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北理模擬電路基礎(chǔ)課件
本學(xué)期我們開(kāi)設(shè)了《模擬電路》與《數(shù)字電路》課，這兩門(mén)學(xué)科都屬于電子電路范疇，與我們的專(zhuān)業(yè)也都有聯(lián)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(chǔ)課件，歡迎閱讀。
一、 教學(xué)內(nèi)容及要求
本章重點(diǎn)講述半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)原理、外特性、主要參數(shù)及其物理意義，工作狀態(tài)或工作區(qū)的分析。
首先介紹構(gòu)成PN結(jié)的半導(dǎo)體材料、PN結(jié)的形成及其特點(diǎn)。其后介紹二極管、穩(wěn)壓管的伏安特性、電路模型和主要參數(shù)以及應(yīng)用舉例。然后介紹兩種三極管（BJT和FET）的結(jié)構(gòu)原理、伏安特性、主要參數(shù)以及工作區(qū)的判斷分析方法。
二、 本章學(xué)時(shí)分配
本章分為2講，每講2學(xué)時(shí)。
第01講 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)
本講重點(diǎn)
1. PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?2. PN結(jié)的伏安特性；
本講難點(diǎn)
1. 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理:兩種載流子參與導(dǎo)電； 2. 摻雜半導(dǎo)體中的多子和少子 3. PN結(jié)的形成；
教學(xué)組織過(guò)程
用多媒體演示半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電機(jī)理、PN結(jié)的形成過(guò)程及其伏安特性等，便于理解和掌握。
主要內(nèi)容
1. 半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性能
根據(jù)物體的導(dǎo)電能力的不同，電工材料可分為三類(lèi)：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。半導(dǎo)體可以定義為導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的電工材料，半導(dǎo)體的電阻率為10～10 ??cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力在不同的條件下有很大的差別：當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化；往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些特定的雜質(zhì)元素時(shí)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力具有可控性；這些特殊的性質(zhì)決定了半導(dǎo)體可以制成各種器件。
2. 本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電性能
本征半導(dǎo)體是純凈的、沒(méi)有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱(chēng)為“九個(gè)9”，它在物理結(jié)構(gòu)上為共價(jià)鍵、呈單晶體形態(tài)。在熱力學(xué)溫度零度和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。
3. 半導(dǎo)體的本征激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象
當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0 K時(shí)，導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以?huà)昝撛雍说氖`而參與導(dǎo)電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)（也稱(chēng)熱激發(fā)）。因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱(chēng)為電子空穴對(duì)。
游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱(chēng)為復(fù)合。 在一定溫度下本征激發(fā)和復(fù)合會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)，載流子濃度一定，且自由電子數(shù)和空穴數(shù)相等。
4. 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理
自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，因此，在半導(dǎo)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(dǎo)體的特殊性質(zhì)。空穴導(dǎo)電的實(shí)質(zhì)是:相鄰原子中的價(jià)電子（共價(jià)鍵中的束縛電子）依次填補(bǔ)空穴而形成電流。由于電子帶負(fù)電，而電子的運(yùn)動(dòng)與空穴的運(yùn)動(dòng)方向相反，因此認(rèn)為空穴帶正電。
5. 雜質(zhì)半導(dǎo)體
摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體是半導(dǎo)體器件的基本材料。在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素（如磷），就形成N型（電子型）半導(dǎo)體；摻入三價(jià)元素（如硼、鎵、銦等）就形成P型（空穴型）半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與其摻雜濃度和溫度有關(guān)，摻雜濃度越大、溫度越高，其導(dǎo)電能力越強(qiáng)。
在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。
多子（自由電子）的數(shù)量＝正離子數(shù)＋少子（空穴）的數(shù)量 在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。
多子（空穴）的數(shù)量＝負(fù)離子數(shù)＋少子（自由電子）的數(shù)量
6. PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?/p>
