电子科大课堂讲义模拟电路1序言.PPT
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1、引言 各种电子设备由一些特定功能的电路组成,而完成一定功能的电路必含电子器件。 含有电子器件的电路称为电子电路,包括模拟电子电路和数字电子电路。,模拟电路: 处理的电信号是一种时间的连续信号(模拟信号)。,按电路中电子器件的工作状态可分为 线性电路; 非线性电路。,按其处理的信号频率可分为低频电路; 高频电路; 微波电路。,本课程为低频线性模拟电路。,数字电路处理的信号为数字信号,是只有高、低两种电平的非连续信号。 其优点为抗干扰性强,信号便于储存。 数字电路中管子(器件)工作在开关状态。,电子器件的时代划分 第一代:电真空器件(电子管、离子管) 第二代:半导体器件(晶体管、场效应管) 第三代
2、:集成电路(由小规模、中规模、 大规模向超大规模方向发展)。,电子电路的核心是电子器件,电子器件的更新换代带动了电子电路的更新发展。,第一章 晶体二极管及应用电路 1-1 半导体材料及导电特性,物质按导电能力分为导体、半导体、绝缘体。 用于制造半导体器件的半导体材料主要是硅(Si)和锗(Ge),它们具有晶体结构,故半导体器件又称为晶体管。,一、本征半导体 完全纯净、没有结构缺陷的半导体单晶。 Si和Ge原子结构模型,Si和Ge的晶体结构,原子按四角形系统组成晶体点阵。每个原子处于正方体中心,其它四个原子处于四方体顶点。每个原子与相邻四个原子形成共价键,共用一个价电子,通过共价键与相邻原子牢固相
3、联。,在绝对零度(-273oC)并且无外界能量时,价电子被束缚在共价键中,半导体中不存在自由电子,半导体不导电。,当温度升高(热激发)或光照射(光激发),部分价电子获得能量挣脱共价键成为自由电子(带一个单位负电荷),同时共价键中留下相同数量的空位(空穴,带一个单位的正电荷)。,本征激发: 本征半导体在外界能量激发下,成对地产生电子-空穴对的物理现象。 空穴的移动:空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填补空穴来实现的,故空穴可参与导电。 无外加电场时,自由电子、空穴的运动杂乱无章。 外加电场时,自由电子逆电场、空穴顺电场方向运动,分别形成电子电流和空穴电流。 载流子:运载电荷的粒子。 半导体导
4、电的特点: 半导体中有两种载流子(自由电子、空穴)。,电子-空穴对的复合: 电子、空穴在运动中相遇重新结合而使电子-空穴对消失的过程。,载流子的产生与复合 本征半导体中同时存在载流子产生与复合过程。在一定温度下,二者达到动态平衡,使半导体中的载流子浓度保持一定值;温度变化时,则在新温度下达到新的浓度。,本征浓度: 平衡状态下本征半导体单位体积内自由电子或空穴数。 常温下本征浓度远小于原子密度,因此本征半导体导电能力很弱。 在相同温度下, Ge材料的本征浓度Si材料的本征浓度。,1、N型半导体 (n-semiconductor),二、杂质半导体 在本征半导体中,人为掺入微量三价或五价元素构成杂质
5、半导体,杂质半导体的导电性能不再决定于温度,而由杂质类型和数量决定。 按照杂质半导体的导电类型将其分为N型半导体和P型半导体。,由于五价元素的原子可提供自由电子,故这种杂质称为施主杂质。 N型半导体中两种载流子构成: 自由电子=掺杂(主要)+本征激发 空穴=本征激发 自由电子称为多数载流子, 空穴称为少数载流子。 导电主要靠自由电子,而电子带负电荷 (negative electric charge)故得其名。 自由电子数=空穴数+正离子数 故N型半导体本身呈电中性。,2、P型半导体(p-semiconductor) 在本征半导体中,掺入微量三价元素如硼,可使晶体中空穴浓度大大增加。,由于每一
