电子技术基础模拟部分(第六版)康华光ch03

《电子技术基础》模拟部分（第六版）华中科技大学张林2华中科技大学张林电子技术基础模拟部分1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源华中科技大学张林33二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.2PN结的形成及特性3.3二极管3.4二极管的基本电路及其分析方法3.5特殊二极管华中科技大学张林43.1半导体的基本知识3.1.1半导体材料3.1.2半导体的共价键结构3.1.3本征半导体3.1.4杂质半导体5华中科技大学张林3.1.1半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。6华中科技大学张林3.1.2半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构7华中科技大学张林3.1.3本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴－电子对8华中科技大学张林3.1.4杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。9华中科技大学张林3.1.4杂质半导体1.N型半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。10华中科技大学张林3.1.4杂质半导体+4+4+4+4+4+4+4+3+4邻近的电子落入受主的空位，留下可移动的空穴受主获得一个电子而形成一个负离子受主原子可移动的空穴2.P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。11华中科技大学张林3.1.4杂质半导体3.杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm33以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3华中科技大学张林123.2PN结的形成及特性3.2.1载流子的漂移与扩散3.2.2PN结的形成3.2.3PN结的单向导电性3.2.4PN结的反向击穿3.2.5PN结的电容效应13华中科技大学张林3.2.1载流子的漂移与扩散漂移运动：在电场作用引起的载流子的运动扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动14华中科技大学张林3.2.2PN结的形成P型N型15华中科技大学张林3.2.2PN结的形成空间电荷区P型区N型区内电场E16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,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区17华中科技大学张林3.2.3PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时•低电阻•大的正向扩散电流PN结的I-V特性iD/mA1.00.5-0.5-1.00.51.0vD/V正向偏置特性18华中科技大学张林3.2.3PN结的单向导电性•高电阻•很小的反向漂移电流当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向电压时PN结的I-V特性iD/mA1.00.5-0.5-1.00.51.0vD/V正向偏置特性iD=-IS反向偏置特性19华中科技大学张林3.2.3PN结的单向导电性PN结的I-V特性iD/mA1.00.5-0.5-1.00.51.0vD/V正向偏置特性iD=-IS反向偏置特性在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。•高电阻•很小的反向漂移电流当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向电压时20华中科技大学张林3.2.3PN结的单向导电性PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。21华中科技大学张林3.2.3PN结的单向导电性(3)PN结I-V特性表达式其中)1e(/SDDTVvIiIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTVTmV26iD/mA1.00.5iD=-IS-0.5-1.00.51.0vD/V正向偏置特性反向偏置特性PN结的I-V特性22华中科技大学张林3.2.4PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆iDOVBRvD23华中科技大学张林3.2.5PN结的电容效应(1)势垒电容CBPN(a)电压减小时VDPN(b)电压增加时VD外加电压变化离子层厚薄变化等效于电容充放电24华中科技大学张林3.2.5PN结的电容效应PNVDpNnPx(2)扩散电容CD扩散电容示意图外加电压变化扩散到对方区域在靠近PN结附近累积的载流子浓度发生变化等效于电容充放电华中科技大学张林253.3半导体二极管3.3.1二极管的结构3.3.2二极管的I-V特性3.3.3二极管的参数26华中科技大学张林3.3.1二极管的结构27华中科技大学张林3.3.1二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1)点接触型二极管(a)点接触型二极管的结构示意图PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。28华中科技大学张林3.3.1二极管的结构(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)集成电路中的平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底(3)二极管的代表符号k阴极阳极a29华中科技大学张林3.3.2二极管的I-V特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1e(/SDDTVvIi0vD/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的I-V特性0vD/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的I-V特性+iDvD-R正向特性反向特性反向击穿特性30华中科技大学张林3.3.3二极管的主要参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR(3)反向电流IR(4)极间电容Cd（CB、CD）(5)反向恢复时间TRR华中科技大学张林313.4二极管的基本电路及其分析方法3.4.1简单二极管电路的图解分析方法3.4.2二极管电路的简化模型分析方法32华中科技大学张林3.4.1简单二极管电路的图解分析方法二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线。符号中大小写的含义：大写字母大写下标：静态值（直流），如，IB（参见“本书常用符号表”）小写字母大写下标：总量（直流+交流），如，iB小写字母小写下标：瞬时值（交流），如，ib33华中科技大学张林例3.4.1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。+iDvD-RVDDD解：由电路的KVL方程，可得RViDDDDvDDDD11VRRiv即是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点R134华中科技大学张林3.4.2二极管电路的简化模型分析方法OvD+vDiD(a)(d)iD+vDiD(b)+vDiD=0(c)（iD0，vD=0）（vD0，iD=0）1.二极管I-V特性的建模将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。)1e(DSDTVIiv（1）理想模型I-V特性代表符号正向偏置时的电路模型反向偏置时的电路模型35华中科技大学张林3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管I-V特性的建模（2）恒压降模型（a）I-V特性（b）电路模型OvD+vDiD(a)(b)iD（3）折线模型（a）I-V特性（b）电路模型OvD+vDiD(a)(b)iDVthrDVth36华中科技大学张林3.4.2二极管电路的简化模型分析方法（4）小信号模型vs=Vmsint时（VmVDD）+iDvD-RVDDD)(sDDDD11vvVRRiQ点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。将Q点附近小范围内的V-I特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。1.二极管I-V特性的建模+vs-37华中科技大学张林3.4.2二极管电路的简化模型分析方法OvD(a)iD+iD(b)vDiDQvDrd过Q点的切线可以等效成一个微变电阻DDdirv即)1e(/SDDTVIiv根据得Q点处的微变电导QvigDDdddQVvTTVI/DeSTVIDdd1gr则DIVT常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrTQTViDTVI/SDev1.二极管I-V特性的建模（4）小信号模型38华中科技大学张林3.4.2二极管电路的简化模型分析方法OvD(a)iD+iD(b)vDiDQvDrd特别注意：小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vDVT。（a）I-V特性（b）电路模型1.二极管I-V特性的建模（4）小信号模型39华中科技大学张林Otvs234Otvo2343.4.2二极管电路的简化模型分析方法+vo-R+vs-D（a）2．模型分析法应用举例（1）整流电路（理想模型）当vs为正半周时，二极管导通，且导通压降为0V，vo=vs40华中科技大学张林2．模型分析法应用举例（2）静态工作情况分析V0DVmA1/DDDRVI理想模型（R=10k）当VDD=10V时，mA93.0/)(DDDDRVVI恒压模型V7.0DV（硅二极管典型值）折线模型V5.0thV（硅二极管典型值）mA931.0DthDDDrRVVIk2.0Dr设V69.0DDthDrIVV+DiDVDD+DiDVDDVD+DiDVDDrDVth当VDD=1V时，（自学）（a）简单二极管电路（b）习惯画法41华中科技大学张林0tvI234vO/V3.70tvI234vO/V3vO+DVREFvI+RVDvO+DVREFvI+RvO+DVREFvI+R（3）限幅与钳位电路电路如图，R=1kΩ，VREF=