[经济学]电子科技大学模拟电路课件-第一章-半导.ppt

1、第一章第一章 半导体材料及二极管半导体材料及二极管1.3 1.3 晶体二极管及其应用晶体二极管及其应用二极管的核心是一个二极管的核心是一个PNPN结。结。 图图1.11 1.11 二极管的结构和电路符号二极管的结构和电路符号1.3.1 1.3.1 晶体二极管的伏安特性晶体二极管的伏安特性 二极管的伏安特性是指流过二极管中的电流二极管的伏安特性是指流过二极管中的电流 与其端电压与其端电压 之间的关系。之间的关系。 DiDv(1)DTvVDsiI eDvDi（1.16）-加在二极管上的端电压加在二极管上的端电压-流过二极管上的电流流过二极管上的电流 二极管的正偏伏安特性方程二极管的正偏伏安特性方程

2、: : DTvVDsiI e 二极管的正向电流随正偏电压的增大呈指数规律二极管的正向电流随正偏电压的增大呈指数规律增加。增加。 1.1.正偏伏安特性正偏伏安特性（1.17） 二极管的反偏伏安特性方程二极管的反偏伏安特性方程: : 可见，二极管反向电流不随反向偏压可见，二极管反向电流不随反向偏压 而变而变化，仅有很小的反向饱和电流。化，仅有很小的反向饱和电流。 ssiI DiDv2.2.反偏伏安特性反偏伏安特性（1.18）图图1.12 1.12 二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线 当加在二极管当加在二极管上的反偏电压超过上的反偏电压超过某一数值某一数值V VBRBR时，反时，反偏电流将急剧

3、增大，偏电流将急剧增大，这种现象称为二极这种现象称为二极管 的管 的 反 向 击 穿反 向 击 穿图图1.13 1.13 二极管的反向击穿特性二极管的反向击穿特性3.3.反向击穿特性反向击穿特性导致二极管出现反向击穿的原因有下面两种：导致二极管出现反向击穿的原因有下面两种： n雪崩击穿雪崩击穿n齐纳击穿齐纳击穿(2 2.5)DodvmVCdT 211021()( )2TTSSITIT4.4.温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管正向特性的影响温度对二极管正向特性的影响 温度对二极管反向特性的影响温度对二极管反向特性的影响图图1.14 1.14 温度对二极管伏安特性的影

4、响温度对二极管伏安特性的影响5. Si5. Si二极管与二极管与GeGe二极管的差别二极管的差别SiSi 二极管的开启电压二极管的开启电压约约0.5-0.6V0.5-0.6V，GeGe二极管二极管的开启电压约的开启电压约0.1-0.2V0.1-0.2V。 SiSi二极管反向电流比二极管反向电流比GeGe二极管反向电流小得多，二极管反向电流小得多，Si Si 管是管是pApA量级，量级，GeGe管管是是AA量级。量级。 为什么？为什么？图图1.15 Si1.15 Si和和GeGe两种二极管伏安特性的差别两种二极管伏安特性的差别 1.3.2 1.3.2 二极管的直流电阻和交流电阻二极管的直流电阻和

5、交流电阻 1.1.直流电阻直流电阻DDDQVRI静态工作点静态工作点图图1.16 1.16 二极管的直流电阻二极管的直流电阻2.2.交流电阻交流电阻 DdDQdvrdidTDrVI说明说明: :交流电阻与直流交流电阻与直流电流成反比。电流成反比。如何证明？如何证明？图图1.17 1.17 二极管的交流电阻二极管的交流电阻3.3.二极管的其它主要参数二极管的其它主要参数maxfRIRVFI最大平均整流电流最大平均整流电流最高反向工作电压最高反向工作电压 反向电流反向电流最高工作频率最高工作频率含二极管电路的分析含二极管电路的分析（非线性伏安关系）（非线性伏安关系）代数法：求解非线性方程组代数法：

6、求解非线性方程组几何法：图解法几何法：图解法模型法：近似线性法模型法：近似线性法计算复杂，必须借助计算机计算复杂，必须借助计算机粗糙，必须知道伏安关系曲线粗糙，必须知道伏安关系曲线方便，可以利用线性电路分析方法方便，可以利用线性电路分析方法如何模型化？如何模型化？根据伏安关系根据伏安关系 1.3.3 1.3.3 二极管模型二极管模型图图1.18 1.18 二极管模型二极管模型（a)a)理想开关模型理想开关模型 （b b）恒压源模型）恒压源模型 （c c）折线近似模型）折线近似模型1.1.二极管伏安特性的分段线性近似模型二极管伏安特性的分段线性近似模型例例1.1 1.1 硅二极管与恒压源硅二极管

