模拟电路课件第一篇第1章1

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1、集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC第一篇第一篇 电子器件与电子电路基础电子器件与电子电路基础集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC第一篇第一篇 电子器件与电子电路基础电子器件与电子电路基础第一章第一章 半导体二极管及其电路分析半导体二极管及其电路分析集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC半导体工业半导体工业半导体材料半导体工艺半导体技术1999年世界芯片销售额为1500亿美元单个半导体器件大规模集成电路芯片：半导体材料核心：PN结集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCPN结的机理和特性（附录结的机理和特性（附录A.1）半导体材料v硅(Si

2、)v锗(Ge)v砷化锗(GaAs)半导体的导电特性v导电能力:介于导体和绝缘体之间v电阻率:10-3-10-9 Ohm.cm集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC本征半导体v原子结构集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCv晶体结构共价键热激发与复合空穴与电子空穴和电子浓度温度特性32/2/3)()(cmeATTpTnkTEiiG仅占三万亿分之一，GESI每升10度，浓度增一倍集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC杂质半导体vN（NEGATIVE）型半导体掺5价元素（磷、砷等）多子（施主原子）：电子少（数载流子）子：空穴集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCvP（

3、POSITIVE）型半导体掺3价元素（硼、镓等）多子（受主原子）：空穴少（数载流子）子：电子集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC杂质半导体的电子空穴浓度22.iiiinpnpnp结论：两种载流子的浓度之积为常数，与掺杂程度无关。集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC载流子的运动v扩散运动截流子浓度不平衡产生v漂移运动外电场作用引起 v电子迁移率 空穴迁移率（自由运动）（束缚运动）集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCPN结（结（PN Junction）v半导体基片一边掺5价元素，一边掺3价元素集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCPN结的载流子运动v多子扩散产

4、生内建电场v内建电场作用：阻止多子进一步扩散促进P区和N区的少子漂移 v扩散与漂移达到动态平衡 v名词：空间电荷层（正负离子）阻挡层（多子）耗尽层（载流子）PN结（两种材料）势垒区（势能）集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC不对称不对称P+N结结 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCPN结的导电特性的导电特性 v正偏（Forward-Biased）外建电场削弱内电场，空间电荷区变薄多子扩散增强少子漂移作用可忽略低阻 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCv反偏（Reverse-Biased）外建电场与内电场一致，空间电荷区变厚多子扩散电流大大减少少子漂移占优呈高阻少

5、子浓度极低，反向饱和电流很小导电特性与温度密切集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCPN结的伏安特性v正向特性 常温下：T=300K，VT=26mv 正向电流增加十倍，电压才增60mvqkTVeIITVVST/),1(/)(/lg(60)/ln(,/mvIIIIVVeIISSTVVST集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCv反向特性v温度对伏安特性的影响温度每升10度，IS增一倍温度过高（SI=150200度）：本征激发的少子浓度或能超过杂质原子提供的多子浓度，此时杂质半导体与本征半导体类似，PN结不再存在，失去单向导电性 正偏时：CmVTV/5.2/PN结的单向导电性能mvV

6、WhenIIS100,集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCPN结击穿特性（反偏）结击穿特性（反偏）v反向击穿反偏电压超过反向击穿电压VBR反向电流将急剧增大反向电压值VZ却增加很少反向电流的增加不加以限制，PN结将迅速烧坏雪崩击穿（Avalanche Breakdown）齐纳击穿（Zener Breakdown）集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC雪崩击穿（Avalanche Breakdown）v内建电场足够强 v漂移运动的载流子（少子）加速 v少子与中性原子碰撞，使价电子激发产生新的电子空穴对，形成连锁反应，造成载流子的剧增，使反向电流“滚雪球”般地骤增 集成电子技术基

7、础教程集成电子技术基础教程LDC齐纳击穿（Zener Breakdown）v半导体掺杂浓度高，PN结空间电荷层很薄 v低反压(如在4V以下)，空间电荷区就可能获得2106V/cm以上的场强，将价电子直接从共价键中拉出来。获得很多的电子空穴对，得反向电流剧增 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC击穿反压的温度特性v雪崩击穿：温度系数为正vSI材料：反向击穿电压在7V以上的属雪崩击穿；在4V以下的为齐纳击穿；47V之间，两种击穿可同时存在 v齐纳击穿：温度系数为负v当两种击穿均存在：其电压温度系数将接近于零 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCPN结的电容效应结的电容效应 v

8、势垒电容CB（Barrier Potential Cap）空间电荷层随外加电压产生厚薄变化，电荷增加或减少值大小为1至100pF，与外加电压成非线性关系常利用其反偏时电容随外加电压的变化，制成变容二极管v扩散电容CD（Diffusion Cap）势垒区两侧非平衡载流子的积累引起值大小：反偏时约为0，正偏时10至100PFvPN结电容 CJ=CD+CB非线性电容，正偏时扩散为主，反偏时势垒为主 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC1.1.1 半导体二极管半导体二极管二极管的符号vPN结加上相应的电极引线和管壳封装v二极管的电路符号集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC二极管的结

9、构v点接触型二极管 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCv面接触型二极管 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCv平面接触型二极管 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC二极管的伏安特性 A点：开启（阀值，门坎）电压VthSi=0.5V,Ge=0.1VBC段：恒压区*Si=0.60.8VGe=0.20.3V反向电流:Si=纳安级Ge=微安级集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC二极管主要参数 v最大整流电流IF v反向电流IR v反向击穿电压VBR v结电容Cj或关断时间或最高工作频率fMAX 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC1.1.2 1.1.

