电子技术基础模拟部分.pptx

电子技术基础模拟部分 3、1、1 半导体材料半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)得不同得不同,来划分来划分导体、绝缘体与半导体。导体、绝缘体与半导体。典型得半导体有硅典型得半导体有硅SiSi与锗与锗GeGe以及砷化镓以及砷化镓GaAsGaAs等。等。3、1、2 半导体得共价键结构半导体得共价键结构硅与锗得原子结构简化模型及晶体结构硅与锗得原子结构简化模型及晶体结构 3、1、3 本征半导体本征半导体本本征征半半导导体体化化学学成成分分纯纯净净得得半半导导体体。它它在在物物理理结结构构上上呈呈单单晶晶体形态。体形态。空穴空穴共价键中得空位共价键中得空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而产生得自由电子与空穴对。产生得自由电子与空穴对。空穴得移动空穴得移动空穴得运动空穴得运动就是靠相邻共价键中得价电就是靠相邻共价键中得价电子依次充填空穴来实现得。子依次充填空穴来实现得。由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对 3、1、4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质,可使半导体得导电性发生显著变化。掺入得杂质可使半导体得导电性发生显著变化。掺入得杂质主要就是三价或五价元素。掺入杂质得本征半导主要就是三价或五价元素。掺入杂质得本征半导体称为杂质半导体。体称为杂质半导体。N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素掺入五价杂质元素(如磷如磷)得半得半导体。导体。P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素掺入三价杂质元素(如硼如硼)得半导得半导体。体。1 1、N N型半导体型半导体 3、1、4 杂质半导体杂质半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中得围四个半导体原子中得价电子形成共价键价电子形成共价键,而而多余得一个价电子因无多余得一个价电子因无共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。在在N N型半导体中自由电子就是多数载流子型半导体中自由电子就是多数载流子,它主要由杂质原它主要由杂质原子提供子提供;空穴就是少数载流子空穴就是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。提供自由电子得五价杂质原子因带正电荷而成为正离子提供自由电子得五价杂质原子因带正电荷而成为正离子,因因此五价杂质原子也称为施主杂质。此五价杂质原子也称为施主杂质。2 2、P P型半导体型半导体 3、1、4 杂质半导体杂质半导体 因三价杂质原子因三价杂质原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时键时,缺少一个价电缺少一个价电子而在共价键中留下子而在共价键中留下一个空穴。一个空穴。在在P P型半导体中空穴就是多数载流子型半导体中空穴就是多数载流子,它主要由掺杂形成它主要由掺杂形成;自自由电子就是少数载流子由电子就是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子。三价杂质使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。因而也称为受主杂质。3、杂质对半导体导电性得影响杂质对半导体导电性得影响 3、1、4 杂质半导体杂质半导体 掺入杂质对本征半导体得导电性有很大得影响掺入杂质对本征半导体得导电性有很大得影响,一些典型得数据如下一些典型得数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中得有关概念本节中得有关概念 自由电子、空穴自由电子、空穴 N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质end3、2 PN结得形成及特性结得形成及特性 3、2、2 PN结得形成结得形成 3、2、3 PN结得单向导电性结得单向导电性 3、2、4 PN结得反向击穿结得反向击穿 3、2、5 PN结得电容效应结得电容效应 3、2、1 载流子得漂移与扩散载流子得漂移与扩散 3、2、1 载流子得漂移与扩散载流子得漂移与扩散漂移运动漂移运动:在电场作用引起得载流子得运动称为漂移运动。在电场作用引起得载流子得运动称为漂移运动。扩散运动扩散运动:由载流子浓度差引起得载流子得运动称为扩散由载流子浓度差引起得载流子得运动称为扩散运动。运动。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静 3、2、2 PN结得形成结得形成 3、2、2 PN结得形成结得形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同得杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同得杂质,分别形成分别形成N N型半导体与型半导体与P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半型半导体与导体与P P型半导体得结合面上形成如下物理过程型半导体得结合面上形成如下物理过程:因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子得扩散与少子得漂移达到动态平衡。