数字射频收发模块原理与设计 - 有源电子元器件

⑵ 本征激发（热激发）
温度升高、光照增强使价电子 摆脱原子核的束缚 自由电子 本征激发成对产生 ⑶ 两种载流子 空穴 半导体中有自由电子 和空穴两种载流子
si si
si
si
空 自 穴 由 本征半导体两端外加电压时，将出现 电 两部分电流，电子流和空穴流。 子 ⑷ 复合 自由电子与空穴相遇 复合使自由电子和空穴成对减少 在一定温度下，热激发和复合处于动平衡状态。 半导体中的载流子数目一定。
会使半导体的导电能力明显改变。
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⑶ 常用的半导体材料
锗 Ge 32
Ge
硅 Si
14
Si
价电子
2-8-18-4
2-8-4
最外层 八个电 子的稳 定结构
硅和锗为四价元素，最外层有四个价电子
2.本征半导体
纯净的、具有晶体结构的半导体
si
si
⑴共价键
共价键结构稳定 导电能力很弱
共价键内的 价电子对
6
si
si
4
晶体二极管
一、半导体的导电特性
1. 概念 ⑴半导体 导电能力介乎于导体和绝缘体之间。
如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。
⑵影响半导体导电能力的因素
温度↑→导电能力↑ 光照↑→导电能力↑ 如：热敏元件 如：光敏元件
掺杂↑→导电能力
如：P型、N型半导体。
掺杂——纯净的半导体中掺入微量的某些杂质，
A
B
≥1
F
25
五、 特殊二极管
1、稳压二极管 （1）结构和符号
面接触型硅二极管
I
+
DZ
UZ
UZmax UZmin a
符号
（2）伏安特性
正向特性与普通硅二极管相同
IZ b
o IZmin U
IZmax
①未击穿区（o a段）
②击穿区（稳压区 a b段）
特性陡直，电压基本不变，具有稳定电压作用
I≈0，反向截止
29
30
半导体（晶体）三极管（双极型晶体管）
一、 三极管结构及其放大作用
1.结构及类型 集电极 N B P 基极 N E 发射极
C 集电结 B C I
C
集电极
C
C B I
C
IB
E 发射结
T
I
E
基极
P N P
E
B
IB
E
T
I
E
NPN型
发射极 PNP型
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半导体三极管图片
32
2.晶体管的放大原理
（1）晶体管的电流放大条件 ①内部条件 三个区掺杂浓度不同，厚薄不同。 C 集电极
U Z 4V~6V，U 0
④ 稳定电流IZ、最大稳定电流Izmax
使用时稳压管的电流要大于IZ，小于最大稳定电流Izmax ⑤ 最大允许功耗PZM 稳压管不发生热击穿的最大功率损耗 PZM U Z I Z max
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2、光电二极管
（1）符号和特性
i
暗电流
E = 200 lx E = 400 lx 特性
符 号
点接触型
面接触型
外 形
点接触型：结面小、结电容小，适用高频小电流场合。 如：检波电路、数字开关电路 面接触型：结面大、结电容大，用在低频电路 如：整流电路 14
半导体二极管图片
15
半导体二极管图片
16
2. 伏安特性
⑴ 正向特性
0.5V（硅管） 导通后管压降： 0.2~0.3V （锗管） UD = 0.6~0.7V （硅管） 死区电压 = 0.1V（锗管） UBR
7
3.杂质半导体 ⑴ N型半导体（电子半导体）
本征半导体中掺入微量的五价元素磷 特点： 多数载流子——自由电子 少数载流子——空穴 示意图
+ +
+ +
磷P 15
p
2-8-5
多余电子 si si
+
+
+ + P+ si
N 型半导体
硅晶体中掺磷出现自由电子
8
⑵ P型半导体（空穴半导体）
本征半导体中掺入微量的三价元素硼 多数载流子——空穴 特点： 少数载流子——自由电子 示意图 空穴
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4. 二极管门电路 ⑴ 二极管与门
+12V D1
① 分析
UA 0V 0V 3V
UB 0V 3V 0V 3V
UF 0V 0V 0V 3V
R
A
D2
F
规定
3V
高电平3V→逻辑“1” 低电平0V→逻辑“0”
B
② 真值表
A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 F 0 0 0 1
③逻辑表达式 F=A•B A
开关闭合 开关断开
反向截止
ID 0
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四、 二极管的应用 1.限幅电路 限幅器的功能就是限制输出电压的幅度 例
⑴
电路如图。已知 ui = 10sinω t（V），且E = 5V， 试分析工作原理，并作出输出电压uo的波形。
解：图(a)
ui
R E
（a）
ui ＜E， D 截止，uR= 0， ui
∴输出uo
PN结变宽 PN + + μA
原因： o、 i方向一致，使PN结变宽，由少数 载流子形成很小的反向电流。 结论： PN结反 向截止，反向电流小、反向电阻大。
