林春景《模拟电子线路》课件第1章

本课程的主要内容半导体基础知识二极管的工作原理、分析方法三极管的工作原理、分析方法场效应管的工作原理、分析方法基本放大器功率放大器负反馈放大器差分放大器集成运算放大器器件放大器本课程的学习方法建立新概念。确立新的分析方法。重点在于课堂听讲，再加预习、复习。注重实验环节，先理论分析，后实践，然后再对实验的结果进行分析。认真作业。绪论传感器压力1压力2温度1温度2......放大滤波叠加组合数模转换电路模数转换电路计算机数据处理......驱动电路......驱动电路驱动电路驱动电路传感器传感器传感器执行机构执行机构执行机构执行机构模拟电子技术数字信号处理模拟电子技术压力1压力2温度1温度2...压力1压力2温度1温度2...传感器...传感器传感器传感器...放大滤波叠加组合数模转换电路模数转换电路计算机数据处理...驱动电路...驱动电路驱动电路驱动电路...执行机构执行机构执行机构执行机构模拟电子技术数字信号处理模拟电子技术第1章半导体二极管半导体的基本知识半导体二极管的特性及参数半导体二极管模型特殊二极管二极管的应用自然界中的物质按其导电能力可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体，常用的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等其电阻率在之间:cm9310~101.1半导体基础知识1.1.1半导体及其特性半导体材料具有以下一些独特的导电特性：•1.杂敏性•在纯净的半导体材料中掺入某种微量的元素(如硼和磷等)后，其导电能力将猛增几万倍甚至百万倍。•2.光敏性•有的半导体材料在无光照时电阻率很高，而一旦受到光线照射后电阻率即显著下降。•3.热敏性•所谓热敏性是指半导体的电导率随温度升高(例如受热辐射)而显著增大的特性，即温度升高其导电能力大大加强。温度对半导体材料的导电性能影响很大。1.1.2本征半导体•本征半导体——完全纯净的、结构完整的半导体晶体•＋4(a)＋32(b)＋4＋14图1-1原子结构示意图(a)硅(b)锗图1-2本征半导体的共价键结构2.本征半导体中的两种载流子——电子和空穴载流子——可以自由移动的带电粒子。电导率——与材料单位体积中所含载流子数有关，载流子浓度越高，电导率越高。电子空穴对当T=0K和无外界激发时，导体中没有栽流子，不导电。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子——本证激发。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，这个空位为空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。本征激发动画1-1空穴返回1.1.3杂质半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+41.N型半导体（电子型半导体）在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑)多余电子，成为自由电子+5自由电子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。返回+5+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+32.P型半导体（空穴型半导体）在本征半导体中掺入三价的元素（硼）+3空穴空穴返回PN结的形成及特性1.1.4PN结PN结的单向导电性PN结的形成1.PN结的形成•空间电荷区(PN结)(jie)内电场P型区N型区P型区N型区图1-5载流子的扩散图1-6PN结的形成2.PN结的单向导电性•当外加电压的极性不同时，PN结表现出一个重要的特性——单向导电性。