7、与恒压源E E和限流电阻和限流电阻R R构成的直流电构成的直流电路如图路如图1.191.19所示，求二极管工作点。所示，求二极管工作点。图图1.191.19解解：将二极管用：将二极管用恒压源模型恒压源模型近似后来估算二极管工作近似后来估算二极管工作点。点。 0.7VDONVV30.77.67mA300DDEVIR为什么采用恒压源模型？为什么采用恒压源模型？2.2.二极管的交流小信号模型二极管的交流小信号模型图图1.20 1.20 二极管的交流小信号模型二极管的交流小信号模型例例1.21.2 若在例若在例1.11.1电路中串联一个正弦电压电路中串联一个正弦电压源源 ，图，图1.211.21（a

8、a）为其电路图，估）为其电路图，估算此时二极管上交流电压与电流成分的振幅值算此时二极管上交流电压与电流成分的振幅值 和和 （T T300K300K）。）。4( ) 100sin210 mVv tdmVdmI图图1.21 1.21 二极管交流电路分析二极管交流电路分析 （a a）电路图）电路图 （b b）交流等效电路）交流等效电路解解：当未加正弦电压源，即：当未加正弦电压源，即 时，由例时，由例1.11.1可知，可知，二极管的工作点二极管的工作点 ， ，则可估算，则可估算出该工作点处的交流电阻为出该工作点处的交流电阻为( )0Vv t 0.7VDV7.67mADI26mV3.397.67mATd

9、DVrI 直流电压上叠加了交流电压，直流电流上叠加了交直流电压上叠加了交流电压，直流电流上叠加了交流电流。流电流。在静态工作点附近，非线性电路近似为线性电路。在静态工作点附近，非线性电路近似为线性电路。 利用线性电路的利用线性电路的叠加原理叠加原理，可以画出只反映，可以画出只反映交变电压和交变电流之间关系的电路，称之为交变电压和交变电流之间关系的电路，称之为交交流等效电路流等效电路，如图，如图1.21(b)1.21(b)所示，由此交流通路可所示，由此交流通路可求出求出 : :1000.33mA3003.39mdmdVIRr1.12mVdmdm dVIr1.3.4 1.3.4 二极管应用电路二极

10、管应用电路1.1.整流电路整流电路 图图1.22 1.22 直流稳压电源方框图直流稳压电源方框图 图图1.23 1.23 半波整流电路半波整流电路 试分析半波整流电路的工作原理，指出其不足，试分析半波整流电路的工作原理，指出其不足，提出改进方法。提出改进方法。全波整流电路全波整流电路试分析全波整流电路的工作原理，指出其不足，试分析全波整流电路的工作原理，指出其不足，提出改进方法。提出改进方法。桥式整流电路桥式整流电路试分析桥式整流电路的工作原理试分析桥式整流电路的工作原理2.2.滤波电路滤波电路图图1.25 1.25 滤波电路滤波电路试分析滤波电路的工作原理。试分析滤波电路的工作原理。限幅电路

11、是一种能限制电路输出电压幅值的电路。限幅电路是一种能限制电路输出电压幅值的电路。 3.3.限幅电路限幅电路图图1.26 1.26 限幅电路的电压传输特性限幅电路的电压传输特性VomaxVominVILVIH图图1.27 1.27 双向限幅电路双向限幅电路试分析双向限幅电路的工作原理。试分析双向限幅电路的工作原理。 钳位电路钳位电路是一种能使整个信号电压是一种能使整个信号电压直流平移直流平移的电路。在稳定状态下，输出波形完全是输入波的电路。在稳定状态下，输出波形完全是输入波形的复制品，但输出波形相对于输入波形有直流形的复制品，但输出波形相对于输入波形有直流平移现象，平移程度取决于电路。平移现象，

12、平移程度取决于电路。 4.4.钳位电路钳位电路图图1.28 1.28 钳位电路原理分析钳位电路原理分析 图图1.29 1.29 钳位电路的波形钳位电路的波形试找出图中的错误试找出图中的错误1.3.5 1.3.5 稳压管及其应用稳压管及其应用 1.1.稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性图图1.30 1.30 稳压管伏安特性曲线及电路符号稳压管伏安特性曲线及电路符号n稳定电压稳定电压 n最小稳定电流最小稳定电流 n最大稳定电流最大稳定电流 n动态电阻动态电阻 n电压温度系数电压温度系数 zVminzImaxzIzr 2. 2.稳压管的主要参数稳压管的主要参数3.3.稳压管电路稳压管电路 图图1.32