i E I反 0 o
+
I反 0
R反
13
三、半导体二极管
1. 基本结构及符号
阳极 D 阴极 阴极 阴极 阴极 阳极 阳极 阳极
－ － － － － －
硼B 5
B
2-3
si
si
－ －
B-
si
P型半导体
硅晶体中掺硼出现空穴
多数载流子数目由掺杂浓度确定 结论： 少数载流子数目与温度有关. 温度↑→少子↑
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二、PN结 1. PN结
2. PN结的形成
P区和N区的载 流子浓度不同
PN结 P P
－ － － － － － － － + +
N
同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导 体，在它们的交界面处形成的特殊区域。
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3.PN结的单向导电性
⑴ PN结正向导通 现象： 灯亮、 电流大（mA级）
+ I
E
PN结变窄 P - + N
i o
-
+
mA
-
原因：
形成较大的正向电流。 结论： PN结正向导通，正向电流大、正向电阻小。
12
o i ，使PN结变窄，由多数载流子
⑵ PN结反向截止 现象：
灯不亮、 电流很小（μA级）
ID
I
20C
UBR
o U D UD
U
75C
②温度升高二极管反向电流增大
温度↑→少数载流子↑→反向电流↑
C。反向电流增大一倍。 温度每升高10°
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3. 主要参数
（1）最大整流电流 IDM
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向 平均电流。（点接触型<几十mA，面接触型较大）
（2）反向工作峰值电压URM
④逻辑符号
＆
B
F
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⑵ 二极管或门
A
B
D2 D1
① 分析
UA 0V 0V 3V 3V
UB 0V 3V 0V 3V
UF 0V 3V 3V 3V
F
R
-12V
规定
高电平3V→逻辑“1” 低电平0V→逻辑“0”
② 真值表
A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 F 0 1 1 1
③逻辑表达式 F=A+B
④逻辑符号
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解：
（a）
（b）
t
ω
t
3. 二极管的钳位和隔离应用 例 电路中，输入端 UA=+3V ， UB= 0V ， 试求输出端F的电位UF 。 D 解： A 、DB，为理想二极管 DA +3V
A B
UA > UB， DA先导通，
F 0V
DB
R
-12V
DA起钳位作用，使UF=3V。
UB ＜ UF ，DB截止， 将 UB与UF隔离
数字射频收发通信模块原理与设计 ----有源电子元器件
有源电子元器件的名称、分类、形状、用途
一、有源（active）电子元器件的定义 • 如果电子元器件工作时，其内部有电源存在， 则这种器件叫做有源器件。 • 从电路性质上看，有源器件有两个基本特点： （1） 自身消耗电能。 （2） 除了输入信号外，还必须要有外加 电源才可以正常工作。
I + o + UD U
死区
⑵ 反向特性
U 反 U BR 时，I 反 0，二极管反向截止 U 反 U BR 时，I 反急剧增加，二极管反向 击穿
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UBR —— 反向击穿电压
⑶ 温度对二极管的影响
① 温度升高二极管 正向压降减小
温度↑→载流子↑→ →导电能力↑→等效电阻↓→ →正向压降UD ↓
~
D u o
ui
10V 5V
⑵
ui ＞E， D 导通，uD= 0，
∴输出uo = E 电路为正限幅电路
o uo
5V
ωt
o
（b）
ωt
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2. 例
ui R
二极管整流作用
图示两个电路。已知 ui = 10sinω t（V）， 试画出输出电压uo的波形。 ui
10V
D
uo
ui
D
R
uo
ω
o
t
ω
ui ⑴ 图(a) ui ＞0， D 导通，uo= 0， o ui ＜0， D 截止，uo ~ ui -10V ui ⑵ 图(b) ui ＞0， D导通，uo = ui ， 10V ui ＜0， D截止，uo= 0 o
基区空穴 的扩散
扩散运动形成发射极电流IE，复合运动（主要部分） 形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。
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3.晶体管的电流分配关系
IB
A
+ － + T －
mA
mA
IC IE
RC EC
RB
EB