•(1)外加正向电压•(2)外加反向电压ERE空间电荷区P型区N型区P型区ERE空间电荷区N型区图1-7PN结外加正向电压图1-8PN结外加反向电压第一种接法叫正向偏置，其外加电压叫正向偏置电压，形成的电流叫做正向电流；第二种接法叫反向偏置，其外加电压叫反向偏置电压，形成的电流叫做反向电流。正向电流大，反向电流很小。而且当外加正向偏置电压稍微增加时，则正向电流便迅速上升；而当温度一定时，反向电流几乎不随外加反向偏置电压的变化而变化，所以又称反向饱和电流。反向饱和电流受温度的影响很大。但由于反向电流的值很小，与正向电流相比，一般可以忽略，所以PN结反向偏置时，呈现的电阻很大，处于截止状态。因此，PN结正偏时导通；PN结反偏时截止，这就是PN结的具有单向导电性。3.PN结的伏安特性(1)DTvVDSiIePN结的伏安特性是指PN结两端的外加电压与流过PN结的电流之间的关系曲线。根据理论分析,PN结的电压电流关系式为(1-1)DTvVDSiIe(1)正向特性(1-2)(2)反向特性DSiI(1-3)4.PN结的反向击穿•PN结的反向电流I与所加的反向电压无关。但当反向电压达到一定数值时，反向电流将会突然大幅度增加，这个现象被称为PN结的反向击穿。它分为雪崩击穿和齐纳击穿两种。(1)雪崩击穿•当PN结两端加的反向电压足够大时，内电场也随之增强，电子和空穴通过空间电荷区时，在内电场的作用下，获得的动能显著增加，运动速度大大加快。这些载流子在运动过程中，会与半导体的晶体原子发生碰撞，将一部分动能转移给共价键中的电子使价电子脱离共价键的束缚，变成自由电子，从而产生了电子空穴对。新产生的电子空穴对又会与原有的自由电子和空穴一样，被内电场加速，去撞击其他原子，再产生新的电子空穴对，这就是载流子的倍增效应，这种现象与雪山发生的雪崩类似，因此叫做雪崩击穿。(2)齐纳击穿•在一些杂质浓度较高的PN结中，杂质密度大，空间电荷区中的正负离子密度也大，空间电荷区很薄。这样，只要加上不大的反向电压，就可以使内电场达到足够的场强。这个内电场将会直接把价电子从共价键中拉出来，产生电子空穴对，从而形成较大的反向电流，基于这种现象产生的反向击穿称为齐纳击穿。对于硅PN结来说，反向电压7V以上的击穿一般是雪崩击穿，4V以下的反向击穿一般是齐纳击穿。在4V和7V之间时，两种击穿可能同时存在，发生雪崩击穿时，PN结的电压温度系数为正，即温度升高时，击穿电压也升高。发生齐纳击穿时，PN结的电压温度系数为负，即温度升高时，击穿电压降低。两种击穿同时存在时，电压温度系数接近于零。•应该指出，PN结的击穿破坏了PN结的单向导电性，一般应用时应当避免。但击穿并不意味着PN结损坏，只要击穿后流过PN结的电流不超过某一限度，PN结可保持完整无损且击穿现象可重复发生。PN结击穿后结电流急剧变化而其两端的电压却基本不变，利用这一特性可以做成稳压二极管，5.PN结的电容效应•PN结的电容效应直接影响半导体器件(二极管、三极管、场效应管等)的高频性能。下面介绍PN结的两种电容效应，即扩散电容和势垒电容。(1)势垒电容•PN结的势垒电容是用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而产生的电容效应。势垒区中不能移动的正、负离子都具有一定的电量，当外加反偏电压增加时，结电场增强，势垒区变宽，空间电荷量增加，相当于电容充电；反之，当外加反偏电压变小时，结电场减小，势垒区变窄，空间电荷量减少，相当于电容放电。这种充放电的过程与普通电容的充放电的过程类似，但普通电容的电容量一般是常量，不随外加电压的变化而改变。势垒电容是非线性电容，其大小与结面积、耗尽层宽度、半导体介电常数以及外加电压有关。BC(2)扩散电容•PN结正向偏置时，N区的多子自由电子扩散到P区，并不断与P区的空穴复合。于是，电子在P区形成了一定的浓度分布：靠近结边缘处浓度高，远离结的地方浓度低，这样，在P区有电子的积累；同理，P区的空穴向N区扩散，在N区内有空穴的积累。当正向电压增加时，扩散到P区的电子浓度和扩散到N区的空穴浓度均上升，积累的电荷量增加；当正向电压减小时，扩散到P区的电子浓度和扩散到N区的空穴浓度均下降，积累的电荷量减少。由外加电压的改变引起扩散区积累的电荷量的变化产生了电容效应，对应的电容称为扩散电容。