模拟电路第四章3二极管及其基本电路.ppt

第三章 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性 3.3 二极管 3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.5 特殊二极管,1 导体,半导体材料,3.1半导体的基本知识,物质按导电能力分为三类:,原因是金属中有很多自由电子，在电场的作用下自由电子作定向运动形成电流，所以金属是导体。如：铜原子。其外围电子数为1。,自然界中很容易导电的物质(电阻率为 10-4 cm）称为导体，如铜、银、铝、锌、铁、石墨、大地、人体等。,金属的导电能力为什么这么强？,该电子很容易争脱原子核的束缚成为自由电子,2 绝缘体,有的物质几乎不导电（电阻率 109 cm）称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料 和石英、玻 璃、云母、石棉、纸、干燥的木材等。,在云母、塑料等材料中，虽然也含有大量的电子，但这些电子被原子核紧紧地束在原子核周围不能自由运动，因而即使加了很强的电场，这些电子也不能产生定向运动，形不成电流，因而称为绝缘体。,然而，在环境条件变化时，导电性能会略有变化。如金属导电性的导电性能在高温时会减弱，而绝缘体在潮湿和高温环境中，其导电性能增强。,3 半导体：,半导体之所以被用来制造电子器件，并不是在于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是它具有下面两个很宝贵的物理性质：,1 半导体的电性能很容易改变。,在半导体中掺入微量的杂质、环境温度的变化，受到光照等都可以改变半导体的电性能。,其导电能力介于导体和绝缘体之间的 物质，称为半导体，如锗、硅、砷化 镓和一些硫化物、氧化物等。,例如：在30 时，若在纯净的锗中掺入10-8（即一亿分之一）的杂质，它的导电性能将提高到原来的12倍。,又如，温度升高8（12），可以使硅（锗）的导电率提高大约一倍，光照不仅可以改变半导体的导电率，还可以产生电动势，这些特性分别称为半导体的掺杂性、热敏性、光敏性。,2 半导体电性能的改变是可以控制的。,正是因为半导体具有“可变”、“易控”这两个性质，人们才有利用他的掺杂性、热敏性、光敏性等制成半导体管、集成电路、热敏电阻、光敏电阻、光电池等各种电子元器件，从而使半导体在现代电子技术领域中得到广泛的应用。,3.1.2 半导体的共价键结构,硅的原子结构,简化模型,锗的原子结构,带4电荷的正离子，又称惯性核,价电子(束缚电子),硅(锗)的共价键结构,共价键,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,共价键中的两个电子被紧紧束在束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱，如同绝缘体。,硅和锗的晶体结构：,3.1.3 本征半导体、空穴 及其导电作用,导电条件：（1）有载流子（自由移动、带电粒子）；（2）载流子作定向运动，形成电流。,本征半导体：完全纯净地、结构完整的半导体晶体。,自由电子,空穴,本征激发：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。,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。,空穴是一种带正电的载流子,自由电子是一种带负电的载流子,i 总=i 自由电子+i 空穴,i 自由电子,i 空穴,外加电压,本征半导体的导电情况结论：,3.在外电场的作用下，载流子作定向运动，形成电流，i 总=i 自由电子+i 空穴。载流子数目少，因此导电能力 很弱，如掺入少量杂质，其导电能力将大大增强。,1.在热力学温度零度时（T0K），晶体中没有自由 电子，因此半导体如同绝缘体；,2.受外界光、热刺激时，晶体中出现了载流子数自由电子数空穴数，而自由电子数空穴数（空穴与自由电子总是成对出现），导电能力增强。,3.1.4 杂质半导体,磷原子,磷原子提供的多余的电子,自由电子,空穴,自由电子,一、N 型半导体,在纯净的半导体中掺入五价元素，如：磷P，原子序数为15。,i 总=i 自由电子+i 空穴 i 自由电子,i 自由电子,i 空穴,i 自由电子,外加电压,2）在外电场的作用下，载流子作定向运动，形成电 流，i 总=i 自由电子+i 空穴 i 自由电子。,可见，这种半导体主要是靠自由电子导电，故又称电子半导体，电子带负电，负的英文单Negative，所以又称N型半导体。,N型半导体的导电情况结论：,1）有两种载流子，多数载流子是自由电子，少数载 流子是空穴，载流子数 自由电子数空穴数 自由电子数。,常用下面的结构简图表示N型半导体：,正磷离子，不能移动,注：1)自由电子数目空穴数目正离子数目 2)N型半导体为电中性,二、P 型半导体,在纯净的半导体中掺入三价元素，如：硼Be，原子序数为5。,P型半导体的导电情况结论：,2）在外电场的作用下，载流子作定向运动，形成电 流，i 总=i 自由电子+i 空穴 i 空穴。,可见，这种半导体主要是靠空穴导电，故又称空穴半导体，空穴带正电，正的英文单词Positive，所以又称P型半导体。,1）有两种载流子，少数载流子是自由电子，多数载 流子是空穴，载流子数 自由电子数空穴数 空穴数。,常用下面的结构简图表示P型半导体：,负硼离子，不能移动,注：1)空穴数目自由电子负离子数目 2)P型半导体为电中性,由上分析可知，无论何种杂质半导体，多子由掺杂形成，而其浓度取决于掺杂浓度，与温度几乎无关；而少子由本征激发形成，其浓度主要取决于温度。