共发射极放大实验电路 0.04 2.08 0.06 3.17 0.08 4.26 0.1 5.40
晶体管电流测试数据
IB (mA) 0 0.02 0.99 IC (mA) 0.005
IE (mA) 0.005
1.01
2.12
3.23
4.34
5.50
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结论：
①IE=IC+IB（KCL定律） ②IC、IE>>IB ，IC与IB之比称为直流(静态)电流放大系数 I C 3.17 I C 2.08 52.8 52， I B 0.06 I B 0.04 ③ΔIC、ΔIE>>ΔIB ， Δ IC与Δ IB之比称为 交流(动态)电流放大倍数 I C I C4 I C3 3.17 2.08 1.09 54.5 I B I B4 I B3 0.06 0.04 0.02
二极管不被反向击穿时允许承受的最大反向电压。 一般URM是UBR的一半（或三分之二）。
（3）反向峰值电流 IRM
在URM下对应的反向电流。 IRM愈小愈好。
使用二极管，I D I DM、U D U RM。
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四、 二极管的应用 理想二极管的开关特性
正向导通
+ -
UD 0
+
UD 0 ID 0
Leabharlann Baidu
2
有源电子元器件的名称、分类、形状、用途
二、有源（active）电子元器件的分类
• 有源器件是电子电路的主要器件，从物理结构、电路 功能和工程参数上，有源器件可以分为分立器件和集 成电路两大类。 • 分立器件：电子管、晶体管 • 集成电路：模拟集成电路、数字集成电路
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分立器件：
• 电子管：电子管又名真空管，所以又称为电真空器件。 • 晶体管：属于半导体器件，导电能力介于导体与绝缘体 之间。 可分为二极管、三极管和场效应管等等。
U Z 动态电阻： rZ 动态电阻愈小稳压效果愈好 I Z ③热击穿区（b 点以下线段）I Z I Z max过热烧坏PN结
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（3）稳压二极管的参数 ① 稳定电压 UZ ② 动态电阻
U Z r 越小，稳压越好 rZ ；Z I Z
稳压管的稳压值
③ 电压温度系数U
C，稳压值变化的百分数。 温度变化1° 硅稳压管： U Z 6V，U 0；U Z 4V，U 0；
－
C
T
B
－
UBE － E
P N P
+
UBC
+ B －
－
C
T
UBE + E
E
U PNP型为： BE 0, U BC 0 或
UE UB UC
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（2）放大原理（NPN型）
（发射结正偏） uBE U on 放大的条件 （集电结反偏） uCB 0，即 uCE uBE
少数载 流子的 运动 因集电区面积大，在外电场作用下大 部分扩散到基区的电子漂移到集电区 因基区薄且多子浓度低，使极少 数扩散到基区的电子与空穴复合 因发射区多子浓度高使大量 电子从发射区扩散到基区
工作条件： 反向偏置
u
O
符号
（2）主要参数 电学参数： 暗电流，光电流，最高反向工作电压 光学参数： 光谱范围，灵敏度，峰值波长
实物照片
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3、发光二极管 + 发光二极管是一种将电能转 符号 换成光能的显示器件。 当管子接正向电压,有电流通过时,会发出光线。 不同半导体材料的二极管发出的光线的颜色不同。 磷 砷 化 镓 （ GaAsP ） 材 料 发 红 光 或 黄 光 ， 磷 化 镓 （GaP）材料发红光或绿光，氮化镓（GaN）材料发 蓝光，碳化硅（SiC）材料发黄光，砷化镓（GaAs） 材料发不可见的红外线。 发光二极管用于信号指示 、数码管显示器。 发光二极管的伏安特性和普通二极管相似，死区电 压为0.9~1.1V，其正向工作电压为1.5~2.5V,工作电流为 5~15mA。反向击穿电压较低，一般小于10V。
集电区：
掺杂浓度较低
B
基极
N P N E
发射极
基区： 掺杂浓度最低 并且很薄 发射区： 掺杂浓度最高
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②外部条件 发射结加上正向电压，集电结加上反向电压 即：NPN型U BE 0, U BC 0 或 U C U B U E
+ － B + C +
N P N
－ E
UBC
－ B +
C
+
N
+ + + + + +
-
N区 P区 正负离子显电性→建立空间电荷区→形成内电场
由载流子的浓度差→多子扩散
自建电场 N区 电子 空穴
i
+ P区
i
10
内电场
扩散 = 漂移 动平衡 →空间电荷区宽度确定→PN结形成 PN结 N P 有利少子漂移
－ － + +
i
反对多子扩散
-
自建电场
i
+
PN结——空间电荷区 PN结也称为高阻区、耗尽层