北理模擬電路基礎課件

　　本學期我們開設了《模擬電路》與《數字電路》課，這兩門學科都屬于電子電路范疇，與我們的專業也都有聯系，且都是理論方面的指示。以下是小編整理的北理模擬電路基礎課件，歡迎閱讀。

　　一、 教學內容及要求

　　本章重點講述半導體器件的結構原理、外特性、主要參數及其物理意義，工作狀態或工作區的分析。

　　首先介紹構成PN結的半導體材料、PN結的形成及其特點。其后介紹二極管、穩壓管的伏安特性、電路模型和主要參數以及應用舉例。然后介紹兩種三極管（BJT和FET）的結構原理、伏安特性、主要參數以及工作區的判斷分析方法。

　　二、 本章學時分配

　　本章分為2講，每講2學時。

　　第01講 半導體基礎知識

　　本講重點

　　1. PN結的單向導電性； 2. PN結的伏安特性；

　　本講難點

　　1. 半導體的導電機理:兩種載流子參與導電； 2. 摻雜半導體中的多子和少子 3. PN結的形成；

　　教學組織過程

　　用多媒體演示半導體的結構、導電機理、PN結的形成過程及其伏安特性等，便于理解和掌握。

　　主要內容

　　1. 半導體及其導電性能

　　根據物體的導電能力的不同，電工材料可分為三類：導體、半導體和絕緣體。半導體可以定義為導電性能介于導體和絕緣體之間的電工材料，半導體的電阻率為10～10 ??cm。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導體的導電能力在不同的條件下有很大的差別：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化；往純凈的半導體中摻入某些特定的雜質元素時，會使它的導電能力具有可控性；這些特殊的性質決定了半導體可以制成各種器件。

　　2. 本征半導體的結構及其導電性能

　　本征半導體是純凈的、沒有結構缺陷的半導體單晶。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”，它在物理結構上為共價鍵、呈單晶體形態。在熱力學溫度零度和沒有外界激發時,本征半導體不導電。

　　3. 半導體的本征激發與復合現象

　　當導體處于熱力學溫度0 K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛而參與導電，成為自由電子。這一現象稱為本征激發（也稱熱激發）。因熱激發而出現的自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為電子空穴對。

　　游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合。 在一定溫度下本征激發和復合會達到動態平衡，此時，載流子濃度一定，且自由電子數和空穴數相等。

　　4. 半導體的導電機理

　　自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，因此，在半導體中有自由電子和空穴兩種承載電流的粒子（即載流子），這是半導體的特殊性質。空穴導電的實質是:相鄰原子中的價電子（共價鍵中的束縛電子）依次填補空穴而形成電流。由于電子帶負電，而電子的運動與空穴的運動方向相反，因此認為空穴帶正電。

　　5. 雜質半導體

　　摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。雜質半導體是半導體器件的基本材料。在本征半導體中摻入五價元素（如磷），就形成N型（電子型）半導體；摻入三價元素（如硼、鎵、銦等）就形成P型（空穴型）半導體。雜質半導體的導電性能與其摻雜濃度和溫度有關，摻雜濃度越大、溫度越高，其導電能力越強。

　　在N型半導體中，電子是多數載流子，空穴是少數載流子。

　　多子（自由電子）的數量＝正離子數＋少子（空穴）的數量 在P型半導體中，空穴是多數載流子，電子是少數載流子。

　　多子（空穴）的數量＝負離子數＋少子（自由電子）的數量

　　6. PN結的形成及其單向導電性

　　半導體中的載流子有兩種有序運動：載流子在濃度差作用下的擴散運動和電場作用下的漂移運動。同一塊半導體單晶上形成P型和N型半導體區域，在這兩個區域的交界處，當多子擴散與少子漂移達到動態平衡時，空間電荷區（亦稱為耗盡層或勢壘區）的寬度基本上穩定下來，PN結就形成了。

