【A级】模拟电子技术PPT课件全套课件

模块1常用半导体器件模块3功率放大器模块5集成运放及其应用模块2电压放大器模块4负反馈放大器模块6信号发生器模块7直流稳压电源模块8电子线路仿真软件简介常用半导体器件模块11.1半导体的基本知识1.2半导体二极管1.3半导体三极管1.4场效应管1.5晶闸管及应用1.1.1本征半导体半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅(锗)的原子结构Si284Ge28184简化模型+4惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动1.1半导体的基础知识本征激发：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。1.1.2杂质半导体一、N型半导体和P型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数电子数P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数空穴数施主离子施主原子受主离子受主原子二、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体IINP型半导体IIP三、P型、N型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子+–1.1.3PN结一、PN结(PNJunction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。3.扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。内建电场二、PN结的单向导电性1.外加正向电压(正向偏置)—forwardbiasP区N区内电场+UR外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子I多子2.外加反向电压(反向偏置)—reversebiasP区N区+UR内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子01.2.1半导体二极管的结构和分类构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金平面型正极引线负极引线集成电路中平面型PNP型支持底衬1.2半导体二极管1.2.2二极管的伏安特性一、PN结的伏安方程)1e(/SDDTUuIi反向饱和电流温度的电压当量qkTUT电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mV二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD=0Uth=0.5V0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0UUthUD(on)=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)U0iD=IS0.1A(硅)几十A(锗)UU(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD/mAuD/V20C90CT升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降1.2.3二极管的主要参数1.IF—最大整流电流(最大正向平均电流)2.URM—最高反向工作电压，为U(BR)/23.IR—反向电流(越小单向导电性越好)4.fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO影响工作频率的原因—PN结的电容效应结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。1.2.4二极管等效电路一、理想二极管特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)UD(on)三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UIIUrD斜率1/rDrDUD(on)UD(on)例[1.1]硅二极管，R=2k，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。UOVDDIORUOVDDIOR[解]VDD=2V理想IO=VDD/R=2/2=1(mA)UO=VDD=2V恒压降UO=VDD–UD(on)=20.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2=0.65(mA)VDD=10V理想IO=VDD/R=10/2=5(mA)恒压降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)UOVDDIORVDD大，采用理想模型VDD小，采用恒压降模型例[1.2]试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO的值。解：假设二极管断开UP=15V(V)912313NUUPUN二极管导通等效为0.7V的恒压源UO=VDD1UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1k3kIOI1I215V12VPN例1.3二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。UAUBUOR3k12VVDDV1V2BAY输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V例1.4画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui=15sint(V)作用下输出uO的波形。(按理想模型)RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/V15Otui/V15uiBAuOS1S2S3S4uiBAuOS1S2S3S4若有条件，可切换到EWB环境观察桥式整流波形。例1.5ui=2sint(V)，分析二极管的限幅作用。ui较小，宜采用恒压降模型V1V2uiuORui0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VV2导通V１截止ui0.7VV1导通V2截止uO=0.7V思考题:V1、V2支路各串联恒压源，输出波形如何？(可切至EWB)OtuO/V0.7Otui/V20.7小结理想二极管：正偏导通，电压降为零，相当于开关合上；反偏截止，电流为零，相当于开关断开。恒压降模型：正偏电压UD(on)时导通，等效为恒压源UD(on)；否则截止，相当于二极管支路断开。iD/mAuD/VO四、指数模型电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中含交、直流成分VDDuiuDRCiDC隔直流通交流当ui=0时iD=IQUQ=0.7V(硅)，0.2V(锗)RUVIQDDQ设ui=sintVDDVDD/RQIQtOuiUQiD/mAtOdQDiIidQDuUuid斜率1/rdQuirDDddd1)1e(/SDDTUuIiTUUTUIUIrTQSdQe1rd=UT/IQ=26mV/IQ当ui幅度较小时，二极管伏安特性在Q点附近近似为直线五、微变等效电路对于交流信号电路可等效为例[1.6]ui=5sint(mV)，VDD=4V，R=1k，求iD和uD。[解]1.静态分析令ui=0，取UQ0.7VIQ=(VDDUQ)/R=3.3mA2.动态分析rd=26/IQ=26/3.38()Idm=Udm/rd=5/80.625(mA)，id=0.625sint3.总电压、电流dQDuUudQDiIi=(0.7+0.005sint)V=(3.3+0.625sint)mAVDDuiuDRCiDuiudRidrd1.2.5特殊二极管一、稳压二极管1.伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性2.主要参数1.稳定电压UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.最大工作电流IZM最大耗散功率PZMPZM=UZIZM4.动态电阻rZrZ=UZ/IZ越小稳压效果越好。几几十二、发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V2.主要参数电学参数：IFM，U(BR)，IR光学参数：峰值波长P，亮度L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光，点阵LED符号u/Vi/mAO2特性七段LED三、光敏二极管1．符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长1.3.1三极管结构与工作原理一、结构、符号和分类NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区emitterbasecollectorNPN型PPNEBCPNP型分类：按材料分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP按使用频率分：低频管、高频管按功率分：小功率管500mW中功率管0.51W大功率管1WECBECB1.3半导体三极管二、电流放大原理1.三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极实现电路uiuoRBRCuouiRCRE3.三极管内部载流子的传输过程1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流IE。ICN多数向BC结方向扩散形成ICN。IE少数与空穴复合，形成IBN。IBN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)ICBOIBIBNIB+ICBO即：IB=IBN–ICBO3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流ICICIC=ICN+ICBO2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)4.三极管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=IBNICBOIC=ICN+ICBOBNCNIICEOBCBOBC)1(IIIIIIE=IC+IB穿透电流CEOBCIIIBCEIIIBCIIBE)1(IICEOBE)1(IIICBOBCBOCIIII1.3.2三极管的伏安特性一、输入特性输入回路输出回路常数CE)(BEBuufi0CEu与二极管特性相似RCVCCiBIERB+uBE+uCEVBBCEBiC+++iBRB+uBE