概 述电子线路：指包含电子器件、并能对电 信号实现某种处理的功能电路。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。第一章 晶体二极管1.0 概述1.1 半导体物理基础知识1.2 PN结1.3 晶体二极管电路分析方法1.4 晶体二极管的应用正极负极PN概 述晶体二极管结构及电路符号：晶体二极管的主要特性：单方向导电特性PN结正偏（P接+、N接-），D导通。即PN结反偏（N接+、P接-） ，D截止。主要用途：用于整流、开关、检波电路中。惯性核+3228184+14284+4价电子1.1 半导体物理基础知识半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅 ( Si ) 、锗 ( Ge ) 原子结构及简化模型：+4+4+4共价键+4+4+4+4+41.1.1 本征半导体 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。 硅和锗共价键结构示意图：当T升高或光线照射时产生自由电子空穴对。 本征激发 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。这种现象称本征激发。注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。 空穴的运动 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 — 带正电热敏特性niT或光照本征激发——产生自由电子空穴对。导电能力本征半导体中光敏特性电子和空穴相遇释放能量——复合。 热平衡载流子浓度温度一定时： 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：自由电子+4+4+4+5+4多子——自由电子N型半导体少子——空穴1.1.2 杂质半导体 N型半导体：本征半导体中掺入少量五价元素构成。简化模型：空 穴+3+4+4+4+4多子——空穴P型半导体少子——自由电子 P型半导体本征半导体中掺入少量三价元素构成。简化模型：（质量作用定理）N型半导体（电中性方程）P型半导体多子浓度取决于掺杂浓度。杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。 杂质半导体中载流浓度计算迁移率漂移电流密度总漂移电流密度：1.1.3 两种导电机理——漂移和扩散漂移与漂移电流 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。电场E截面积S长度lI+-V电阻：电导率： 半导体的电导率电压： V = E l电流：I = S Jt光照N 型 硅载流子浓度n(x)nop(x)pox 扩散与扩散电流 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:掺杂P型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。 N型PN结开始因浓度差引起多子扩散产生空间电荷区出现内建电场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。 1.2.1 动态平衡下的PN结 PN结形成的物理过程阻止多子扩散利于少子漂移 内建电位差：锗管 VB ? 0.2 ~ 0.3V室温时硅管 VB ? 0.5 ~ 0.7V 阻挡层宽度： 注意：掺杂浓度（Na、Nd）越大，内建电位差 VB 越大，阻挡层宽度 l0 越小。内建电场EP+NloPN结正偏阻挡层变薄+ -V内建电场减弱电压V ?电流I ??多子扩散少子漂移多子扩散形成较大的正向电流IPN结导通1.2.2 PN结的伏安特性 PN结——单向导电特性I内建电场EP+NPN结反偏lo阻挡层变宽- +VIR与V 近似无关。内建电场增强温度T ?电流IR??PN结截止少子漂移多子扩散少子漂移形成微小的反向电流IR PN结——单向导电特性IR结论：PN结具有单方向导电特性。热电压 ? 26mV（室温） 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： 正偏时： 反偏时： 其中： IS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。ID(mA)VD(on)= 0.7V硅PN结IS=(10-9~10-16)AGeSiVD(on)= 0.25V锗PN结V(V)IS=(10-6~10-8)AVD(on)-ISV VD(on)时 随着V ? I ?? 正向R很小 PN结导通；V VD(on)时 IR很小(IR? -IS) 反向R很大 PN结截止。 PN结——伏安特性曲线℃， VD(on)约减小2.5mV。 温度每升高10℃，IS约增加一倍。 ID(mA)V反?=V(BR)时， ? IR急剧??? ，? PN结反向击穿。 V(BR)V(V)PN结掺杂浓度较低 (lo较宽)发生条件雪崩击穿 外加反向电压较大(6V) 形成原因: 碰撞电离。PN结掺杂浓度较高 (lo较窄)发生条件外加反向电压较小(6V) 齐纳击穿 形成原因: 场致激发。 1.2.3 PN结的击穿特性ID(mA)VZV(V)IZmin+-VZIZmax 击穿电压的温度特性 雪崩击穿电压具有正温度系数。因为T? ? 载流子运动的平均自由路程? ?V(BR)?。 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 利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。 要求：Izmin Iz IzmaxCTCT(0)V0少子浓度P+Nx-xpxn01.2.4 PN结的电容特性 势垒电容CT 势垒区内空间电荷量随外加电压变化产生的电容效应。 扩散电容CD 阻挡层外（P区和N区）贮存的非平衡电荷量,随外加电压变化产生的电容效应。 PN结电容 PN结总电容： Cj = CT + CD PN结正偏时，CD CT ，则 Cj ≈ CD故：PN结正偏时，以CD为主。 通常：CD ≈几十PF ~ 几千PF。 PN结反偏时，CT CD ，则 Cj ≈ CT故：PN结反偏时，以CT为主。通常：CT ≈几PF ~ 几十PF。