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1、电类各专业适用第一章第一章 绪绪 论论一、本课程的性质、目的和任务一、本课程的性质、目的和任务一、本课程的性质、目的和任务一、本课程的性质、目的和任务三、本课程的基本要求三、本课程的基本要求三、本课程的基本要求三、本课程的基本要求二、模拟电路的基本知识二、模拟电路的基本知识二、模拟电路的基本知识二、模拟电路的基本知识五、参考书五、参考书五、参考书五、参考书四、基础要求四、基础要求四、基础要求四、基础要求 2.1 2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识一、本征半导体一、本征半导体一、本征半导体一、本征半导体 (Intrinsic Semiconductors)(Intrinsic Semico
2、nductors)纯净的半导体晶体称为本征半导体第二章第二章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路31.本征半导体的共价键结构（硅）：硅原子外层轨道4个价电子，它与相邻原子靠得很近，使价电子成为两个原子公有，形成共价键结构。+4+4+4+4共价键共价键中的两个电子图2142.本征半导体的特点：在T=0 K（绝对零度）和无外界激发，没有自由运动的带电粒子载流子；At T=0 K,Silicon is an insulator,that is,no charge flows through it.T，受热激发，如 T=300K（室温），少数价电子会挣脱束缚成为自由电子，留下空穴本征激发
3、。53.本征半导体中的两种载流子：自由电子(free electron)空穴(hole 价电子挣脱束缚后留下的空位）a.带正电，所带电量与电子相等；b.可以“移动”；c.本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相等。64.本征半导体中的载流子浓度 (the intrinsic carrier concentration)ni：自由电子的浓度(the concentration of free electron)pi：空穴的浓度 (the concentration of hole)A：系数（与半导体材料有关）(a constant)7T：绝对温度(the temperature(K)EG：价
4、电子挣脱共价键所需能量,又叫禁带宽度 (bandgap energy(eV)K：波尔兹曼常数(Boltzmanns constant)结论：半导体材料一定，载流子浓度随温度按指数规律增大。8二、杂质半导体二、杂质半导体二、杂质半导体二、杂质半导体 (Extrinsic Semiconductors)(Extrinsic Semiconductors)半导体的导电能力取决于载流子的数目，本征半导体受热激发只产生少量电子空穴对，载流子浓度很低，外加电场作用，电流极其微弱；若在本征半导体中掺入微量杂质，则导电性能大为改观，掺入百万分之一的杂质，载流子浓度增加1百万倍。91.N型半导体 (N-type
5、 semiconductor)形成 (Negative)本征掺杂：本征半导体得到大量电子（无空穴）磷本征激发：得到少量电子空穴对+4+4+4+5磷原子多余电子图2210 特点a.自由电子为多数载流子（多子）空穴为少数载流子 （少子）；b.磷原子被称为施主杂质(donor impurity)，本身因失去电子而成为正离子。N型半导体可简化成+图23112.P型半导体(Ptype semiconductor)形成 (Positive)本征掺杂：本征半导体得到大量空穴（无电子）硼+4+4+4+3图2 4硼原子空穴本征激发：得到少量电子空穴对12 特点a.空穴为多数载流子 （多子）自由电子为少数载流子（
6、少子）；b.硼原子被称为受主杂质(acceptor impurity)，本身因获得电子而成为负离子。P型半导体可简化成图2513浓度差别多子扩散空间电荷区 当扩散和漂移达到动平衡，即形成PN结。内电场内电场少子漂移+P型区N型区空间电荷区图27内电场V014 2.2 PN2.2 PN结的形成结的形成一、一、一、一、PNPN结的形成结的形成结的形成结的形成 (The(The pnpn junction)junction)用化学方法把N型半导体和P型半导体结合在一起。图26P型+N型15二、二、二、二、PNPN结的符号结的符号结的符号结的符号 (symbol(symbol)把PN结封壳，引线即成二
7、极管。其符号和PN结相同。阳极阴极16一、二极管（一、二极管（一、二极管（一、二极管（PNPN结结结结）的单向导电性的单向导电性的单向导电性的单向导电性1.正偏:P +，N PN结变窄（由11到22）PN结正向电阻很小。内电场变小（由V0变到V0 VF）形成扩散电流即正向电流 IF；VF，IF；利于扩散12122 121PN VF IF 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管内电场外电场+_172.反偏 P ，N +PN结变宽（由11到22）PN结反向电阻很大。内电场变大（由V0变到V0+VF）形成漂移电流即反向（饱和）电流 IS；VR，IS 不变；利于漂移21211 212PN VR IF
8、IR(或IS)内电场内电场外电场外电场+_18总结：二极管(PN结)正向电阻小，反向电阻大，这就是它的单向导电性。The The current current is is an an exponential exponential function function of of voltage voltage in in the the forward-bias forward-bias condition,and condition,and is is essentially essentially zero zero in in the the reverse-bias conditio
9、n.reverse-bias condition.19二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性I I=f f(V V)正向死区死区电压：硅0.5V 锗0.1V图210OV(V)ISIFI(mA)+IVA)(20 正向导通区IS：反向饱和电流VT：温度的电压当量 T=300K时，VT=26mVb.当 V VTI 和V成指数关系21 反向截止区I=IS 反向击穿区 反向电流急剧增加,管子被击穿。反向电压反向电流 PN结允许的耗散功率称为热击穿。热击穿管子损坏，是不可逆的。22三、二极管的直流参数三、二极管的直流参数三、二极管的直流参数三、二极管的直流参数1.
