模拟电子技术2.docx

模拟电子技术2.docx

《模拟电子技术2.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术2.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

模拟电子技术2

第一章半导体二极管

§1．1半导体的基础知识

§1．2半导体二极管的特性及主要参数

§1．3二极管电路的分析方法

§1、1半导体的基础知识

一、教学内容及目标：

①掌握半导体的基本概念，导电原理

②了解PN结的导电原理

二、教学重点及难点：

PN结的导电原理

三、教学时数：

2

 我们这一节要了解的概念有：

本征半导体、P型半导体、N型半导体及它们各自的特征。

 在学习半导体之前我们还要了解一些物质导电性的基础知识：

物质为什麽会导电.

一:

本征半导体

  纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。

常用的半导体材料有：

硅和锗。

它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。

  共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。

  在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；

同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。

  因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。

二：

杂质半导体

 在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。

我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。

1.N型半导体

 在本征半导体中，掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。

但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。

 在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

2.P型半导体

 在本征半导体中，掺入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。

在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。

三、PN结

 我们通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，于是这两种半导体的交界处就形成了P—N结，它是构成其它半导体的基础，我们要掌握好它的特性！

1．PN结的形成

  在PN结中，由于两侧的电子和空穴的浓度相差很大，因此它们会产生扩散运动：

电子从N区向P区扩散；空穴从P区向N区扩散。

因为它们都是带电粒子，它们向另一侧扩散的同时在N区留下了带正电的杂质离子，在P区留下了带负电的杂质离子，这样就形成了由不能移动的杂质离子构成的空间电荷区，也就是形成了电场（自建场）.

它们的形成过程如图

（1），

（2）所示

 在电场的作用下，载流子将作漂移运动，它的运动方向与扩散运动的方向相反，阻止扩散运动。

电场的强弱与扩散的程度有关，扩散的越多，电场越强，同时对扩散运动的阻力也越大，当扩散运动与漂移运动相等时，通过界面的载流子为0。

此时，PN结的交界区就形成一个缺少载流子的高阻区，我们又把它称为阻挡层或耗尽层。

2．PN结的单向导电性

我们在PN结两端加不同方向的电压，可以破坏它原来的平衡，从而使它呈现出单向导电性。

1）.PN结外加正向电压

 PN结外加正向电压的接法是P区接电源的正极，N区接电源的负极。

这时外加电压形成电场的方向与内电场的方向相反，从而使阻挡层变窄，扩散作用大于漂移作用，多数载流子向对方区域扩散形成正向电流，方向是从P区指向N区。

如图

（1）所示

 这时的PN结处于导通状态，它所呈现的电阻为正向电阻，正向电压越大，电流也越大。

它的关系是指数关系：

其中：

ID为流过PN结的电流，U为PN结两端的电压，

UT=kT/q称为温度电压当量，其中，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电量，在室温下（300K）时UT=26mv，IS为反向饱和电流。