直流简化电路模型 电路分析时采用的交流小信号电路模型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： 便于计算机辅助分析的数学模型 适于任一工作状态的通用曲线模型理想模型：修正模型：I 正常时: n ?1其中：n —非理想化因子I 过小或过大时: n?21.3.1 晶体二极管的模型数学模型—伏安特性方程式rS — 体电阻 + 引线接触电阻 + 引线电阻注意：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IS??理想IS。I (mA)V(BR)V(V)-ISVD(on)当V VD(on)时 二极管导通当V VD(on)时 二极管截止当反向电压V ? V (BR)时 二极管击穿曲线模型—伏安特性曲线晶体二极管的伏安特性曲线，通常由实测得到。aRDIIID+-VD(on)VVV0VD(on)VD(on)bab简化电路模型折线等效：在主要利用二极管单向导电性的电路中， 实际二极管的伏安特性。理想状态：与外电路相比，VD(on)和RD均可忽略时， 二极管的伏安特性和电路符号。 开关状态：与外电路相比，RD可忽略时的伏安特性。简化电路模型：折线等效时，二极管的简化电路模型。 rs：PN结串联电阻，数值很小。 rjCj：为二极管增量结电阻。 IQ（室温） V小信号电路模型Cj：PN结结电容，由CD和CT两部分构成。 注意：高频电路中，需考虑Cj影响。因高频工作时， Cj容抗很小，PN结单向导电性会因Cj的交流旁 路作用而变差。1.3.2 晶体二极管电路分析方法分析二极管电路主要采用：图解法、简化分析法、小信号等效电路法。（重点掌握简化分析法）图解法利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。 要求：已知二极管伏安特性曲线和外围电路元件值。分析步骤：写出管外电路直流负载线方程。作直流负载线。分析直流工作点。优点：直观。既可分析直流，也可分析交流。 RII+-+-DVDDVV例1：已知电路参数和二极管伏安特性曲线，试求电路的静态工作点电压和电流。VDD/RQIQVQVDD解：由图可写出直流负载线方程：V=VDD-IR在直流负载线，得V= VDD；令V =0，得I = VDD / R；连接两点，画出直流负载线。所得交点，即为Q点。 简化分析法 即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。 （1）估算法 判断二极管是导通还是截止？假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位。理想二极管：若V0，则管子导通；反之截止。实际二极管：若VVD(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。 将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化 电路模型替代，然后分析求解。D1D(b)(a)AD2+-A3K?+-+--+3K?VAO+-V1+-V1VAOV2V2-6V6V9V12VOO例2：设二极管是理想的，求VAO值。解：图(a)，假设D开路，则D两端电压： VD=V1–V2= –6 –12= – 18 0V，故D截止。 VAO =12V。 图(b)，假设D1、D2开路，则D两端电压： VD1=V2 – 0= 9V 0V，VD2=V2–(–V1)=15V 0V 由于VD2 VD1 ，则D2优先导通。VAO = –V1 = –6V 。 此时VD1= –6V 0V，故D1截止。 vi(V)D6+-+-100?R2vitvO0+-2VVvO(V)62t0（2）画输出信号波形方法 根据输入信号大小? 判断二极管的导通与截止? 找出vO与vI关系? 画输出信号波形。例3：设二极管是理想的，vi =6sin?t(V)，试画vO波形。vi 2V时，D导通，则vO=vi解：vi ?2V时，D截止，则vO=2V由此可画出vO的波形。 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。 稳压电路电 源变压器整流电路滤波电路vivOv2v3vOtttv1vitt1.4 晶体二极管的应用电源设备组成框图：D+-+-viviRvOt0vOVOt01.4.1 整流与稳压电路 整流电路若输入信号为正弦波： 当vi 0V时，D导通，则vO=vi当vi ?0V时，D截止，则vO=0V由此，利用二极管的单向导电性，实现了半波整流。 平均值： R+-IIZIL+-VIVORLDVO? ? VR? 稳压电路稳压原理： 某原因VO? ? IZ?? ? I ?限流电阻R：保证稳压管工作在Izmin~ Izmax之间输出电压：VO= VZR+-+-D1D2V1V1vivO+-+-V1-V2-V2-V2vOvit0t01.4.2 限幅电路(或削波电路）?V2viV1时，D1、D2截止,vo=vi Vi ?V1时，D1导通、D2截止,vo=V1 Vi ? ?V2时，D2导通、D1截止,vo=V2 由此 ，电路实现双向限幅功能。其中：V1为上限幅电平， ?V2为下限幅电平。1、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。2、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈线、越是没有本领的就越加自命不凡。4、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。5、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。6、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。7、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。。8、业余生活要有意义，不要越轨。9、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。10、你要做多大的事情，就该承受多大的压力。11、自己要先看得起自己，别人才会看得起你。12、这一秒不放弃，下一秒就会有希望。13、无论才能知识多么卓著，如果缺乏热情，则无异纸上画饼充饥，无补于事。14、我只是自己不放过自己而已，现在我不会再逼自己眷恋了。谢谢大家需两个动画加动画加动画加动画加动画加动画加动画加动画加动画加动画加动画
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