　　當P區的電位高于N區的電位時，稱為加正向電壓（或稱為正向偏置），此時，PN結導通，呈現低電阻，流過mA級電流，相當于開關閉合；

　　當N區的電位高于P區的電位時，稱為加反向電壓（或稱為反向偏置），此時，PN結截止，呈現高電阻，流過μA級電流，相當于開關斷開。

　　PN結是半導體的基本結構單元，其基本特性是單向導電性：即當外加電壓極性不同時，PN結表現出截然不同的導電性能。

　　PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。這正是PN結具有單向導電性的具體表現。

　　7. PN結伏安特性

　　PN結伏安特性方程式中：Is為反向飽和電流；UT為溫度電壓當量，當T＝300K時，UT≈26mV 當u＞0且u >>UT時，i?ISeUT，伏安特性呈非線性指數規律；

　　S當u＜0且︱u︱>>UT時，，電流基本與u無關；由此亦可說明PN結具有單向導電性能。

　　PN結的反向擊穿特性：當PN結的反向電壓增大到一定值時，反向電流隨電壓數值的增加而急劇增大。PN結的反向擊穿有兩類：齊納擊穿和雪崩擊穿。無論發生哪種擊穿，若對其電流不加以限制，都可能造成PN結的永久性損壞。

　　8. PN結溫度特性

　　當溫度升高時，PN結的反向電流增大，正向導通電壓減小。這也是半導體器件熱穩定性差的主要原因。

　　9. PN結電容效應

　　PN結具有一定的電容效應，它由兩方面的因素決定:一是勢壘電容CB ，二是擴散電容CD，它們均為非線性電容。

　　勢壘電容是耗盡層變化所等效的電容。勢壘電容與PN結的面積、空間電荷區的寬度和外加電壓等因素有關。

　　擴散電容是擴散區內電荷的積累和釋放所等效的電容。擴散電容與PN結正向電流和溫度等因素有關。 PN結電容由勢壘電容和擴散電容組成。PN結正向偏置時，以擴散電容為主；反向偏置時以勢壘電容為主。只有在信號頻率較高時，才考慮結電容的作用。

　　第02講 半導體二極管

　　本講重點

　　二極管的伏安特性、單向導電性及等效電路（三個常用模型）；

　　2. 穩壓管穩壓原理及簡單穩壓電路；

　　3. 二極管的箝位、限幅和小信號應用舉例；

　　本講難點

　　二極管在電路中導通與否的判斷方法，共陰極或共陽極二極管的優先導通問題； 2. 穩壓管穩壓原理；

　　教學組織過程

　　用多媒體演示二極管的結構、伏安特性以及溫度對二極管特性的影響等，便于理解和掌握。二極管的箝位、限幅和小信號應用舉例可以啟發討論。

　　主要內容

　　1. 半導體二極管的幾種常見結構及其應用場合

　　在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分為點接觸型、面接觸型和平面型三大類。

　　點接觸型二極管PN結面積小，結電容小，常用于檢波和變頻等高頻電路。面接觸型二極管PN結面積大，結電容大，用于工頻大電流整流電路。平面型二極管PN結面積可大可小，PN結面積大的，主要用于功率整流；結面積小的可作為數字脈沖電路中的開關管。 2. 二極管的伏安特性以及與PN結伏安特性的區別

　　半導體二極管的伏安特性曲線如P7圖1.9所示，處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。

　　1）正向特性：當V＞0，即處于正向特性區域。正向區又分為兩段： （1）當0＜V＜Uon時，正向電流為零，Uon稱為死區電壓或開啟電壓。 （2）當V＞Uon時，開始出現正向電流，并按指數規律增長。

　　2）反向特性：當V＜0時，即處于反向特性區域。反向區也分兩個區域：

　　（1）當VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS。

　　（2）當V≤VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。

　　從擊穿的機理上看，硅二極管若|VBR|≥7 V時，主要是雪崩擊穿；若VBR≤4 V則主要是齊納擊穿，當在4V～7V之間兩種擊穿都有，有可能獲得零溫度系數點。

　　3）二極管的伏安特性與PN結伏安特性的區別：二極管的基本特性就是PN結的'特性。與理想PN結不同的是，正向特性上二極管存在一個開啟電壓Uon。一般，硅二極管的Uon=0.5 V左右，鍺二極管的Uon=0.1 V左右；二極管的反向飽和電流比PN結大。 3. 溫度對二極管伏安特性的影響

