模电康华光第六版03.pptx

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1、1华中科技大学 张林电子技术电子技术基础模拟部分基础模拟部分1 1 绪论绪论2 2 运算放大器运算放大器3 3 二极管及其基本电路二极管及其基本电路4 4 场效应三极管及其放大电路场效应三极管及其放大电路5 5 双极结型三极管及其放大电路双极结型三极管及其放大电路6 6 频率响应频率响应7 7 模拟集成电路模拟集成电路8 8 反馈放大电路反馈放大电路9 9 功率放大电路功率放大电路10 10 信号处理与信号产生电路信号处理与信号产生电路11 11 直流稳压电源直流稳压电源第1页/共54页3 二极管及其基本电路3.1 半导体的基本知识3.2 PN结的形成及特性3.3 二极管3.4 二极管的基本电

2、路及其分析方法3.5 特殊二极管第2页/共54页3.1 半导体的基本知识半导体材料半导体的共价键结构本征半导体杂质半导体第3页/共54页4华中科技大学 张林半导体材料半导体材料 根据物体根据物体导电能力能力(电阻率阻率)的不同，来划分的不同，来划分导体、体、绝缘体和半体和半导体。体。典型的半典型的半导体有体有硅硅Si和和锗Ge以及以及砷化砷化镓GaAs等。等。第4页/共54页5华中科技大学 张林半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和硅和锗的原子的原子结构构简化模型及晶体化模型及晶体结构构第5页/共54页6华中科技大学 张林本征半导体本征半导体本本征征半半导体体化化学学成成分分纯净的的半半导体

3、体。它它在在物物理理结构构上上呈呈单晶体形晶体形态。空穴空穴共价共价键中的空位中的空位。电子空穴子空穴对由由热激激发而而产生的自由生的自由电子和空穴子和空穴对。空穴的移空穴的移动空穴的运空穴的运动是靠相是靠相邻共价共价键中的价中的价电子子依次充填空穴来依次充填空穴来实现的。的。由于随机由于随机热振振动致使共价致使共价键被打破而被打破而产生空穴生空穴电子子对第6页/共54页7华中科技大学 张林杂质半导体杂质半导体 在本征半在本征半导体中体中掺入某些微量元素作入某些微量元素作为杂质，可使半可使半导体的体的导电性性发生生显著著变化。化。掺入的入的杂质主要是三价或五价元素。主要是三价或五价元素。掺入入

4、杂质的本征半的本征半导体体称称为杂质半半导体体。N型半型半导体体掺入五价入五价杂质元素（如磷）的元素（如磷）的半半导体。体。P型半型半导体体掺入三价入三价杂质元素（如硼）的半元素（如硼）的半导体。体。第7页/共54页8华中科技大学 张林杂质半导体杂质半导体 1.N型半型半导体体 因五价因五价杂质原子中只原子中只有四个价有四个价电子能与周子能与周围四四个半个半导体原子中的价体原子中的价电子子形成共价形成共价键，而多余的一，而多余的一个价个价电子因无共价子因无共价键束束缚而很容易形成自由而很容易形成自由电子。子。在在N型半型半导体中体中自由自由电子是多数子是多数载流子，流子，它主要由它主要由杂质原

5、子原子提供；提供；空穴是少数空穴是少数载流子流子,由由热激激发形成。形成。提供自由提供自由电子的五价子的五价杂质原子因原子因带正正电荷而成荷而成为正离子正离子，因，因此五价此五价杂质原子也称原子也称为施主施主杂质。第8页/共54页9华中科技大学 张林杂质半导体杂质半导体 2.P型半型半导体体 因三价因三价杂质原子在原子在与硅原子形成共价与硅原子形成共价键时，缺少一个价，缺少一个价电子子而在共价而在共价键中留下一中留下一个空穴。个空穴。在在P型半型半导体中体中空穴是多数空穴是多数载流子，流子，它主要由它主要由掺杂形成；形成；自自由由电子是少数子是少数载流子，流子，由由热激激发形成。形成。空穴很容

6、易俘空穴很容易俘获电子，使子，使杂质原子成原子成为负离子离子。三价。三价杂质因而也称因而也称为受主受主杂质。第9页/共54页10华中科技大学 张林杂质半导体杂质半导体 3.杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入入杂质对本征半本征半导体的体的导电性有很大的影响，性有很大的影响，一些典型的数据如下一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的本征硅的电子和空穴子和空穴浓度度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子本征硅的原子浓度度:4.961022/cm3 3以上三个以上三个浓度基本上依次相差度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后后 N 型半型半导体中的自由体中