10、2 二极管基本应用电路分析举例二极管基本应用电路分析举例 二极管模型 v二极管是一种非线性器件v根据不同应用,对其作不同的线性化处理 v根据输入电压大小，有三种线性化方法大信号模型 小信号模型 理想二极管模型 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC理想二极管模型正偏：二极导通压降为零 反偏：二极管截止电流为零 二极管相当理想开关 何时可将其当作理想D？集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC二极管大信号模型 截止：二极管反偏或正向偏压小于Von导通：二极管正向偏压大于Von何时应用二极管大信号模型？集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC二极管小信号模型 第一步：二极管的正

11、向电压为VQ，正向电流为IQ第二步：若VQ变为 试求正向电流变化vVVQQ方法：二极管特性局部线性化。用过Q点的切线AB来代替Q点附近的特性曲线，并建立起相应的模型 Qdivr/tan/1集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCvrd称为微变等效电阻或动态电阻vrd的另一计算方法：由PN结特性方程求导数得到TVVTSVVSdVIeVIeIVddVdIdVIrTT/)1(1)()(26mAImVIVIVrQTd集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC二极管基本应用电路分析举例 v整流电路 v整流：交流电转换成 单方向的直流 电的过程v采用理想二极管模型v单相半波整流集成电子技术基础教

12、程集成电子技术基础教程LDCv参数计算输出直流电压平均值输出直流电流平均值二极管承受平均电流二极管承受最大反压2/02)(45.01TOAVOVdtvTVLLAVOAVORVRVI2)()(45.0LAVODRVII2)(45.022VVRM集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCv全波整流集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC限幅电路v限幅：限止输出电压的幅度应用二极管的大信号模型集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC二极管门电路 VAVBDADBVO00通通低03通止低30止通低33通通高输出低：电压小于0.7V输出高：电压大于3.7V集成电子技术基础教程集成电子技术

13、基础教程LDC低压稳压电路 v例:设V=12V，限流电阻R=5.1K，若V变化（10%)，问输出电压V变动了多少?第一步:VI不变时电路参数(静态)应用二极管大信号模型mARVVIVVVOIDDO08.24.12集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC第二步:计算VI变化时输出V变化(动态)应用二极管小信号模型%42.04.185.5/85.5225.1208.226VmVVVmVrRrVVmAmVIVrOOddIODTd集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC稳压二极管 v稳压管的主要参数 稳定电压Vz 动态电阻 v最大允许耗散功率PZmax v稳定电压的温度系数 1.1.3 1

14、.1.3 特种二极管特种二极管 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDCv例:设计一个硅稳压管稳压电路，要求输出电压VO=6V，最大负载电流为20mA，设外加输入电压VI为+12V 第二步：选稳压管 查手册后选2CW14，其稳定电压Vz=6V，稳定电流为10mA，最大稳定电流为33mA 第一步：设计电路第三步：计算限流电阻R200(max)(min)LZOIIIVVR第四步：考虑极限情况负载开路时，稳压管承受电流mAmARVVIOIZ3330(max)集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC发光二极管 v由磷砷化镓(GaAsP)、磷化镓(GaP)等半导体做成的PN结正偏工作时，多子

15、大量复合，释放出能量，其中一部分能量会变为光能，使半导体发光 v发光二极管的电路符号 v光谱范围窄，光的波长与所用材料有关 v伏安特性与一般二极管相似，但开启电压可达1.32.4V，反压一般大于3伏 v发光亮度与正向电流(毫安级)成正比 v具功耗小，易于和IC相匹配，驱动简单，响应时间快(启亮或熄灭仅需几个ns)、寿命长，耐冲击等优点 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC光电二极管 v正常应用:光电二极管工作在反向偏置状态 v无光照时只有很小的反向饱和电流Is，称为暗电流 v有光照射时，光电二极管受光激发，产生大量电子空穴对，形成较大的光生电流，且随光照强度的增加而增大 v特性要求:很好的线性性同时IS又要较大集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC变容二极管 v正常应用:变容二极管工作在反向偏置状态 v改变反向偏压，即可改变其等效电容的大小 v变容二极管的电容很小，一般为PF数量级，常用于高频电路 集成电子技术基础教程集成电子技术基础教程LDC肖特基二极管 v内部有一个金属结面v显著特点:阀值电压(Von)很低，仅为0.3V 导通时存贮的非平衡少数载流子数量很少，关断时间很短，工作频率高v电路符号