,三、杂质半导体的导电作用,I,IP,IN,I=IP+IN,N 型半导体 I IN,P 型半导体 I IP,空穴产生的电流方向于其运动方向相同,自由电子产生的电流方向与其运动方向相反,杂质半导体,1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b,c,4.在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是，N 型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,3.2 PN结的形成及特性,单一的N型或P型半导体只能起电阻作用，但若将这两种半导体以某种方式结合在一起，构成PN结，就可使半导体的导电性能受到控制，这样就能制成各种具有不同特性的半导体器件，如：二极管、三极管、场效应管等。,3.2.1 载流子的漂移与扩散,一、漂移,二、扩散,在电场作用下而导致载流子的运动称为漂移。,由于载流子在浓度上的差异，导致载流子从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，称扩散。,P型半导体,N型半导体,浓度差异,多子扩散运动,形成空间电荷区,扩散运动使空间电荷区变宽,内电场,漂移运动使空间电荷区变窄,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，则空间电荷区的厚度将固定不变,内电场的出现将阻止多子的扩散运动，而加速少子的漂移运动,3.2.2 PN结的形成,PN结形成的过程：,浓度上的差异,多子扩散运动,出现正负电荷区,内电场,阻止多子扩散，加速少子漂移,电荷区变窄,正负,内电场减弱,多子扩散，阻止少子,漂移,正负电荷区变厚,内电场加强,动态平衡,正负电荷区宽度（约数十微米）达,到稳定，正负电荷区称PN结（又称空间电荷区，耗尽层，阻挡层，势垒区）（实际上是一些不能移动的正负离子）。,内电场,外电场,多子扩散运动远大于少子的漂移运动，形成较大的正向电流IF，,IF=I多子。,1.外加正向电压（正向偏置）,合场强,而且外加正向电压对正向电流有很强的控制作用，PN结导通。,多子为空穴，少子为电子,多子为电子，少子为空穴,导通,3.2.3 PN结的单向导电性,合场强将会使PN结变薄。,2.外加反向电压(反向偏置),合场强将会使PN结变厚。,少子漂移运动大于多子的扩散运动，形成及其微小的反向电流IS，,而且反向电流主要受温度的影响，与外加电压近似无关，因此，反向电流又称反向饱和电流。,IS=I少子 0。,多子为电子，少子为空穴,多子为空穴，少子为电子,截止,3.PN 结的伏安特性,反向饱和电流,电子电荷,玻尔兹曼常数,当 T=300(27C)：,VT=26 mV,1)数学模型（方程）,温度电压当量,绝对温度,发射系数,2)曲线模型（曲线）,Vth,死区电压，门坎电压，硅（锗）为0.5V（0.1V）左右,反向击穿,正向特性,反向特性,习题：P97页,例：(湖南大学1997年研究生入学试题)如图为两个参数相同的锗二极管在室温时,反向饱和电流为5A，VT=kT/g=26mv,反向击穿电压为 9.8V,求电路中的电流 和各管所消耗的功率。,PD1=VD1=110.2=2.2mW PD2=VD2=119.8=107.8mW,解：D2反向击穿电压为9.8V,D1正向压降为:10-9.8=0.2V,当PN结反向电压增大到一定值时，反向电流随电压的增加而急剧增大。产生PN结电击穿的原因：在强电场作用下，大大增加了自由电子和空穴的数目，从而引起了反向电流的急剧增加，这种现象的产生可以分为雪崩击穿(AvalancheMultiplication)和齐纳击穿(Zener Breakdown)。,3.2.4 PN结的反向击穿,a.雪崩击穿：当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍 增情况就下就像在陡峻的积雪山坡上发生雪 崩一样，载流子增加的多而且快，使反向电 流急剧增大，于是 PN 结就发生雪崩击穿。,b.齐纳击穿：在加有较高的反向电压下，PN结空间电荷区 中存在一个强电场，它能够破坏共价键将束 缚电子分离出来造成电子 空穴对，形 成较大的反向电流。,这两种击穿过程是可逆，当加在管子两端的反向电压降低后，管子仍可以恢复原来的状态。,1.扩散电容Cd：反映了在外加电压作用下载流子在扩散过程中的积累的情况。当外加正向电压不同时,扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。在正向偏置时，以扩散电容为主。,3.2.5 PN结的电容效应,2.势垒电容CB：用来描述势垒取得空间电荷随电压变化而产生的电容效应的。在反向偏置时，以势垒电容主。,综上所述：,PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为 Cj Cd；当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。,Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。,3.3 二极管,半导体二极管实际上是一个PN结，它的用途很广，例如：用作整流，高频检波和数字电路中的开关元件等，为了适用于各种不同的用途，制成了各种类型的半导体二极管，但它们的工作原理基本上是相同的，都是基于PN结的单向导电性。