7、的自由电子子浓度度:n=51016/cm3第10页/共54页3.2 PN结的形成及特性载流子的漂移与扩散结的形成结的单向导电性结的反向击穿结的电容效应第11页/共54页12华中科技大学 张林载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散漂移运漂移运动：在在电场作用引起的作用引起的载流子的运流子的运动扩散运散运动：由由载流子流子浓度差引起的度差引起的载流子的运流子的运动第12页/共54页13华中科技大学 张林结的形成结的形成第13页/共54页14华中科技大学 张林结的形成结的形成第14页/共54页15华中科技大学 张林 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形分

8、别形成成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半导体和型半导体和P P型半型半导体的结合面上形成如下物理过程导体的结合面上形成如下物理过程:因因浓度差度差 空空间电荷区形成内荷区形成内电场 内内电场促使少子漂移促使少子漂移 内内电场阻止多子阻止多子扩散散最后最后,多子的多子的扩散散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡平衡。多子的多子的扩散运散运动由由杂质离子形成空离子形成空间电荷区荷区 第15页/共54页16华中科技大学 张林结的单向导电性结的单向导电性 当外加当外加电压使使PN结中中P区的区的电位高于位高于N区的区的电位，称位，称为加加正向正向电压，

9、简称称正偏正偏；反之称；反之称为加加反向反向电压，简称称反偏反偏。(1)PN结加正向加正向电压时 低低电阻阻 大的正向大的正向扩散散电流流PNPN结的结的I-V I-V 特性特性第16页/共54页17华中科技大学 张林结的单向导电性结的单向导电性 高高电阻阻 很小的反向漂移很小的反向漂移电流流 当外加当外加电压使使PN结中中P区的区的电位高于位高于N区的区的电位，称位，称为加加正向正向电压，简称称正偏正偏；反之称；反之称为加加反向反向电压，简称称反偏反偏。(2)PN结加反向加反向电压时PNPN结的结的I-V I-V 特性特性第17页/共54页18华中科技大学 张林结的单向导电性结的单向导电性P

10、NPN结的结的I-V I-V 特性特性 在一定的温度条件下，由本征激在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子决定的少子浓度是一定的，故少度是一定的，故少子形成的漂移子形成的漂移电流是恒定的，基本流是恒定的，基本上与所加反向上与所加反向电压的大小无关，的大小无关，这个个电流也称流也称为反向反向饱和和电流流。高高电阻阻 很小的反向漂移很小的反向漂移电流流 当外加当外加电压使使PN结中中P区的区的电位高于位高于N区的区的电位，称位，称为加加正向正向电压，简称称正偏正偏；反之称；反之称为加加反向反向电压，简称称反偏反偏。(2)PN结加反向加反向电压时第18页/共54页19华中科技大学 张林结的单向导电

11、性结的单向导电性 PN结加正向加正向电压时，呈，呈现低低电阻，阻，具有具有较大的正向大的正向扩散散电流；流；PN结加反向加反向电压时，呈，呈现高高电阻，阻，具有很小的反向漂移具有很小的反向漂移电流。流。由此可以得出由此可以得出结论：PN结具有具有单向向导电性。性。第19页/共54页20华中科技大学 张林结的单向导电性结的单向导电性(3)PN结I-V 特性表达式特性表达式其中其中IS 反向反向饱和和电流流VT 温度的温度的电压当量当量且在常温下且在常温下（T=300K）PN结的的I-V 特性特性第20页/共54页21华中科技大学 张林结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向的反向电压增增加到一

12、定数加到一定数值时，反向，反向电流突然快速增加，此流突然快速增加，此现象称象称为PN结的的反向反向击穿。穿。热击穿穿不可逆不可逆 雪崩雪崩击穿穿 齐纳击穿穿 电击穿电击穿可逆可逆第21页/共54页22华中科技大学 张林结的电容效应结的电容效应(1)势垒电容容CB外加外加电压变化化离子层厚薄变化离子层厚薄变化等效于电容充放电等效于电容充放电第22页/共54页23华中科技大学 张林结的电容效应结的电容效应(2)扩散散电容容CD扩散散电容示意容示意图外加外加电压变化化扩散到对方区域扩散到对方区域在靠近在靠近PNPN结附近结附近累积的载流子浓累积的载流子浓度发生变化度发生变化等效于电容充放电等效于电容