6、个三价元素的杂质原子都能接受一个价电子而成为负离子,故称三价元素为受主杂质。 P型半导体中两种载流子构成: 空穴=掺杂(主要)+本征激发 自由电子=本征激发 空穴称为多数载流子, 自由电子称为少数载流子。,P型半导体主要靠空穴导电,而空穴带正电荷 (positive electric charge)故得其名。,P型半导体本身也呈电中性: 空穴数=自由电子数+负离子数,杂质半导体的载流子浓度 设杂质半导体产生复合达到平衡时,自由电子浓度为no,空穴浓度为po,同一温度下本征浓度为ni, 则nopo=ni2。 常温下,多子浓度本征浓度 少子浓度本征浓度,杂质半导体利用多子导电即“杂质导电”特性,是
7、半导体器件正常工作的内在条件。,三、漂移电流与扩散电流,半导体中载流子定向运动有两种方式: 漂移运动 扩散运动 只有在这两种情况下,半导体内部才能形成定向电流: (一)在电场作用下,载流子产生定向迁移运动形成 漂移电流: I漂电场强度、载流子浓度; (二)由于载流子浓度分布不均匀,载流子从浓度高 向浓度低的方向扩散运动形成扩散电流: I扩浓度梯度(浓度差)。,1-2 PN结原理 PN结是构成半导体二极管、三极管等半导体器件的基本组成部分。,1、PN结的形成 在一块本征半导体两侧,通过掺入不同杂质,分别形成形成N型半导体和P型半导体。在二者交界面上形成如下物理过程:,因浓度差, 故 P区 N区
8、N区 P区 形成I扩(PN),扩散与复合的结果: 形成空间电荷区 产生内电场E内,(1)E内与多子扩散反向,阻止扩散; (2)E内促使少子漂移,形成I漂(NP) PN结存在两种相反运动: 多子扩散运动(浓度差); 少子漂移运动(内电场)。 达到动态平衡时,净电流为0,PN结宽度达到稳定。,E内的作用,空间电荷区(由不能移动的正、负离子构成) 耗尽层(无载流子) 阻挡层(阻止多子扩散) 势垒区(N区比P区高一个电势VD),PN结的几种名称,2、PN结的伏安特性 (1)PN结正向偏置(P区接正极,N区接负极) 外加U与E内反向(削弱 E内) PN结变薄; 使扩散漂移, I正=I扩; 当U进一步E内
9、更多的多子扩散I正 I正大小取决于外加电压U,PN结正偏导通;,(2)PN结反向偏置(N区接正极,P区接负极) U与E内同向(增强 E内)PN结变宽; 使扩散漂移, I反=Is(反向饱和电流) IS由本征激发产生的少子形成,在一定范围内基本 不随外加U的而,仅对温度十分敏感。 故PN结反偏截止。,PN结的单向导电性:正偏导通,反偏截止。,PN结方程,2当U0,且 UVT 几倍时,I-IS,其中IS:反向饱和电流 VT:温度电压当量,常温下约为26mV。 当U0,且UVT几倍时,,PN结的伏安特性曲线,3、PN结的击穿,当反向电压U超过某值时,I反突然增大,称为PN 结反向击穿。此时对应的U反称
10、为击穿电压UBR。 击穿机理分为两种: 齐纳击穿和雪崩击穿。 它们属于电击穿,又称可逆击穿。 热击穿属于不可逆击穿。,当T0U正(正向特性曲线左移) IS(反向特性曲线下移) UBR变化,4、温度对PN结特性的影响,当加在PN结上的电压发生变化时,PN结中储存的电荷量也随之变化,等效为一个电容效应。 有两种结电容:势垒电容(CT) 扩散电容(CD),,5、PN结电容(势垒电容和扩散电容),势垒电容(空间电荷电容): PN结外加电压改变时,空间电荷区电荷量随之改变所产生的电容效应。,扩散电容: 外加正偏电压变化时,PN结外扩散区内积累的非平衡载流子数变化引起的电容效应。,I正,PN结总电容 Cj
