模拟电路课件 第一篇第1章(1).ppt

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1、第一篇 电子器件与电子电路基础,集成电子技术基础教程,第一篇 电子器件与电子电路基础,第一章 半导体二极管及其电路分析,半导体工业,半导体材料,半导体工艺,半导体技术,单个半导体器件 大规模集成电路,PN结的机理和特性（附录A.1）,半导体材料,硅(Si),锗(Ge),砷化锗(GaAs),半导体的导电特性,导电能力:介于导体和绝缘体之间,电阻率:10-3-10-9 Ohm.cm,本征半导体,原子结构,晶体结构,共价键,热激发与复合,空穴与电子,空穴和电子浓度,温度特性,仅占三万亿分之一，GESI,每升10度，浓度增一倍,杂质半导体,N（NEGATIVE）型半导体,掺5价元素（磷、砷等）,多子（

2、施主原子）：电子,少（数载流子）子：空穴,P（POSITIVE）型半导体,掺3价元素（硼、镓等）,多子（受主原子）：空穴,少（数载流子）子：电子,杂质半导体的电子空穴浓度,结论： 两种载流子的浓度之积为常数，与掺杂程度无关。,载流子的运动,扩散运动,截流子浓度不平衡产生,漂移运动,外电场作用引起,PN结（PN Junction）,半导体基片一边掺5价元素，一边掺3价元素,PN结的载流子运动,多子扩散产生内建电场,内建电场作用：,阻止多子进一步扩散,促进P区和N区的少子漂移,扩散与漂移达到动态平衡,名词：,空间电荷层（正负离子）,阻挡层（多子）,耗尽层（载流子）,PN结（两种材料）,势垒区（势能

3、）,不对称P+N结,PN结的导电特性,正偏（Forward-Biased）,外建电场削弱内电场，空间电荷区变薄,多子扩散增强,少子漂移作用可忽略,低阻,反偏（Reverse-Biased）,外建电场与内电场一致，空间电荷区变厚,多子扩散电流大大减少,少子漂移占优,呈高阻,少子浓度极低，反向饱和电流很小,导电特性与温度密切,PN结的伏安特性,正向特性,常温下：T=300K，VT =26mv,正向电流增加十倍，电压才增60mv,反向特性,温度对伏安特性的影响,温度每升10度，IS增一倍,温度过高（SI=150200度）： 本征激发的少子浓度或能超过杂质原子提供的多子浓度，此时杂质半导体与本征半导体

4、类似，PN结不再存在，失去单向导电性,正偏时：,PN结的单向导电性能,PN结击穿特性（反偏）,反向击穿,反偏电压超过反向击穿电压VBR,反向电流将急剧增大,反向电压值VZ却增加很少,反向电流的增加不加以限制，PN结将迅速烧坏,雪崩击穿（Avalanche Breakdown）,齐纳击穿（Zener Breakdown）,雪崩击穿（Avalanche Breakdown）,内建电场足够强,漂移运动的载流子（少子）加速,少子与中性原子碰撞，使价电子激发产生新的电子空穴对，形成连锁反应，造成载流子的剧增，使反向电流“滚雪球”般地骤增,齐纳击穿（Zener Breakdown）,半导体掺杂浓度高，PN

5、结空间电荷层很薄,低反压(如在4V以下)，空间电荷区就可能获得2106V/cm以上的场强，将价电子直接从共价键中拉出来。获得很多的电子空穴对，得反向电流剧增,击穿反压的温度特性,雪崩击穿：温度系数为正,SI材料：反向击穿电压在7V以上的属雪崩击穿；在4V以下的为齐纳击穿；47V之间，两种击穿可同时存在,齐纳击穿：温度系数为负,当两种击穿均存在：其电压温度系数将接近于零,PN结的电容效应,势垒电容CB（Barrier Potential Cap）,空间电荷层随外加电压产生厚薄变化，电荷增加或减少,值大小为1至100pF，与外加电压成非线性关系,常利用其反偏时电容随外加电压的变化，制成变容二极管,