13、充放电第23页/共54页3.3 半导体二极管二极管的结构二极管的I-V特性二极管的参数第24页/共54页25华中科技大学 张林二极管的结构二极管的结构第25页/共54页26华中科技大学 张林二极管的结构二极管的结构 在在PN结上加上引上加上引线和封装，就成和封装，就成为一个二极管。一个二极管。二极管按二极管按结构分有构分有点接触型、面接触型点接触型、面接触型两大两大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN结面面积小，小，结电容小，用于容小，用于检波和波和变频等高等高频电路。路。第26页/共54页27华中科技大学 张林二极管的

14、结构二极管的结构(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面面积大，用于大，用于工工频大大电流整流流整流电路。路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)集成电路中的平面型集成电路中的平面型(3)二极管的代表符号二极管的代表符号第27页/共54页28华中科技大学 张林二极管的二极管的I-V特性特性二极管的伏安特性曲二极管的伏安特性曲线可用下式表示可用下式表示硅二极管硅二极管2CP102CP10的的I I-V V 特性特性锗二极管锗二极管2AP152AP15的的I I-V V 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性第28页/共54页29华中科技大学 张林二极管的主要参数

15、二极管的主要参数(1)最大整流最大整流电流流IF(2)反向反向击穿穿电压VBR(3)反向反向电流流IR(4)极极间电容容Cd（CB、CD）(5)反向恢复反向恢复时间TRR第29页/共54页3.4 二极管的基本电路及其分析方法简单二极管电路的图解分析方法二极管电路的简化模型分析方法第30页/共54页31华中科技大学 张林简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非二极管是一种非线性器件，因而其性器件，因而其电路一般要采用非路一般要采用非线性性电路的分析方法，相路的分析方法，相对来来说比比较复复杂，而，而图解分析法解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的，但前提条件是

16、已知二极管的V-I 特性曲特性曲线。符号中大小写的含符号中大小写的含义：大写字母大写下大写字母大写下标：静：静态值（直流），如，（直流），如，IB（参（参见“本本书常用符号表常用符号表”）小写字母大写下小写字母大写下标：总量（直流量（直流+交流），如，交流），如，iB小写字母小写下小写字母小写下标：瞬：瞬时值（交流），如，（交流），如，ib第31页/共54页32华中科技大学 张林例电路如图所示，已知二极管的例电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电阻和电阻R，求，求二极管两端电压二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD。解：由电路的解：由电路的K

17、VLKVL方程，可得方程，可得 即即 是一条斜率为是一条斜率为-1/R的直线，称为的直线，称为负载线负载线 Q的坐的坐标值（VD，ID）即）即为所求。所求。Q点称点称为电路的路的工作点工作点第32页/共54页33华中科技大学 张林二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.二极管二极管I-V 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特性的等效模型。管特性的等效模型。（1）理想模型）理想模型 I-V 特性特性代表符号代表符号正向偏置正向偏置时的的电路模型路模型反向偏置反向偏置时的的电路模型路模型第33页/共54页34华中科技大学 张林

18、二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.二极管二极管I-V 特性的建模特性的建模（2 2）恒压降模型）恒压降模型（a）I-V 特性特性 （b）电路模型）电路模型（3 3）折线模型）折线模型（a）I-V 特性特性 （b）电路模型）电路模型 第34页/共54页35华中科技大学 张林二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法（4）小信号模型）小信号模型vs=Vmsin t 时（VmVT。（a）I-V 特性特性 （b）电路模型路模型1.二极管二极管I-V 特性的建模特性的建模（4）小信号模型）小信号模型第37页/共54页38华中科技大学 张林二极管电路的简化模型分析方

19、法二极管电路的简化模型分析方法2模型分析法模型分析法应用用举例例（1）整流）整流电路（理想模型）路（理想模型）当当vs为正半周正半周时，二极管，二极管导通，通，且且导通通压降降为0V，vo=vs第38页/共54页39华中科技大学 张林2模型分析法模型分析法应用用举例例（2）静）静态工作情况分析工作情况分析理想模型理想模型（R=10k）当当VDD=10V 时，恒恒压模型模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折折线模型模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）设设当当VDD=1V 时，（自学）（自学）（a）简单二极管二极管电路路 （b）习惯画法画法 第39页/共54页40华中科技大学 张林（3）限