半導(dǎo)體中的載流子有兩種有序運(yùn)動(dòng)：載流子在濃度差作用下的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)。同一塊半導(dǎo)體單晶上形成P型和N型半導(dǎo)體區(qū)域，在這兩個(gè)區(qū)域的交界處，當(dāng)多子擴(kuò)散與少子漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)（亦稱(chēng)為耗盡層或勢(shì)壘區(qū)）的寬度基本上穩(wěn)定下來(lái)，PN結(jié)就形成了。
當(dāng)P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位時(shí)，稱(chēng)為加正向電壓（或稱(chēng)為正向偏置），此時(shí)，PN結(jié)導(dǎo)通，呈現(xiàn)低電阻，流過(guò)mA級(jí)電流，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合；
當(dāng)N區(qū)的電位高于P區(qū)的電位時(shí)，稱(chēng)為加反向電壓（或稱(chēng)為反向偏置），此時(shí)，PN結(jié)截止，呈現(xiàn)高電阻，流過(guò)μA級(jí)電流，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。
PN結(jié)是半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)單元，其基本特性是單向?qū)щ娦裕杭串?dāng)外加電壓極性不同時(shí)，PN結(jié)表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電性能。
PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。這正是PN結(jié)具有單向?qū)щ娦缘木唧w表現(xiàn)。
7. PN結(jié)伏安特性
PN結(jié)伏安特性方程式中：Is為反向飽和電流；UT為溫度電壓當(dāng)量，當(dāng)T＝300K時(shí)，UT≈26mV 當(dāng)u＞0且u >>UT時(shí)，i?ISeUT，伏安特性呈非線(xiàn)性指數(shù)規(guī)律；
S當(dāng)u＜0且︱u︱>>UT時(shí)，，電流基本與u無(wú)關(guān)；由此亦可說(shuō)明PN結(jié)具有單向?qū)щ娦阅堋?/p>
PN結(jié)的反向擊穿特性：當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增大到一定值時(shí)，反向電流隨電壓數(shù)值的增加而急劇增大。PN結(jié)的反向擊穿有兩類(lèi)：齊納擊穿和雪崩擊穿。無(wú)論發(fā)生哪種擊穿，若對(duì)其電流不加以限制，都可能造成PN結(jié)的永久性損壞。
8. PN結(jié)溫度特性
當(dāng)溫度升高時(shí)，PN結(jié)的反向電流增大，正向?qū)妷簻p小。這也是半導(dǎo)體器件熱穩(wěn)定性差的主要原因。
9. PN結(jié)電容效應(yīng)
PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定:一是勢(shì)壘電容CB ，二是擴(kuò)散電容CD，它們均為非線(xiàn)性電容。
勢(shì)壘電容是耗盡層變化所等效的電容。勢(shì)壘電容與PN結(jié)的面積、空間電荷區(qū)的寬度和外加電壓等因素有關(guān)。
擴(kuò)散電容是擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電荷的積累和釋放所等效的電容。擴(kuò)散電容與PN結(jié)正向電流和溫度等因素有關(guān)。 PN結(jié)電容由勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容組成。PN結(jié)正向偏置時(shí)，以擴(kuò)散電容為主；反向偏置時(shí)以勢(shì)壘電容為主。只有在信號(hào)頻率較高時(shí)，才考慮結(jié)電容的作用。
第02講 半導(dǎo)體二極管
本講重點(diǎn)
二極管的伏安特性、單向?qū)щ娦约暗刃щ娐罚ㄈ齻�(gè)常用模型）；
2. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理及簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電路；
3. 二極管的箝位、限幅和小信號(hào)應(yīng)用舉例；
本講難點(diǎn)
二極管在電路中導(dǎo)通與否的判斷方法，共陰極或共陽(yáng)極二極管的優(yōu)先導(dǎo)通問(wèn)題； 2. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理；
教學(xué)組織過(guò)程
用多媒體演示二極管的結(jié)構(gòu)、伏安特性以及溫度對(duì)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(hào)應(yīng)用舉例可以啟發(fā)討論。
主要內(nèi)容
1. 半導(dǎo)體二極管的幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用場(chǎng)合
在PN結(jié)上加上引線(xiàn)和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分為點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類(lèi)。
點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)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(jié)面積大，結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。平面型二極管PN結(jié)面積可大可小，PN結(jié)面積大的，主要用于功率整流；結(jié)面積小的可作為數(shù)字脈沖電路中的開(kāi)關(guān)管。 2. 二極管的伏安特性以及與PN結(jié)伏安特性的區(qū)別
半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線(xiàn)如P7圖1.9所示，處于第一象限的是正向伏安特性曲線(xiàn)，處于第三象限的是反向伏安特性曲線(xiàn)。
1）正向特性：當(dāng)V＞0，即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段： （1）當(dāng)0＜V＜Uon時(shí)，正向電流為零，Uon稱(chēng)為死區(qū)電壓或開(kāi)啟電壓。 （2）當(dāng)V＞Uon時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。
2）反向特性：當(dāng)V＜0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：
