DZXLX_01.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电 子 线 路,线性部分（第四版）,谢嘉奎 主编,授课：曾浩,电子线路：,指包含电子器件、并能对电,信号实现某种处理的功能电路。,概 述,电路组成：,电子器件,+,外围电路,电子器件：,二极管、三极管、场效应管、,集成电路。,外围电路：,直流电源、电阻、电容、,电流源电路等。,1.1,半导体物理基础知识,1.3,晶体二极管电路分析方法,1.2 PN,结,1.4,晶体二极管的应用,1.0,概述,第一章 晶体二极管,概 述,晶体二极管结构及电路符号：,PN,结正偏（,P,接,+,、,N,接,-,）,，,D,导通P,N,正极,负极,晶体二极管的主要特性：,单方向导电特性,PN,结反偏（,N,接,+,、,P,接,-,）,，,D,截止。,即,主要用途：,用于整流、开关、检波电路中。,半导体：,导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。,1.1,半导体物理基础知识,硅,(,Si,),、,锗,(,Ge,),原子结构及简化模型：,+14,2,8,4,+32,2,8,4,18,+4,价电子,惯性核,硅和锗的单晶称为,本征半导体,。它们是制造半导体器件的基本材料。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,硅和锗共价键结构示意图：,共价键,1.1.1,本征半导体,当,T,升高或光线照射时,产生,自由电子空穴对。共价键具有很强的结合力。当,T=0K,（,无外界影,响）时，共价键中无自由移动的电子。,这种现象称,注意：,空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。,本征,激发,。,本征激发,当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。,当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是,空穴的运动,。,注意：,空穴运动方向与价电子填补方向相反。,自由电子,带负电,半导体中有两种导电的载流子,空穴的运动,空 穴,带正电,温度一定时：,激发与复合在某一热平衡值上达到,动态平衡。,热平衡载流子浓度,热平衡载流子浓度：,本征,半导体中,本征激发,产生,自由电子空穴对。,电子和空穴相遇释放能量,复合。,T,导电能力,n,i,或光照,热敏,特性,光敏特性,N,型半导体：,1.1.2,杂质半导体,+4,+4,+5,+4,+4,简化模型：,N,型半导体,多,子,自由电子,少子,空穴,自由电子,本征半导体中掺入少量,五价,元素构成。,P,型半导体,+4,+4,+3,+4,+4,简化模型：,P,型半导体,少子,自由电子,多子,空穴,空 穴,本征半导体中掺入少量,三价,元素构成。,杂质半导体中载流浓度计算,N,型半导体,（,质量作用定理）,（,电中性方程）,P,型半导体,杂质半导体呈电中性,少子,浓度取决于温度。,多子浓度取决于掺杂浓度。,1.1.3,两种导电机理,漂移和扩散,载流子在电场作用下的运动运动称,漂移运动，,所形成的电流称,漂移电流。,漂移电流密度,总漂移电流密度：,迁移率,漂移与漂移电流,电导,率：,半导体的电导率,电阻：,电压：,V,=,E,l,电流：,I,=,S,J,t,+,-,V,长度,l,截面积,S,电场,E,I,载流子在浓度差作用下的运动称,扩散运动，,所形成的电流称,扩散电流。,扩散电流密度,:,扩散与扩散电流,N,型 硅,光照,n(x),p(x),载流子浓度,x,n,o,p,o,1.2,PN,结,利用掺杂工艺，把,P,型半导体和,N,型半导体在原子级上紧密结合，,P,区与,N,区的交界面就形成了,PN,结。,掺杂,N,型,P,型,PN,结,1.2.1,动态平衡下的,PN,结,阻止多子扩散,出现内建电场,开始因浓度差,产生空间电荷区,引起多子扩散,利于少子漂移,最终达动态平衡,注意：,PN,结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过,PN,结的电流为零。,PN,结形成的物理过程,注意：,掺杂浓度（,N,a,、,N,d,）,越大，内建电位差,V,B,越大，阻挡层宽度,l,0,越小。,内,建,电位差：,阻挡层宽度：,室温时,锗管,V,B,0.2 0.3V,硅管,V,B,0.5 0.7V,1.2.2,PN,结的,伏安特性,PN,结,单向导电特性,P,+,N,内建,电场,E,l,o,+-,V,PN,结,正偏,阻挡层变薄,内建电场减弱,多子扩散,少子漂移,多子扩散形成,较大,的正向电流,I,PN,结导通,I,电压,V,电流,I,PN,结,单向导电特性,P,+,N,内建,电场,E,l,o,-+,V,PN,结,反偏,阻挡层变宽,内建电场增强,少子漂移,多子扩散,少子,漂移,形成,微小,的反向电流,I,R,PN,结截止,I,R,I,R,与,V,近似无关。,温度,T,电流,I,R,结论：,PN,结具有单方向导电特性。,PN,结,伏安特性方程式,PN,结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：,热电压,26mV,（,室温）,其中：,I,S,为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。