13、 1.32 稳压管稳压电路稳压管稳压电路1 1）稳压原理）稳压原理/,LLIILRRRR VVRR图图1.33 1.33 稳压管电路原理分析稳压管电路原理分析试分析稳压原理试分析稳压原理问题：还有其他的分析方法吗？问题：还有其他的分析方法吗？ImaxIminmaxminmaxminzzzzzzLLVVVVRVVIIRR 2 2）限流电阻）限流电阻R R的选取的选取 IzzzRLLVVVIIIRR稳压管正常工作范围：稳压管正常工作范围：minmaxzzzIII可以求得：可以求得：例例1.31.3 采用的采用的SiSi稳压管稳压管2DW32DW3的稳压电路如图的稳压电路如图1.341.34所示。如

14、果输入电压的波动所示。如果输入电压的波动 ，试问，试问输出电压的波动输出电压的波动9 ,4zzVV r 10%IIVV IV?ooVV图图1.341.34解：解：图图1.35 1.35 稳压电路模型及增量等效模型稳压电路模型及增量等效模型10%1.5IIVVV 0.0941%9ooVV 输入电压的变化量为：输入电压的变化量为：输出电压的变化量为：输出电压的变化量为：/0.094V/zLoIzLrRVVRrR输出电压的相对变化量为：输出电压的相对变化量为： 例例1.41.4为汽车上的收音机设计一个稳压电源。要为汽车上的收音机设计一个稳压电源。要求该稳压电源为汽车收音机提供一个求该稳压电源为汽车收

15、音机提供一个9V9V的电压，的电压，稳压电源的输入电压来自汽车电瓶，电瓶电压的稳压电源的输入电压来自汽车电瓶，电瓶电压的变化范围（变化范围（111113.613.6）V V，收音机的电流介于，收音机的电流介于0(0(关关掉掉) )100mA(100mA(最大音量最大音量) )之间。之间。图图1.361.36解：解：（1 1）当负载电流最大）当负载电流最大 ，输出电压最小，输出电压最小 时，时，流过稳压管的电流最小流过稳压管的电流最小 ，则，则 （2 2）当负载电流最小）当负载电流最小 ，输入电压最大，输入电压最大 时，流时，流过稳压管的电流最大过稳压管的电流最大 , ,则则maxLIIminV

16、ImminmaxinzzLVVIIRImminmaxinzzLVVRIIminLIImaxVImmaxaxzzVVIRImmaxaxzzVVRI令上两式相等，则令上两式相等，则: :ImminmaxmaxIm()()()axzzLzinzVVIIIVV 只含两个未知量：只含两个未知量： 和和 。 取稳压管的最小电流是最大电流的十分之一，即取稳压管的最小电流是最大电流的十分之一，即maxzIminzIminmax0.1zzIIImaxImaxmaxmaxIminImaxIminImax300mA() 0.1()0.90.1zzzLzzzVVVVIIVVVVVVVImaxmax13.6915.33

17、00zzVVRI则限流电阻则限流电阻 :提高训练提高训练： 如何设计小功率电压源电路？如何设计小功率电压源电路？1.3.6 PN1.3.6 PN结电容效应及应用结电容效应及应用n势垒电容势垒电容n扩散电容扩散电容DCTC变容二极管变容二极管1.3.71.3.7特殊二极管特殊二极管n 太阳能电池太阳能电池 n 光电二极管光电二极管 n 发光二极管发光二极管n 肖特基二极管肖特基二极管1.3.8 1.3.8 小结小结n半导体知识半导体知识n二极管知识二极管知识n二极管应用二极管应用 一、半导体知识一、半导体知识 1 1本征半导体本征半导体n单质半导体材料是具有单质半导体材料是具有4 4价共价键晶体

18、结构的价共价键晶体结构的硅硅（SiSi）和锗（）和锗（GeGe）。前者是制造半导体。前者是制造半导体ICIC的材料的材料（三五价化合物砷化镓（三五价化合物砷化镓GaAsGaAs是微波毫米波半导体是微波毫米波半导体器件和器件和ICIC的重要材料）。的重要材料）。n纯净且具有完整晶体结构的半导体称为纯净且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导本征半导体体。在一定的温度下，本征半导体内的最重要的。在一定的温度下，本征半导体内的最重要的物理现象是物理现象是本征激发本征激发（又称热激发或产生）。本（又称热激发或产生）。本征激发产生两种带电性质相反的载流子征激发产生两种带电性质相反的载流子自由自由电子和空穴

