路2754806679(1)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)小結(jié)1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性、本征半導(dǎo)體的激發(fā)和符合、熱平衡濃度2、雜質(zhì)半導(dǎo)體、載流子濃度3、半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理、擴(kuò)散電流、漂移電流18電子線路2754806679(1)PN結(jié)利用摻雜工藝，把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在原子級(jí)上緊密結(jié)合，P區(qū)與N區(qū)的交界面就形成了PN結(jié)。

摻雜N型P型PN結(jié)晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)：PN正極負(fù)極19電子線路2754806679(1)動(dòng)態(tài)平衡下的PN結(jié)阻止多子擴(kuò)散出現(xiàn)內(nèi)建電場(chǎng)開(kāi)始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴(kuò)散利于少子漂移最終達(dá)動(dòng)態(tài)平衡注意：PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流與漂移電流相抵消，通過(guò)PN結(jié)的電流為零。

PN結(jié)形成的物理過(guò)程20電子線路2754806679(1)注意：摻雜濃度（Na、Nd）越大，內(nèi)建電位差

VB

越大，阻擋層寬度

越小。溫度升高時(shí)，由于ni增大的影響比VT大，因而VB將相應(yīng)減小。通常溫度每升高1℃，VB約減小2.5mV。

內(nèi)建電位差：阻擋層寬度：室溫時(shí)鍺管VB

0.2~0.3V硅管VB

0.5~0.7V21電子線路2754806679(1)PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場(chǎng)Elo+-VPN結(jié)正偏阻擋層變薄內(nèi)建電場(chǎng)減弱多子擴(kuò)散>>少子漂移多子擴(kuò)散形成較大的正向電流IPN結(jié)導(dǎo)通I電壓V

電流I

22電子線路2754806679(1)PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場(chǎng)Elo-+VPN結(jié)反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)少子漂移>>多子擴(kuò)散少子漂移形成微小的反向電流IRPN結(jié)截止IRIR與V近似無(wú)關(guān)。溫度T

電流IR

結(jié)論：PN結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦浴?3電子線路2754806679(1)PN結(jié)——伏安特性方程式PN結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來(lái)描述：熱電壓

26mV（室溫）其中：

IS為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無(wú)關(guān)，但受溫度影響很大。正偏時(shí)：

反偏時(shí)：

24電子線路2754806679(1)PN結(jié)——伏安特性曲線ID(mA)V(V)VD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN結(jié)VD(on)=0.25V鍺PN結(jié)IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)時(shí)隨著V

正向R很小I

PN結(jié)導(dǎo)通；V<VD(on)時(shí)IR很小(IR-IS)

反向R很大PN結(jié)截止。25電子線路2754806679(1)PN結(jié)溫度特性iD(mA)V(v)T1T2>T1T2溫度每升高10℃，IS約增加一倍。溫度每升高1℃，VD(on)約減小2.5mV。26電子線路2754806679(1)|V反|

=V(BR)時(shí)，

IR急劇

，

PN結(jié)反向擊穿。PN結(jié)的擊穿特性雪崩擊穿齊納擊穿PN結(jié)摻雜濃度較低(lo較寬)發(fā)生條件外加反向電壓較大(>6V)

形成原因:

碰撞電離。V(BR)ID(mA)V(V)形成原因:

場(chǎng)致激發(fā)。

發(fā)生條件PN結(jié)摻雜濃度較高(lo較窄)外加反向電壓較小(<6V)

27電子線路2754806679(1)因?yàn)門(mén)

載流子運(yùn)動(dòng)的平均自由路程

V(BR)

。擊穿電壓的溫度特性雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)。齊納擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。因?yàn)門(mén)

價(jià)電子獲得的能量

V(BR)

。穩(wěn)壓二極管VZID(mA)V(V)IZminIZmax+-VZ利用PN結(jié)的反向擊穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。要求：Izmin<Iz<Izmax28電子線路2754806679(1)試題一個(gè)普通二極管D1其反向擊穿電壓約為100V，一個(gè)穩(wěn)壓管D2其穩(wěn)定電壓為5V。當(dāng)它們都流過(guò)1mA的正向電流時(shí)，一個(gè)正向壓降為0.6V，另一個(gè)為0.7V。試分析哪個(gè)為普通二極管，哪個(gè)為穩(wěn)壓管？為什么？29電子線路2754806679(1)PN結(jié)的電容特性勢(shì)壘區(qū)內(nèi)空間電荷量隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。勢(shì)壘電容CT

擴(kuò)散電容CD

阻擋層外（P區(qū)和N區(qū)）貯存的非平衡電荷量,隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。CT(0)CTV0xn少子濃度x0-xpP+N30電子線路2754806679(1)

PN結(jié)電容PN結(jié)反偏時(shí)，CT>>CD，則Cj≈CT

PN結(jié)總電容：

Cj=CT+CD

PN結(jié)正偏時(shí)，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結(jié)正偏時(shí)，以CD為主。故：PN結(jié)反偏時(shí)，以CT為主。通常：CD≈幾十PF~幾千PF。通常：CT≈幾PF~幾十PF。31電子線路2754806679(1)變?nèi)荻O管

一個(gè)PN結(jié)，外加反向電壓時(shí)，它的反向電流很小，近似開(kāi)路，因此是一個(gè)主要由勢(shì)壘電容構(gòu)成的較理想的電容器件，且其增量電容值隨外加反向電壓而變化。利用這種特性制作的二極管稱為變?nèi)荻O管，簡(jiǎn)稱變?nèi)莨?VaractorDiode)，它的電路符號(hào)如圖。主要參數(shù)有變?nèi)葜笖?shù)n；電容變化范圍；品質(zhì)因數(shù)Q；最大允許反向電壓等。