　　溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數規律增加，硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。

　　另外，溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降UD大約減小2mV，即具有負的溫度系數。

　　4. 二極管的等效電路（或稱為等效模型）

　　1）理想模型：即正向偏置時管壓降為0，導通電阻為0；反向偏置時，電流為0，電阻為∞。適用于信號電壓遠大于二極管壓降時的近似分析。

　　2）簡化電路模型：是根據二極管伏安特性曲線近似建立的模型，它用兩段直線逼近伏安特性，即正向導通時壓降為一個常量Uon；截止時反向電流為0。3）小信號電路模型：即在微小變化范圍內，將二極管近似看成線性器件而將它等效為一個動態電阻rD 。這種模型僅限于用來計算疊加在直流工作點Q上的微小電壓或電流變化時的響應。

　　5. 二極管的主要參數

　　1）最大整流電流IＦ：二極管長期工作允許通過的最大正向電流。在規定的散熱條件下，二極管正向平均電流若超過此值，則會因結溫過高而燒壞。

　　2）最高反向工作電壓UBR：二極管工作時允許外加的最大反向電壓。若超過此值，則二極管可能因反向擊穿而損壞。一般取UBR值的一半。

　　3）電流IR：二極管未擊穿時的反向電流。對溫度敏感。IR越小，則二極管的單向導電性越好。 4）最高工作頻率fM：二極管正常工作的上限頻率。若超過此值，會因結電容的作用而影響其單向導電性。

　　6. 穩壓二極管（穩壓管）及其伏安特性

　　穩壓管是一種特殊的面接觸型半導體二極管，通過反向擊穿特性實現穩壓作用。穩壓管的伏安特性與普通二極管類似，其正向特性為指數曲線；當外加反壓的數值增大到一定程度時則發生擊穿，擊穿曲線很陡，幾乎平行于縱軸，當電流在一定范圍內時，穩壓管表現出很好的穩壓特性。

　　7. 穩壓管等效電路

　　穩壓管等效電路由兩條并聯支路構成：①加正向電壓以及加反向電壓而未擊穿時，與普通硅管的特性

　　相同；②加反向電壓且擊穿后，相當于理想二極管、電壓源Uz和動態電阻rz的串聯。如P16圖1.18所示。

　　8. 穩壓管的主要參數

　　1）穩定電壓UZ：規定電流下穩壓管的反向擊穿電壓。

　　2）最大穩定工作電流IZMAX 和最小穩定工作電流IZMIN：穩壓管的最大穩定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax =UZIZmax 。而Izmin對應UZmin。若IZ＜IZmin，則不能穩壓。

　　3）額定功耗PZM：PZM ＝UZ IZMAX ，超過此值，管子會因結溫升太高而燒壞。

　　4）動態電阻rZ：rz =?VZ /?IZ，其概念與一般二極管的動態電阻相同，只不過穩壓二極管的動態電阻是從它的反向特性上求取的。RZ愈小，反映穩壓管的擊穿特性愈陡，穩壓效果愈好。

　　5）溫度系數α：溫度的變化將使UZ改變，在穩壓管中，當?UZ?＞7V時，UZ具有正溫度系數，反向擊穿是雪崩擊穿；當?UZ?＜4 V時，UZ具有負溫度系數，反向擊穿是齊納擊穿；當4V＜?VZ?＜7V時，穩壓管可以獲得接近零的溫度系數。這樣的穩壓二極管可以作為標準穩壓管使用。

　　9. 穩壓管穩壓電路

　　穩壓二極管在工作時應反接，并串入一只電阻。電阻有兩個作用：一是起限流作用，以保護穩壓管；二是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調節穩壓管的工作電流，從而起到穩壓作用。 10. 特殊二極管

　　與普通二極管一樣，特殊二極管也具有單向導電性。利用PN結擊穿時的特性可制成穩壓二極管，利用發光材料可制成發光二極管，利用PN結的光敏特性可制成光電二極管。

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