多子得扩散与少子得漂移达到动态平衡。多子得扩散运动多子得扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 对于对于P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为子薄层形成的空间电荷区称为PNPN结。结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。称耗尽层。3、2、3 PN结得单向导电性结得单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区得电位高于区得电位高于N N区得电位区得电位,称为加正称为加正向电压向电压,简称正偏简称正偏;反之称为加反向电压反之称为加反向电压,简称反偏。简称反偏。(1)PN(1)PN结加正向电压时结加正向电压时 低电阻低电阻 大得正向扩散电流大得正向扩散电流 3、2、3 PN结得单向导电性结得单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区得电位高于区得电位高于N N区得电位区得电位,称为加正称为加正向电压向电压,简称正偏简称正偏;反之称为加反向电压反之称为加反向电压,简称反偏。简称反偏。(2)PN(2)PN结加反向电压时结加反向电压时 高电阻高电阻 很小得反向漂移电流很小得反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。也称为反向饱和电流。PNPN结加正向电压时结加正向电压时,呈现低电阻呈现低电阻,具有较大得正向扩散电流具有较大得正向扩散电流;PNPN结加反向电压时结加反向电压时,呈现高电阻呈现高电阻,具具有很小得反向漂移电流。有很小得反向漂移电流。由此可以得出结论由此可以得出结论:PNPN结具有单向结具有单向导电性。导电性。3、2、3 PN结得单向导电性结得单向导电性(3)PN(3)PN结结V V-I I 特性表达式特性表达式其中其中PNPN结得伏安特性结得伏安特性I IS S 反向饱与电流反向饱与电流V VT T 温度得电压当量温度得电压当量且在常温下且在常温下(T T=300K=300K)3、2、4 PN结得反向击穿结得反向击穿 当当PNPN结得反向电压结得反向电压增加到一定数值时增加到一定数值时,反向反向电流突然快速增加电流突然快速增加,此现此现象称为象称为PNPN结得反向击穿。结得反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆 3、2、5 PN结得电容效应结得电容效应(1)(1)扩散电容扩散电容C CD D扩散电容示意图扩散电容示意图 3、2、5 PN结得电容效应结得电容效应(2)(2)势垒电容势垒电容C CB Bend3、3 半导体二极管半导体二极管 3、3、1 半导体二极管得结半导体二极管得结构构 3、3、2 二极管得伏安特性二极管得伏安特性 3、3、3 二极管得主要参数二极管得主要参数3、3、1 半导体二极管得结构半导体二极管得结构 在在PNPN结上加上引线与封装结上加上引线与封装,就成为一个二极管。就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1)(1)点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN PN结面积小结面积小,结电结电容小容小,用于检波与变频用于检波与变频等高频电路。等高频电路。(a)面接触型面接触型 (b)集成电路中得平面型集成电路中得平面型 (c)代表符号代表符号(2)(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN PN结面积大结面积大,用于用于工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型 3、3、2 二极管得伏安特性二极管得伏安特性二极管得伏安特性曲线可用下式表示二极管得伏安特性曲线可用下式表示锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性 3、3、3 二极管得主要参数二极管得主要参数(1)(1)最大整流电流最大整流电流I IF F(2)(2)反向击穿电压反向击穿电压V VBRBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压V VRMRM(3)(3)反向电流反向电流I IR R(4)(4)正向压降正向压降V VF F(5)(5)极间电容极间电容C CJ J（C CB B、C CD D）end3、4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 3、4、1 简单二极管电路得图解分析方简单二极管电路得图解分析方法法 3、4、2 二极管电路得简化模型分析方二极管电路得简化模型分析方法法3、4、1 简单二极管电路得图解分析方简单二极管电路得图解分析方法法 二极管就是一种非线性器件二极管就是一种非线性器件,因而其电路一般要因而其电路一般要采用非线性电路得分析方法采用非线性电路得分析方法,相对来说比较复杂相对来说比较复杂,而图而图解分析法则较简单解分析法则较简单,但前提条件就是已知二极管得但前提条件就是已知二极管得V V-I I 特性曲线。