6、扩散电容CD（Diffusion Cap）,势垒区两侧非平衡载流子的积累引起,值大小：反偏时约为0，正偏时10至100PF,PN结电容 CJ=CD+CB,非线性电容，正偏时扩散为主，反偏时势垒为主,1.1.1 半导体二极管,二极管的符号,PN结加上相应的电极引线和管壳封装,二极管的电路符号,二极管的结构,点接触型二极管,面接触型二极管,平面接触型二极管,二极管的伏安特性,A点：开启（阀值，门坎）电压Vth Si=0.5V, Ge=0.1V,BC段：恒压区* Si=0.60.8V Ge=0.20.3V,反向电流: Si=纳安级 Ge=微安级,二极管主要参数,最大整流电流IF,反向电流IR,反向击

7、穿电压VBR,结电容Cj或关断时间或最高工作频率fMAX,1.1.2 二极管基本应用电路分析举例,二极管模型,二极管是一种非线性器件,根据不同应用,对其作不同的线性化处理,根据输入电压大小，有三种线性化方法,大信号模型,小信号模型,理想二极管模型,理想二极管模型,正偏：二极导通压降为零,反偏：二极管截止电流为零,二极管相当理想开关,何时可将其当作理想D ？,二极管大信号模型,截止：二极管反偏或正向偏压小于Von,导通 ：二极管正向偏压大于Von,何时应用二极管大信号模型 ？,二极管小信号模型,第一步：二极管的正向电压为VQ，正向电流为IQ,第二步：若VQ变为 试求正向电流变化,方法：二极管特性

8、局部线性化。用过Q点的切线AB来代替Q点附近的特性曲线，并建立起相应的模型,rd称为微变等效电阻或动态电阻,rd的另一计算方法：,由PN结特性方程求导数得到,二极管基本应用电路分析举例,整流电路,整流：交流电转换成 单方向的直流 电的过程,采用理想二极管模型,单相半波整流,参数计算,输出直流电压平均值,输出直流电流平均值,二极管承受平均电流,二极管承受最大反压,全波整流,限幅电路,限幅：限止输出电压的幅度,应用二极管的大信号模型,二极管门电路,输出低：电压小于0.7V,输出高：电压大于3.7V,低压稳压电路,例:设V=12V，限流电阻R=5.1K，若V变化（10%)，问输出电压V变动了多少?,

9、第一步: VI不变时电路参数(静态),应用二极管大信号模型,第二步: 计算VI变化时输出V变化(动态),应用二极管小信号模型,稳压二极管,稳压管的主要参数,稳定电压Vz,动态电阻,最大允许耗散功率PZmax,稳定电压的温度系数,1.1.3 特种二极管,例:设计一个硅稳压管稳压电路，要求输出电压VO=6V，最大负载电流为20mA，设外加输入电压VI为+12V,第二步：选稳压管 查手册后选2CW14，其稳定电压Vz = 6V，稳定电流为10mA，最大稳定电流为33mA,第一步：设计电路,第三步：计算限流电阻R,第四步：考虑极限情况 负载开路时，稳压管承受电流,发光二极管,由磷砷化镓(GaAsP)、

10、磷化镓(GaP)等半导体做成的PN结正偏工作时，多子大量复合，释放出能量，其中一部分能量会变为光能，使半导体发光,发光二极管的电路符号,光谱范围窄，光的波长与所用材料有关,伏安特性与一般二极管相似，但开启电压可达1.32.4V，反压一般大于3伏,发光亮度与正向电流(毫安级)成正比,具功耗小，易于和IC相匹配，驱动简单，响应时间快(启亮或熄灭仅需几个ns)、寿命长，耐冲击等优点,光电二极管,正常应用:光电二极管工作在反向偏置状态,无光照时只有很小的反向饱和电流Is，称为暗电流,有光照射时，光电二极管受光激发，产生大量电子空穴对，形成较大的光生电流，且随光照强度的增加而增大,特性要求:,很好的线性性,同时IS又要较大,变容二极管,正常应用:变容二极管工作在反向偏置状态,改变反向偏压，即可改变其等效电容的大小,变容二极管的电容很小，一般为PF数量级，常用于高频电路,肖特基二极管,内部有一个金属结面,显著特点 :,阀值电压(Von)很低，仅为0.3V,导通时存贮的非平衡少数载流子数量很少，关断时间很短，工作频率高,电路符号,