變?nèi)莨苁菓?yīng)用十分廣泛的一種半導(dǎo)體器件。例如，諧振回路的電調(diào)諧；壓控振蕩器；頻率調(diào)制；參量電路等。

32電子線路2754806679(1)PN小結(jié)1、勢(shì)壘層的形成、內(nèi)建電勢(shì)2、PN結(jié)的伏安特性、正向、反向3、PN結(jié)的擊穿4、PN結(jié)的非線性容性33電子線路2754806679(1)晶體二極管電路分析方法晶體二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PN結(jié)。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示為不同形式的模型：適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型便于計(jì)算機(jī)輔助分析的數(shù)學(xué)模型直流簡(jiǎn)化電路模型交流小信號(hào)電路模型電路分析時(shí)采用的34電子線路2754806679(1)數(shù)學(xué)模型—伏安特性方程式理想模型：修正模型：rS—體電阻+引線接觸電阻+引線電阻其中：n—非理想化因子I

正常時(shí):n

1I

過(guò)小或過(guò)大時(shí):n21.3.1晶體二極管的模型35電子線路2754806679(1)曲線模型—伏安特性曲線V(BR)I

(mA)V(V)VD(on)-IS當(dāng)V>VD(on)時(shí)二極管導(dǎo)通當(dāng)V<VD(on)時(shí)二極管截止當(dāng)反向電壓V

V(BR)時(shí)二極管擊穿晶體二極管的伏安特性曲線，通常由實(shí)測(cè)得到。36電子線路2754806679(1)簡(jiǎn)化電路模型折線等效：在主要利用二極管單向?qū)щ娦缘碾娐分?，?shí)際二極管的伏安特性。IVVD(on)IV0abIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想狀態(tài)：與外電路相比，VD(on)和RD均可忽略時(shí)，二極管的伏安特性和電路符號(hào)。開(kāi)關(guān)狀態(tài)：與外電路相比，RD可忽略時(shí)的伏安特性。簡(jiǎn)化電路模型：折線等效時(shí)，二極管的簡(jiǎn)化電路模型。37電子線路2754806679(1)小信號(hào)電路模型：為二極管增量結(jié)電阻。（室溫）：PN結(jié)串聯(lián)電阻，數(shù)值很小。Cj：PN結(jié)結(jié)電容，由CD和CT兩部分構(gòu)成。IVQrsrjCj38電子線路2754806679(1)分析二極管電路主要采用：圖解法、簡(jiǎn)化分析法、小信號(hào)等效電路法。（重點(diǎn)掌握簡(jiǎn)化分析法）晶體二極管電路分析方法要點(diǎn)：將二極管分離39電子線路2754806679(1)圖解法寫(xiě)出管外電路直流負(fù)載線方程。利用二極管曲線模型和管外電路所確定的負(fù)載線，通過(guò)作圖的方法進(jìn)行求解。要求：已知二極管伏安特性曲線和外圍電路元件值。分析步驟：作直流負(fù)載線。分析直流工作點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：直觀。既可分析直流，也可分析交流。40電子線路2754806679(1)例1：已知電路參數(shù)和二極管伏安特性曲線，試求電路的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓和電流。IVQ+-RVDDDI+-V由圖可寫(xiě)出直流負(fù)載線方程：V=VDD-IR在直流負(fù)載線上任取兩點(diǎn)：解：VDDVDD/R連接兩點(diǎn)，畫(huà)出直流負(fù)載線。VQIQ令I(lǐng)=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；所得交點(diǎn)，即為Q點(diǎn)。41電子線路2754806679(1)簡(jiǎn)化分析法即將電路中二極管用簡(jiǎn)化電路模型代替，利用所得到的簡(jiǎn)化電路進(jìn)行分析、求解。42電子線路2754806679(1)簡(jiǎn)化分析法將截止的二極管開(kāi)路，導(dǎo)通的二極管用直流簡(jiǎn)化電路模型替代，然后分析求解。（1）估算法判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？假設(shè)電路中二極管全部開(kāi)路，分析其兩端的電位。理想二極管：若V>0，則管子導(dǎo)通；反之截止。實(shí)際二極管：若V>VD(on)，管子導(dǎo)通；反之截止。當(dāng)電路中存在多個(gè)二極管時(shí)，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)。43電子線路2754806679(1)例2：設(shè)二極管是理想的，求VAO值。圖(a)，假設(shè)D開(kāi)路，則D兩端電壓：VD=V1–V2=–6–12=–18<0V，解：故D截止。VAO=12V。

+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3K

(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3K

6V9V(b)圖(b)，假設(shè)D1、D2開(kāi)路，則D兩端電壓：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V

由于VD2>VD1

，則D2優(yōu)先導(dǎo)通。此時(shí)VD1=–6V<0V，故D1截止。VAO=–V1=–6V。

44電子線路2754806679(1)（2）畫(huà)輸出信號(hào)波形方法根據(jù)輸入信號(hào)大小

判斷二極管的導(dǎo)通與截止

找出vO與vI關(guān)系

畫(huà)輸出信號(hào)波形。例3：設(shè)二極管是理想的，vi=6sint(V)，試畫(huà)vO波形。解：vi>2V時(shí)，D導(dǎo)通，則vO=vivi

2V時(shí)，D截止，則vO=2V由此可畫(huà)出vO的波形。

+-DV+-+-2V100

RvOvit620vi(V)vO(V)t02645電子線路2754806679(1)小信號(hào)分析法即將電路中的二極管用小信號(hào)電路模型代替，利用得到的小信號(hào)等效電路分析電壓或電流