19、对电子和空穴对。温度越高，本征激发越强。温度越高，本征激发越强。n空穴空穴是半导体中的一种等效载流子。空穴导电的是半导体中的一种等效载流子。空穴导电的本质是价电子依次填补本征晶格中的空位，使局本质是价电子依次填补本征晶格中的空位，使局部显示电荷的空位宏观定向运动。部显示电荷的空位宏观定向运动。n在一定的温度下，自由电子与空穴在热运动中相在一定的温度下，自由电子与空穴在热运动中相遇，使一对自由电子和空穴消失的现象称为遇，使一对自由电子和空穴消失的现象称为载流载流子复合子复合。复合是产生的相反过程，当产生等于复。复合是产生的相反过程，当产生等于复合时，称载流子处于平衡状态。合时，称载流子处于平衡状

20、态。2 2杂质半导体杂质半导体n在本征硅（或锗）中渗入微量在本征硅（或锗）中渗入微量5 5价（或价（或3 3价）元素价）元素后形成后形成N N型（或型（或P P型）杂质半导体。型）杂质半导体。n在很低的温度下，在很低的温度下，N N型（型（P P型）半导体型）半导体中的杂质会中的杂质会全部电离，产生自由电子和杂质正离子对（空穴全部电离，产生自由电子和杂质正离子对（空穴和杂质负离子对）。和杂质负离子对）。n由于杂质电离，使由于杂质电离，使N N型半导体中的多子是自由电子，型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴，而少子是空穴，而P P型半导体中的多子是空穴，少子型半导体中的多子是空穴，少子是自由电

21、子是自由电子。n在常温下，多子在常温下，多子少子少子, ,且多子浓度几乎等于杂质且多子浓度几乎等于杂质浓度，与温度无关；少子浓度是温度的敏感函数。浓度，与温度无关；少子浓度是温度的敏感函数。n在相同掺杂和常温下，在相同掺杂和常温下，SiSi的少子浓度远小于的少子浓度远小于GeGe的的少子浓度。这也是少子浓度。这也是SiSi器件工作温度高于器件工作温度高于GeGe器件的器件的原因原因。 3 3半导体中的两种电流半导体中的两种电流n在半导体中存在因电场作用产生的载流子在半导体中存在因电场作用产生的载流子漂移电漂移电流流（这与金属导电一致）；还存在因载流子浓度（这与金属导电一致）；还存在因载流子浓度

22、差而产生的差而产生的扩散电流扩散电流。 二、二、PNPN结结n在具有完整晶格的在具有完整晶格的P P型和型和N N型材料的物理界面附近，型材料的物理界面附近，会形成一个特殊的薄层会形成一个特殊的薄层PNPN结结。nPNPN结是非中性区（称结是非中性区（称空间电荷区空间电荷区），存在由），存在由N N区指区指向向P P区的内建电场和内建电压；区的内建电场和内建电压；PNPN结内载流子数远结内载流子数远少于结外的中性区（称耗尽层）；少于结外的中性区（称耗尽层）；PNPN结内的电场结内的电场是阻止结外两区的多子越结扩散的（称势垒层或是阻止结外两区的多子越结扩散的（称势垒层或阻挡层）。阻挡层）。 三、

23、二极管知识三、二极管知识n普通二极管内芯片就是一个普通二极管内芯片就是一个PNPN结，结，P P区引出正电极，区引出正电极，N N区引出负电极。区引出负电极。n在低频运用时，二极管具有在低频运用时，二极管具有单向导电特性单向导电特性，正偏，正偏时导通，时导通，SiSi管和管和GeGe管导通电压典型值分别是管导通电压典型值分别是0.7V0.7V和和0.2V0.2V；反偏时截止，但；反偏时截止，但GeGe管的反向饱和电流比管的反向饱和电流比SiSi管大得多管大得多。n二极管的低频小信号模型就是交流电阻，它反映二极管的低频小信号模型就是交流电阻，它反映了在工作点了在工作点Q Q处，二极管的微变电流与

24、微变电压之处，二极管的微变电流与微变电压之间的关系。间的关系。n二极管交流电阻二极管交流电阻 定义：定义： 估算估算: :n二极管伏安特性二极管伏安特性n二极管的低频大信号模型是一种开关模型，有二极管的低频大信号模型是一种开关模型，有理想理想开关、恒压源模型和折线模型开关、恒压源模型和折线模型三种近似。三种近似。1DdDQdirdvdTDrVI(1)DTvVDsiI e 四、二极管应用四、二极管应用单向导电特性应用单向导电特性应用n整流器整流器：半波整流，全波整流，桥式整流。：半波整流，全波整流，桥式整流。n限幅器限幅器：顶部限幅，底部限幅，双向限幅。：顶部限幅，底部限幅，双向限幅。n钳位电路钳位电路* *n通信电路中的应用通信电路中的应用* *：检波器、混频器、倍频器等。：检波器、混频器、倍频器等。作业作业： 基本题基本题：6 6，1010，1515，1616 提高题提高题：1717，1818