10、最大整流电流 IF：管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流；2.反向击穿电压 VBR(Breakdown Voltage)管子反向击穿时的电压值一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。23 2.4 2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法一、二极管正向伏安特性的模型一、二极管正向伏安特性的模型一、二极管正向伏安特性的模型一、二极管正向伏安特性的模型1.理想模型 (Ideal Model)24iD(b)+vD正偏时(forward bias)，管子导通正向压降为0；反偏时(reverse bias)，管子截止，电流为0；虚线为实际的伏安特性。vDOiD(a)图
11、211252.恒压降模型vD0iD(a)iD(b)图212+vD导通时，正向压降为0.7V(硅)否则，电流为0。要求iD1mA263.折线模型 vDOiD(a)iD(b)+vDVth图213Vth为二极管的死区电压(门坎电压)，硅约0.5V.rD的确定。当iD=1mA，管压降为0.7V。rDVthrD1mA0.7V+0.7=Vth+1rDrD =0.2KrD、Vth不是固定不变的。274.小信号模型 (SmallSignal Model)二极管的微变电阻rd的定义：二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化量与相应的电流变化量之比即图214vDOQVDvDiDIDiD28 求 rd：如 I=2mA时
12、，rd=1329 工作在线性区，信号为微变量，且为低频信号。若二极管(Diode)二极管可用微变电阻rd代替。+_iDvDrd图214(b)30二、模型分析法应用举例二、模型分析法应用举例二、模型分析法应用举例二、模型分析法应用举例模型分析法可分析二极管电路的静态工作情况，限幅电路(Clippers)、开关电路(switching circuits)，等等。例例21 设电路如图，R=10K。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值。(1)VDD=10V;(2)VDD=1V;(每种情况都用理想模型、恒压降模型、折线模型求解)31VDDvDiDR解：解：(1)VDD=10V 理想模型：D加正偏，导
13、通时正向压降为0。恒压降模型：导通时正向压降为0.7V。(锗约为0.2V)+_32 折线模型(Piecewise Linear Model)VDDrDiDRVth+_vD33(2)VDD=1V理想模型：恒压降模型：折线模型：当VDD较低时，折线模型得出的结果合理些。34例例22 用恒压降模型计算下图中流过二极管中的电流 ID。5V3K3KAIDB10V35解：解：把二极管以外的部分用一个电压源和一个电阻串联等效（运用戴维南定理）2.5VAIDB1.5K二极管正向导通其正向压降为0.7V。若用折线模型36例例23 一限幅电路如下图，R=1K，VREF=3V.设vi=6sintV。试绘出相应的输出
14、电压v0的波形。(用折线模型分析)解：解：折线模型为viv0Vth+_+_DrD0.2KRiDVREF0.5Vviv0VREF+_+_RD.37当vi的幅值大于VREF+Vth=3.5V时，管子导通。vo=VREF+Vth+rD iD=3.5+0.2 iD当vi的幅值为6V时，管子导通时vo的波形如蓝线所示。tvi3.53.92vivo6否则，管子截止。vo=vi。vo波形如红线所示38vI1R=4.7 kD2D1vI2Vcc+5V 输入输入 输出输出 0 0 0 0 5 0 5 0 0 5 5 5vOvI1vI2vO3.开关电路开关电路例例2.4.3 当当 和和 为为0 V 或或5V 时时,
15、求求 和和 的值不同组合情况下的值不同组合情况下,输出电压输出电压 的值的值.vI1vI2vI1vOvI239 2.5 2.5 特殊二极管特殊二极管 齐纳二极管(稳压二极管)(Zener Diode)1.1.特点：特点：特点：特点：掺杂浓度高（容易形成强电场）作稳压用，一般工作在反向击穿区402.2.伏安特性曲线伏安特性曲线伏安特性曲线伏安特性曲线:(IV Characteristics)正向特性和普通二极管同反向击穿区曲线越陡，即动态电阻 rZ 越小，稳压性能越好。图215V(V)I(mA)O413.3.符号符号符号符号 (symbol)(symbol)用2CW，2DW命名+_ak42+_+_VIVOIRIZIO(IL)RRLDZRLIOVOIRIZIRVO43RLIOIRVOVOIZIR+_+_VIVOIRIZIO(IL)RRLDZ44例例24设硅稳压管DZ1、DZ2的稳定电压分别为5V、10V，又已知DZ1、DZ2正向压降为0.7V，求V0解：解：(a)DZ1、DZ2工作在反向击穿区 V0=5+10=15V(b)DZ1、DZ2工作在正向导通区 V0=0.7+0.7=1.4VDZ1DZ2+25V1KV0(a)DZ1DZ2+25V1KV0(b)(恒压降模型)45