11、=CD+CT CD、CT均为pF数量级。 PN结正偏时,以CD为主; 反偏时,以CT为主。,1-3晶体二极管及应用 由PN结加上电极引线和管壳封装而构成晶体二 极管,二极管核心是PN结。,按材料分为: 锗二极管 硅二极管; 按结构分为: 点接触型 面接触型 平面型; 按承受功率分为:小功率管 大功率管; 按工作频率分为:低频管 高频管;,一、晶体二极管伏安特性 基本就是PN结的伏安特性,属于非线性电阻器件。 二极管方程即PN结方程。,PN结方程,例:二极管端电压为0.65V增大10时,流过的电流 ( )。 (1)增大10 (2)减小10 (3)增大值大于10 (4)不变,二极管VA特性曲线的几
12、个区域:,Si和Ge二极管伏安特性区别: 正向特性:导通电压UON(UD)不同 Si管0.7V左右,Ge管0.3V左右 反向特性:反向饱和电流IS不同 Si管纳安(10-9A)级, Ge管微安(10-6A)级,温度对二极管特性的影响即温度对PN结特性的影响见下图 U正为负温度系数(-22.5mV/1oC); Is为正温度系数(加倍/10oC)。,极限参数:最大平均整流电流IF 最高反向工作电压UR 直流参数:反向电流IR(IS)(性能参数) 交流参数:最高工作频率fM,二、二极管主要参数,三、二极管直流电阻和交流电阻(正向偏置下),1、直流电阻RD(与工作点位置有关),2、交流电阻rd(微变电
13、阻、动态电阻),例1 二极管导通后,在工作点处的直流电阻RD和交流电阻rd的关系为( ) (1)RDrd (2)RDrd (3)RDrd,例2 加到二极管的直流电压为0.7v,流过二极管的直流电流为1mA时,则RD=( ) , rd=( )。,2、恒压源模型: 将二极管用理想二极管串联电压源(UD)构成。,3、折线等效电路(交流大电流),4、小信号等效电路 二极管工作在正向特性的某一小范围内时,其正向特性可以等效成一个微变电阻。,1、断开D,求出D两端正向电位差, 若UD,则导通(用电压为UD的电压源代替); 若UD,则截止(开路)。 2、两只或以上的二极管,正向电位差大的优先导通,其端电压为
14、导通电压,再按1方法判断其余管子。 3、两只不同材料二极管处于正向偏置并联时,导通电压小的管子优先导通,其端电压为导通电压再按方法1判断另一只管子。,五、二极管在电路的工作状态(导通、截止)判断,电路举例:判各二极管状态,求Uo值。,(c)断开D1、D2, UB1A= 0-(-9)=9V , UB2A= -12-(-9)=-3V D1优先导通,UA= - 0.7V=Uo, UB2A= -12-(-0.7)= - 11.3V , 故D2截止。,(d) 断开D1、D2, UAB1=15V, UAB2=15-(-10)=25V , D2优先导通 UA=0.7-10= -9.3V=Uo,UAB1=-9
15、.3V, D2截止。,六、二极管应用电路举例 (利用二极管的单向导电性) 1、整流电路,例:已知ui=Uimsint(V),二极管为理想二极管,画出uo波形。,(a),2、限幅电路,(b),(c),(a),(二极管截止),(二 极管导通),3、钳位电路:改变信号直流电压成分的电路,uo底部钳位于0V。,稳压二极管是一种特殊二极管,与普通二极管工作在正向、反向特性区不同,稳压管是专门工作于反向击穿区。 工作原理:利用反向击穿后电流在一定范围内变 化时,其端电压几乎不变的特点,在电路中作稳压使用。,七、稳压二极管(齐纳二极管),稳压管特点: 1、PN结易击穿,其击穿电压比普通二极管击穿电压 低很多
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