这个公式我们要掌握好！

2）.PN结外加反向电压

  它的接法与正向相反，即P区接电源的负极，N区接电源的正极。

此时的外加电压形成电场的方向与自建场的方向相同，从而使阻挡层变宽，漂移作用大于扩散作用，少数载流子在电场的作用下，形成漂

移电流，它的方向与正向电压的方向相反，所以又称为反向电流。

因反向电流是少数载流子形成，故反向电流很小，即使反向电压再增加，少数载流子也不会增加，反向电压也不会增加，因此它又被称为反向饱和电流。

即：

ID=-IS

此时，PN结处于截止状态，呈现的电阻为反向电阻，而且阻值很高。

  由以上我们可以看出：

PN结在正向电压作用下，处于导通状态，在反向电压的作用下，处于截止状态，因此PN结具有单向导电性。

 它的电流和电压的关系通式为：

它被称为伏安特性方程，如图（3）所示为伏安特性曲线。

3．PN结的击穿

  PN结处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。

 击穿形式分为两种：

雪崩击穿和齐纳击穿。

 对于硅材料的PN结来说，击穿电压〉7v时为雪崩击穿，<4v时为齐纳击穿。

在4v与7v之间，两种击穿都有。

这种现象破坏了PN结的单向导电性，我们在使用时要避免。

 击穿并不意味着PN结烧坏。

4．PN结的电容效应

  由于电压的变化将引起电荷的变化，从而出现电容效应，PN结内部有电荷的变化，因此它具有电容效应，它的电容效应有两种：

势垒电容和扩散电容。

势垒电容是由阻挡层内的空间电荷引起的。

扩散电容是PN结在正向电压的作用下，多数载流子在扩散过程中引起电荷的积累而产生的。

PN结正偏时，扩散电容起主要作用，PN结反偏时，势垒电容起主要作用。

§1、2半导体二极管的特性及主要参数

一、教学内容及目标：

掌握二极管的符号和特性参数

掌握二极管的伏安特性曲线

二、教学重点及难点：

二极管的伏安特性曲线

三、教学时数：

2

四、作业：

1.11.2

一、二极管的结构

半导体二极管是由PN结加上引线和管壳构成的。

它的类型很多。

按制造材料分：

硅二极管和锗二极管。

按管子的结构来分有：

点接触型二极管和面接触型二极管。

二极管的逻辑符号为：

二、二极管的特性

1．伏安特性

正向特性：

当正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值时，二极管才有明显的正向电流，这个电压被称为导通电压，我们又称它为门限电压或死区电压，一般用UON表示，在室温下，硅管的UON约为0.6----0.8V，锗管的UON约为0.1--0.3v，我们一般认为当正向电压大于UON时，二极管才导通。

否则截止。

反向特性：

二极管的反向电压一定时，反向电流很小，而且变化不大（反向饱和电流），但反向电压大于某一数值时，反向电流急剧变大，产生击穿。

二极管的伏安特性曲线：

2．温度特性

二极管对温度很敏感，在室温附近，温度每升高1度，正向压将减小2--2.5mV，温度每升高10度，反向电流约增加一倍。

3．击穿特性

当加于二极管两端的反向电压增大到一定值时，二极管的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，即反向击穿。

U（BR）称为反向击穿电压。

三.二极管的主要参数

我们描述器件特性的物理量，称为器件的特性。

二极管的特性有：

 最大整流电流IF它是二极管允许通过的最大正向平均电流。

 最大反向工作电压UR它是二极管允许的最大工作电压，我们一般取击穿电压的一般作UR

 反向电流IR 二极管未击穿时的电流，它越小，二极管的单向导电性越好。

 最高工作频率fM它的值取决于PN结结电容的大小，电容越大，频率约高。

 二极管的直流电阻RD 加在管子两端的直流电压与直流电流之比，我们就称为直流电阻，它可表示为：

RD=UF/IF它是非线性的，正反向阻值相差越大，二极管的性能越好。

 二极管的交流电阻rd在二极管工作点附近电压的微变化与相应的微变化电流值之比，就称为该点的交流电阻。

四、稳压二极管

  稳压二极管是利用二极管的击穿特性。

它是因为二极管工作在反向击穿区，反向电流变化很大的情况下，反向电压变化则很小，从而表现出很好的稳压特性。

§1、3二极管电路的分析方法

一、教学内容及目标：

①掌握二极管的几种等效电路。

②学会二极管电路的分析方法。

（直流和交流分析）

二、教学重点及难点：

二极管电路的小信号分析方法

三、教学时数：

2

四、作业：

1.41.61.91.10

  一、理想二极管及二极管特性的折线近似

1．理想二极管

2.二极管特性的折线近似

二、图解分析法和微变等效电路法

直流分析：

图解法iD=f（uD）与外部特性方程曲线的交点

其步骤为：

①把电路分为线性和非线性两部分；②在同一坐标上分别画出非线性部分的伏安特性和线性部分的特性曲线；③由两条特性曲线的交点求电路的Ｖ和Ｉ。

估算法

交流分析：

图解法

微变等效电路法

交流小信号模型--若电路中除有直流电源外，还有交流小信号，则对电路进行交流分析时，二极管可等效

     为交流电阻rd=26mV/IDQ   （IDQ为静态电流）

1.限幅电路

  当输入信号电压在一定范围内变化时，输出电压也随着输入电压相应的变化；当输入电压高于某一个数值时，输出电压保持不变，这就是限幅电路。

我们把开始不变的电压称为限幅电平。

它分为上限幅和下限幅。

例1.试分析图

（1）所示的限幅电路,输入电压的波形为图

（2）,画出它的限幅电路的波形

（1）E=0时限幅电平为0v。

ui>0时二极管导通，uo=0，ui<0时，二极管截止，uo=ui，它的波形图为：

如图（3）所示

（2）当0

ui<+E时，二极管截止，uo=ui；ui>+E时,二极管导通,uo=E,它的波

形图为:

如图（4）所示

（3）当-UM

如图（5）所示

二：

二极管门电路

 二极管组成的门电路，可实现逻辑运算。

如图（6）所示的电路，只要有一条电路输入为低电平时，输出即为低电平，仅当全部输入为高电平时，输出才为高电平。

实现逻辑"与"运算.

例1．求图所示电路的静态工作点电压和电流。

解：

（1）图解分析法

　　首先把电路分为线性和非线性两部分，然后分别列出它们的端特性方程。

在线性部分，其端特性方程为

　　　　　　　　　　　　Ｖ＝Ｖ1－ＩＲ

将相应的负载线画在二极管的伏安特性曲线上，如图所示，其交点便是所求的（ＩQ，ＶQ）。

（2）模型分析法

　　①理想二极管模型

　　Ｖ＝0，Ｉ＝Ｖ1／Ｒ

　　②恒压降模型

　　设为硅管，Ｖ＝0.7V，Ｉ＝（Ｖ1－Ｖ）／Ｒ

例2．如何用万用表的“欧姆”档来判别一只二极管的正、负极？

　　分析：

指针型万用表的黑笔内接直流电源的正端，而红笔接负端。

利用二极管的单向导电性，其正向导通电阻一般在几百欧～几千欧，而反向偏置电阻一般在几百千欧以上。

　　测量时，利用万用表的“R×100”和“R×1K”档，若两个数值比值在100以上，认为二极管正常，否则认为二极管的单向导电性已损坏。

例3．图所示电路中，设Ｄ为理想二极管，试画出其传输特性曲线（Ｖo～Ｖi）。

　　解：

（1）ｖi<0，二极管Ｄ1、Ｄ2均截止，ｖo=2.5V。

（2）ｖi>0

　　当0<ｖi<2.5V时，二极管Ｄ1、Ｄ2均截止，ｖo=2.5V；

　　当ｖi>2.5V时，Ｄ1导通，假设此时Ｄ2尚未导通，则ｖo=（2/3）．（vi-2.5）+2.5V；

令ｖo=10V，则ｖi=13.75V，可见当ｖi>13.25V时，Ｄ1、Ｄ2均导通，此时ｖo=10V。

传输特性曲线略。

例4．试判断图中二极管是导通还是截止？

并求出AO两端电压ＶA0。

设二极管为理想的。

解：

分析方法：

（1）将D1、D2从电路中断开，分别出D1、D2两端的电压；

（2）根据二极管的单向导电性，二极管承受正向电压则导通，反之则截止。

若两管都承受正向电压，则正向电压大的管子优先导通，然后再按以上方法分析其它管子的工作情况。

本题中：

Ｖ12=12V，Ｖ34=12+4=16V，所以D2优先导通，此时，Ｖ12=-4V，所以D1管子截止。

ＶA0=-4V。

例5．两个稳压管的稳压值ＶZ1=5V，ＶZ2=7V，它们的正向导通压降均为0.6V，电路在以下二种接法时，输出电压Ｖo为多少？

若电路输入为正弦信号ＶI=20sinωt（V），画出图（a）输出电压的波形。

解：

图（a）中D1、D2都承受反向偏压，所以输出电压Ｖo=ＶZ1+ＶZ2=5V+7V=12V

若输入正弦信号ＶI=20sinωt（V）：

　　在输入信号正半周，若ＶI<12V稳压管处于反向截止状态，Ｖo=ＶI；若ＶI≥12V稳压管处于反向击穿状态，Ｖo=12V。

　　在输入信号负半周，若ＶI>-1.2V稳压管处于截止状态，Ｖo=ＶI；若ＶI≤-1.2V稳压管处于正向导通状态，Ｖo=-1.2V。

　　图（b）中D1承受正向电压、D2承受反向偏压，所以输出电压Ｖo=0.6V+7V=12.6V。