20、幅与）限幅与钳位位电路路 电路如路如图，R=1k，VREF=3V，二极管，二极管为硅二极管。分硅二极管。分别用理想模型用理想模型和恒和恒压降模型求解，当降模型求解，当vI=6sin t V时，绘出相出相应的的输出出电压vO的波形。的波形。2模型分析法模型分析法应用用举例例第40页/共54页41华中科技大学 张林 电路如路如图，二极管，二极管为硅二极管，硅二极管，VD=0.7V，vs=Vm sin t V，且，且Vm VD ，绘出相出相应的的输出出电压vO的波形。的波形。vs的的负半周，半周，D导通，通，C充充电，但无，但无放放电回路，最后（回路，最后（稳态）VC=Vm-VD=Vm 0.7V （

21、Vm是振幅是振幅值）此后此后输出出电压为vO=vs+VC=vs+Vm-0.7V 将将输入波形的底部入波形的底部钳位在了位在了-0.7V的直流的直流电平上。平上。若若颠倒二极管的方向，倒二极管的方向，vO的波形将怎的波形将怎样变化？化？（3）限幅与）限幅与钳位位电路路2模型分析法模型分析法应用用举例例第41页/共54页42华中科技大学 张林（4）开关）开关电路路电路如路如图所示，求所示，求AO的的电压值解：解：先断开先断开D，以，以O为基准基准电位，位，即即O点点为0V。则接接D阳极的阳极的电位位为-6V，接阴，接阴极的极的电位位为-12V。阳极阳极电位高于阴极位高于阴极电位，位，D接入接入时正

22、向正向导通。通。导通后，通后，D的的压降等于零，即降等于零，即A点的点的电位就是位就是D阳极的阳极的电位。位。所以，所以，AO的的电压值为-6V。2模型分析法模型分析法应用用举例例第42页/共54页43华中科技大学 张林（6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析图示示电路中，路中，VDD=5V，R=5k，恒，恒压降模型的降模型的VD=0.7V，vs=0.1sin t V。（。（1）求）求输出出电压vO的交流量和的交流量和总量；（量；（2）绘出出vO的波形。的波形。解得：解得：vO=VO+vo=4.3+0.0994sin t（V）直流通路（静态）直流通路（静态）小信号模型的交流通路小信号模型的

23、交流通路（动态）（动态）直流通路、交流通路、静直流通路、交流通路、静态、动态等等概念，在放大概念，在放大电路的分析中非常重要。路的分析中非常重要。解：解：2模型分析法模型分析法应用用举例例第43页/共54页3.5 特殊二极管齐纳二极管变容二极管肖特基二极管光电器件第44页/共54页45华中科技大学 张林齐纳二极管齐纳二极管1.符号及符号及稳压特性特性 利用二极管反向利用二极管反向击穿特性穿特性实现稳压。稳压二极管二极管稳压时工工作在反向作在反向电击穿状穿状态。(a)(a)符号符号(b)(b)伏安特性伏安特性（c c）反向击穿时的模型）反向击穿时的模型 第45页/共54页46华中科技大学 张林齐

24、纳二极管齐纳二极管(1)稳定定电压VZ(2)动态电阻阻rZ 在在规定的定的稳压管反向工作管反向工作电流流IZ下，所下，所对应的反向工作的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最大最大稳定工作定工作电流流 IZ(max)和最小和最小稳定工作定工作电流流 IZ(min)(5)稳定定电压温度系数温度系数 VZ2.齐纳二极管主要参数二极管主要参数第46页/共54页47华中科技大学 张林齐纳二极管齐纳二极管3.稳压电路路正常正常稳压时 VO=VZ#稳压条件是什么？条件是什么？IZ(min)IZ IZ(max)#不加不加R可以可以吗？第47页/共54页48华中科技大学

25、张林变容二极管变容二极管（a）符号）符号 （b）结电容与容与电压的关系（的关系（纵坐坐标为对数刻度）数刻度）第48页/共54页49华中科技大学 张林肖特基二极管肖特基二极管（a）符号）符号 （b）正向）正向V-I特性特性第49页/共54页50华中科技大学 张林光电器件光电器件1.光光电二极管二极管（a）符号）符号 （b）电路模型路模型 （c）特性曲）特性曲线 第50页/共54页51华中科技大学 张林光电器件光电器件2.发发光二极管光二极管符号符号光电传输系统光电传输系统 第51页/共54页52华中科技大学 张林光电器件光电器件3.激光二极管激光二极管（a）物理）物理结构构 （b）符号）符号 第52页/共54页53华中科技大学 张林光电器件光电器件4.太阳能太阳能电池池end第53页/共54页感谢您的观看。第54页/共54页