特性曲线。例例3、4、1 电路如图所示电路如图所示,已知二极管得已知二极管得V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD与电阻与电阻R,求二极管两端电压求二极管两端电压vD与流过二极管得电流与流过二极管得电流iD。解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 即即 就是一条斜率为就是一条斜率为-1/R得直线得直线,称为负载称为负载线线 Q得坐标值得坐标值(VD,ID)即为所求。即为所求。Q点称为电路得工作点点称为电路得工作点 3、4、2 二极管电路得简化模型分析方二极管电路得简化模型分析方法法1 1、二极管二极管V V-I I 特性得建模特性得建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特性的等效模型。管特性的等效模型。（1 1）理想模型）理想模型 （a a）V V-I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型 3、4、2 二极管电路得简化模型分析方二极管电路得简化模型分析方法法1 1、二极管二极管V V-I I 特性得建模特性得建模（2 2）恒压降模型）恒压降模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型（3 3）折线模型）折线模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 3、4、2 二极管电路得简化模型分析方二极管电路得简化模型分析方法法1 1、二极管二极管V V-I I 特性得建模特性得建模(4 4)小信号模型小信号模型vs=0 时时,Q点称为静态工作点点称为静态工作点,反映直流时得工作状态。反映直流时得工作状态。vs=Vmsin t 时时(VmVT。（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 3、4、2 二极管电路得简化模型分析方二极管电路得简化模型分析方法法2 2、模型分析法应用举例、模型分析法应用举例(1 1)整流电路整流电路(a)电路图电路图 (b)vs与与vo得波形得波形2 2、模型分析法应用举例、模型分析法应用举例(2 2)静态工作情况分析静态工作情况分析理想模型理想模型（R=10k）当当VDD=10V 时，时，恒压模型恒压模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）设设当当VDD=1V 时，时，（自看）（自看）（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习惯画法 2 2、模型分析法应用举例、模型分析法应用举例(3 3)限幅电路限幅电路 电路如图电路如图,R=1k,VREF=3V,二极管为硅二极管。分别用理想模型与恒二极管为硅二极管。分别用理想模型与恒压降模型求解压降模型求解,当当vI=6sin t V时时,绘出相应得输出电压绘出相应得输出电压vO得波形。得波形。2 2、模型分析法应用举例、模型分析法应用举例(4 4)开关电路开关电路电路如图所示电路如图所示,求求AO得电压值得电压值解解:先断开先断开D,以以O为基准电位为基准电位,即即O点为点为0V。则接则接D阳极得电位为阳极得电位为-6V,接阴极接阴极得电位为得电位为-12V。阳极电位高于阴极电位阳极电位高于阴极电位,D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后导通后,D得压降等于零得压降等于零,即即A点得电位就就是点得电位就就是D阳极得电位。阳极得电位。所以所以,AO得电压值为得电压值为-6V。end2 2、模型分析法应用举例、模型分析法应用举例(6 6)小信号工作情况分析小信号工作情况分析图示电路中图示电路中,VDD=5V,R=5k,恒压降模型得恒压降模型得VD=0、7V,vs=0、1sin t V。(1)求输出电压求输出电压vO得交流量与总量得交流量与总量;(2)绘出绘出vO得波形。得波形。直流通路、交流通路、静态、动态等直流通路、交流通路、静态、动态等概念概念,在放大电路得分析中非常重要。在放大电路得分析中非常重要。3、5 特殊二极管特殊二极管 3、5、1 齐纳二极管齐纳二极管(稳压二极管稳压二极管)1 1、符号及稳压特性符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。电击穿状态。(1)稳定电压稳定电压VZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定得稳压管反向工作在规定得稳压管反向工作电流电流IZ下下,所对应得反向工作电所对应得反向工作电压。压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 与最小稳定工作电流与最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2、稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数3、5、1 齐纳二极齐纳二极管管3、稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO=VZ3、5、1 齐纳二极齐纳二极管管