,正偏时：,反偏时：,PN,结,伏安特性曲线,I,D,(mA,),V,(V),V,D(on),-,I,S,Si,Ge,V,D(on),=0.7V,I,S,=(10,-9,10,-16,)A,硅,PN,结,V,D(on),=0.25V,锗,PN,结,I,S,=(10,-6,10,-8,)A,V,V,D(on),时,随着,V,正向,R,很小,I,PN,结导通；,V,6V,),形成原因,:,碰撞电离,。,V,(BR),I,D,(mA,),V,(V),形成原因,:,场致激发。,发生条件,PN,结掺杂浓度较高,(,l,o,较窄,),外加反向电压较小,(,6V,),因为,T,载流子运动的平均自由路程,V,(BR),。,击穿电压的温度特性,雪崩击穿电压,具有正温度系数。,齐纳击穿电压,具有负温度系数。,因为,T,价电子获得的能量,V,(BR),。,稳压二极管,V,Z,I,D,(mA,),V,(V),I,Zmin,I,Zmax,+,-,V,Z,利用,PN,结的反向击穿特性，可,制成稳压二极管。,要求：,I,zmin,I,z,C,D,，,则,C,j,C,T,PN,结总电容：,C,j,=,C,T,+,C,D,PN,结正偏时，,C,D,C,T,，,则,C,j,C,D,故：,PN,结正偏时，以,C,D,为主。,故：,PN,结,反偏时，以,C,T,为主。,通常：,C,D,几十,PF,几千,PF,。,通常：,C,T,几,PF,几十,PF,。,1.3,晶体二极管电路分析方法,晶体二极管的内部结构就是一个,PN,结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型：,适于任一工作状态的,通用曲线模型,便于计算机辅助分析的,数学模型,直流简化电路模型,交流小信号电路模型,电路分析时采用的,数学模型,伏安特性方程式,理想模型：,修正模型：,r,S,体电阻,+,引线接触电阻,+,引线电阻,其中：,n,非理想化因子,I,正常时,:,n,1,I,过小或过大时,:n,2,注意：,考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际,I,S,理想,I,S,。,1.3.1,晶体二极管的模型,曲线模型,伏安特性曲线,V,(BR),I,(,mA,),V,(V),V,D(on),-I,S,当,V,V,D(on),时,二极管,导通,当,V,0,，,则管子导通；反之截止。,实际二极管：若,VV,D(on),，,管子导通；反之截止。,当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。,例,2,：,设二极管是理想的，求,V,AO,值。,图,(a),，,假设,D,开路，则,D,两端电压：,V,D,=,V,1,V,2,=6 12=18,0V,，,V,D2,=,V,2,(,V,1,),=15V,0V,由于,V,D2,V,D1,，则,D,2,优先导通,。,此时,V,D1,=6V,2V,时D,导通，则,v,O,=,v,i,v,i,2V,时，,D,截止，则,v,O,=2V,由此可画出,v,O,的,波形。,+,-,D,V,+,-,+,-,2V,100,R,v,O,v,i,t,6,2,0,v,i,(V),v,O,(V,),t,0,2,6,小信号分析法,即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。,分析步骤：,将直流电源短路，画交流通路。,用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。,利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。,1.4,晶体二极管的应用,电源设备组成框图：,电 源,变压器,整流,电路,滤波,电路,稳压,电路,v,i,v,O,t,v,i,t,v,1,t,v,2,t,v,3,t,v,O,整流电路,1.4.1,整流与稳压电路,D,+,-,+,-,R,v,O,v,i,当,v,i,0V,时，,D,导通，则,v,O,=,v,i,当,v,i,0V,时，,D,截止，则,v,O,=0V,由此，利用二极管的单向导电性，实现了,半波整流,。,若输入信号为正弦波：,平均值：,V,O,t,0,v,i,t,0,v,O,稳压电路,某原因,V,O,I,Z,I,限流电阻,R,：,保证稳压管工作在,I,zmin,I,zmax,之间,稳压原理：,V,O,V,R,V,O,=,V,Z,输出,电压：,D,+,-,+,-,R,R,L,I,L,V,I,V,O,I,Z,I,1.4.2,限幅电路,(,或削波电路,）,V,2,v,i,V,1,时，,D,1,、,D,2,截止,v,o,=,v,i,t,0,v,i,t,0,v,O,V,i,V,1,时，,D,1,导通、,D,2,截止,v,o,=,V,1,V,i,V,2,时，,D,2,导通、,D,1,截止,v,o,=,V,2,由此,，电路实现双向限幅功能。,v,O,v,i,+,-,D,1,+,-,+,-,R,D,2,V,1,-V,2,+,-,其中,：,V,1,为上,限幅电平，,V,2,为下,限幅电平。,V,1,-V,2,-V,2,V,1,