（1）當(dāng)VBR＜V＜0時(shí)，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱(chēng)反向飽和電流IS。
（2）當(dāng)V≤VBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱(chēng)為反向擊穿電壓。
從擊穿的機(jī)理上看，硅二極管若|VBR|≥7 V時(shí)，主要是雪崩擊穿；若VBR≤4 V則主要是齊納擊穿，當(dāng)在4V～7V之間兩種擊穿都有，有可能獲得零溫度系數(shù)點(diǎn)。
3）二極管的伏安特性與PN結(jié)伏安特性的區(qū)別：二極管的基本特性就是PN結(jié)的'特性。與理想PN結(jié)不同的是，正向特性上二極管存在一個(gè)開(kāi)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(jié)大。 3. 溫度對(duì)二極管伏安特性的影響
溫度對(duì)二極管的性能有較大的影響，溫度升高時(shí)，反向電流將呈指數(shù)規(guī)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(shí)，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(fù)的溫度系數(shù)。
4. 二極管的等效電路（或稱(chēng)為等效模型）
1）理想模型：即正向偏置時(shí)管壓降為0，導(dǎo)通電阻為0；反向偏置時(shí)，電流為0，電阻為∞。適用于信號(hào)電壓遠(yuǎn)大于二極管壓降時(shí)的近似分析。
2）簡(jiǎn)化電路模型：是根據(jù)二極管伏安特性曲線(xiàn)近似建立的模型，它用兩段直線(xiàn)逼近伏安特性，即正向?qū)〞r(shí)壓降為一個(gè)常量Uon；截止時(shí)反向電流為0。3）小信號(hào)電路模型：即在微小變化范圍內(nèi)，將二極管近似看成線(xiàn)性器件而將它等效為一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻rD 。這種模型僅限于用來(lái)計(jì)算疊加在直流工作點(diǎn)Q上的微小電壓或電流變化時(shí)的響應(yīng)。
5. 二極管的主要參數(shù)
1）最大整流電流IＦ：二極管長(zhǎng)期工作允許通過(guò)的最大正向電流。在規(guī)定的散熱條件下，二極管正向平均電流若超過(guò)此值，則會(huì)因結(jié)溫過(guò)高而燒壞。
2）最高反向工作電壓UBR：二極管工作時(shí)允許外加的最大反向電壓。若超過(guò)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(shí)的反向電流。對(duì)溫度敏感。IR越小，則二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩?4）最高工作頻率fM：二極管正常工作的上限頻率。若超過(guò)此值，會(huì)因結(jié)電容的作用而影響其單向?qū)щ娦浴?/p>
6. 穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓管）及其伏安特性
穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體二極管，通過(guò)反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的伏安特性與普通二極管類(lèi)似，其正向特性為指數(shù)曲線(xiàn)；當(dāng)外加反壓的數(shù)值增大到一定程度時(shí)則發(fā)生擊穿，擊穿曲線(xiàn)很陡，幾乎平行于縱軸，當(dāng)電流在一定范圍內(nèi)時(shí)，穩(wěn)壓管表現(xiàn)出很好的穩(wěn)壓特性。
7. 穩(wěn)壓管等效電路
穩(wěn)壓管等效電路由兩條并聯(lián)支路構(gòu)成：①加正向電壓以及加反向電壓而未擊穿時(shí)，與普通硅管的特性
相同；②加反向電壓且擊穿后，相當(dāng)于理想二極管、電壓源Uz和動(dòng)態(tài)電阻rz的串聯(lián)。如P16圖1.18所示。
8. 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)
1）穩(wěn)定電壓UZ：規(guī)定電流下穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓。
2）最大穩(wěn)定工作電流IZMAX 和最小穩(wěn)定工作電流IZMIN：穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax =UZIZmax 。而Izmin對(duì)應(yīng)UZmin。若IZ＜IZmin，則不能穩(wěn)壓。
3）額定功耗PZM：PZM ＝UZ IZMAX ，超過(guò)此值，管子會(huì)因結(jié)溫升太高而燒壞。
4）動(dòng)態(tài)電阻rZ：rz =?VZ /?IZ，其概念與一般二極管的動(dòng)態(tài)電阻相同，只不過(guò)穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。RZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡，穩(wěn)壓效果愈好。
5）溫度系數(shù)α：溫度的變化將使UZ改變，在穩(wěn)壓管中，當(dāng)?UZ?＞7V時(shí)，UZ具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿；當(dāng)?UZ?＜4 V時(shí)，UZ具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿；當(dāng)4V＜?VZ?＜7V時(shí)，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。
9. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路
穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻有兩個(gè)作用：一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；二是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過(guò)該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)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?qū)щ娦浴＠肞N結(jié)擊穿時(shí)的特性可制成穩(wěn)壓二極管，利用發(fā)光材料可制成發(fā)光二極管，利用PN結(jié)的光敏特性可制成光電二極管。
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