其大小随外加电压而变化，也是一种非线性电容。DCPN结的结电容•在正向偏置时，势垒电容和扩散电容同时存在，但以扩散电容为主；在反向偏置时，则基本上等于势垒电容，结电容一般在几PF到几十PF，对低频电路可以忽略，对高频电路必须考虑它的存在。jBDCCC1.2半导体二极管的特性及参数•1.2.1半导体二极管的外形、结构及符号•1.点接触型二极管•2.面接触型二极管阳极引线N型锗片阴极引线金属触丝外壳阳极引线铝合金小球PN结N型硅金锑合金底座阴极引线阴极引线阳极引线P区N型硅片SiO2k阴极a阳极(a)(b)(c)(d)(a)点接触型(b)面接触型(c)平面型(d)电路符号图1-9半导体二极管的结构及符号•135241、普通二极管2、肖特基二极管3、开关二极管4、激光二极管5、发光二极管图1-10常见二极管外形1.2.2二极管的伏安特性•(a)硅二极管(b)锗二极管图1-11二极管的伏安特性曲线1.正向特性•二极管正向导通。硅管正向导通电压约为0.7V，锗管约为0.3V。•2.反向特性•二极管两端加上反向电压时，由少数载流子形成的反向电流很小，且几乎与反向电压的大小无关，其值称为反向饱和电流，如图1-11(b)中的第②段。这时二极管呈现很高的电阻，近似处于截止状态。硅管的反向电流比锗管的反向电流小得多。3.反向击穿特性•反向电压在一定范围内时，反向电流基本不随反向电压增加而增加，但当反向电压达到一定大小(这个电压称为反向击穿电压UBR)时，反向电流剧增，这叫做极管的反向击穿1.2.3二极管的主要参数•1.最大整流电流IF•在规定散热条件下，二极管长期使用时，允许通过二极管的最大正向平均电流。由PN结的面积和散热条件决定，如果电流超过这个值，很可能烧坏二极管。•2.最高反向工作电压URM•二极管工作时允许加的最大反向电压。为确保管子安全运行，通常规定URM约为击穿电压UBR的一半。3.最大反向电流IR•在规定的环境温度下，二极管加上最大反向工作电压时的反向电流。反向电流越小，管子的单向导电性能越好。反向电流IR是由少数载流子运动形成的，因此，它受温度的影响较大。•4.最高工作频率•是二极管工作的上限频率。它主要由PN结的结电容大小决定。信号频率超过此值时，二极管的单向导电性将变差。应该指出，由于制造工艺的限制，即使是同一型号的器件，其参数的离散性也很大，因此，手册上常常给出参数的范围。另一方面，器件手册上给出的参数是在一定测试条件下测得的，若条件改变，相应的参数值也会变化。MfMf1.2.4二极管的型号及选择•1.二极管的型号命名•表1-1型号组成部分的符号及其意义选用二极管的一般原则是：•(1)要求导通后正向压降小时应选择锗管；要求反向电流小时应选硅管。(2)要求工作电流大时选面接触型；要求工作频率高时选点接触型。(3)要求反向击穿电压高时选硅管。(4)要求耐高温时选硅管。1.3半导体二极管的模型•半导体二极管是一种非线性器件•1.理想二极管模型(a)伏安特性曲线(b)代表符号(c)正向偏置时的电路模型(d)反向偏置时的电路模型图1-13理想模型例1.1电路如图1-14所示。三只性能相同的二极管D1、D2、D3和三只220V，40W的灯泡L1、L2、L3互相连接后，接入220V的交流电压u后。试分析哪只(或哪些)灯泡发光最亮？哪只(或哪些)二极管承受的反向电压峰值最大？分析：二极管导通时，正向电压降很小，与之并联的灯泡几乎被短路，不会发光；二极管截止时，与承受反向电压峰值最大的二极管相并联的那些灯泡发光才最亮。解：当交流电压u为正半周时，D2正向偏置，D1与D3反向偏置，各承受约u/2的反向电压，峰值为110V。当u为负半周时，只有D2一只二极管反向偏置，要承受的反向电压峰值约为220V。故L2发光最亮，D2承受的反向电压峰值最大。图1-14例1.1电路2.恒压降模型3.折线模型(a)伏安特性曲线(b)电路模型(a)伏安特性曲线(b)电路模型图1-15恒压降模型图1-16折线模型4.二极管的小信号模型•(a)伏安特性曲线(b)符号图1-17二极管交流小信号模型1.4半导体二极管的应用