,3.3.1 二极管的结构,半导管二极管是由PN结加电极引线及外壳封装构成的基本半导体器件；其按结构的不同可分为点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(3)平面型二极管,(2)面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,符号：,硅管的伏安特性,锗管的伏安特性,3.3.2 二极管的V I 特性,反向击穿,Vth,V(BR),3.3.3 二极管的参数,2.反向击穿电压VBR:指管子反向击穿时的电压值。,1.最大整流电流F:是指管子长期运行时，允许通 过的最大正向平均电流。,4.极间电容Cd:,5.反向恢复时间TRR:,3.反向电流 R:指管子未被击穿时的反向电流，其 值越小，则管子的单向导电性越好。,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法,例,求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD,解方程求出iD=ID，vD=VD,这种方法称迭代法,负载线,ID,VD,这种方法称图解法,静态工作点,两种方法的优缺点：,迭代法：解方程的过程复杂。,图解法：求解电路比较简单直观，但前提条件是 已知二极管的V I 特性曲线，而在二极 管实际应用电路中，这个要求往往是不 现实的，所以图解法并不实用，但对理 解电路的工作原理和相关重要概念却有 很大的帮助。,1.二极管正向V-特性的建模,电路模型,正向偏置，其压降为0V;而在反向偏置时，认为电阻无穷大,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1)理想模型,：判断二极管通断,二极管导通后,其管压降认为是恒定的,且不随电流而变化,典型值是 0.7V。不过，这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才正确。,电路模型,2）恒压降模型,0.7V,：信号幅度远大于二极管压降,3)折线模型,其中，Vth和rD的值不是固定不变的。,电路模型,Vth,二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加。Vth约为0.5V(硅）,：信号幅度不能远大于二极管压降,4）小信号模型,vD,iD,：交流分析采用,5）高频电路模型,2.模型分析法应用举例,1)整流电路,2）限幅电路,3）开关电路,4）低电压稳压电路,5）箝位电路,6）其它电路,分析方法：,1）选取参考点；2）用理想模型、恒压降或折线模型代替二极管；3）断开理想二极管，求N、P两端的电压。若VPVN，则理想二极管导通，用短路代替；若VNVP，则理想二极管截止，用开路代替。4）分析电路中待求量。,习题：P97页,电路如图，求VAO。,VP=6 V VN=12 V,解：取 O 点作参考点,VPVN 二极管导通,VAO=6V,解：取O点作参考点,VP1=0 V，VP2=15 V，,VD1 VD2 D1 优先导通，D2截止。,VD1=12V，VD2=3V,VN1=VN2=12 V,若忽略管压降，二极管可看作短路，VAO=0 V,习题：P97 页,例,1)整流电路,2 工作波形,1 工作原理,vS0(正半周)，即VPVN，D通，,vS0(负半周)，即VNVP，D止，,，VPVS，VN=0,D断开,v0=vs,v0=0,习题P97页,例 设简单二极管基本电路如图(a)示，R=10k,图(b)是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的 D和 VD的值：(1)VDD=10V；(2)VDD=1V。在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。,2)静态工作情况分析,图（b）,a.使用理想模型,b.使用恒压降模型,c.使用折线模型,D导通,解：,D导通,D导通,将数据带入上述公式得下表：,由上分析，可得如下结论：在电源电压远大于二极管压降时，恒压降模型能 得出较合理得结果；,0,0,1,0.1,0.7,0.93,0.7,0.03,0.69,0.931,0.51,0.049,而当电源电压较低时，折线模型能得到较满意得结果。,在电子技术中，常用限幅电路对各种信号进行处理。它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。,3)限幅电路,根据二极管的位置不同，限幅电路有三种基本形式：上限幅器，下限幅器，双向限幅器。,限幅电路，又称消波器，是利用二极管在外加正向电压超过门坎电压（死区电压）时导通，且导通后管子两端电压基本不变得特点，限制输出电压的幅度。,（1）上限幅器,并联上限幅器,串联上限幅器,（2）下限幅器,并联下限幅器,串联下限幅器,（3）双向限幅器,例3.4.4 一限幅电路如图所示，R=1K,VREF=3V。（1）vi=0V、4V、6V时，求相应的输出电压VO的值；（2）当Vi=6SinwtV时，绘出相应的输出电压VO的波形。,1）用理想模型分析,解：,设D断开，,2）用恒压降模型分析,下次上课更改,二极管D断开，,A,B,vA=viVth，vB=VREF,3)用折线模型分析,若VAVB，D通，则,取rD=200，则VO=0.17Vi2.917,若VAVB，D截止，则VO=Vi,Vi=0V，4V，6V时，输出电压Vo的值如右表所示,下次上课更改,VO=Vi,VO,VO,wt,wt,Vi,0,0,例 ui=2 sin t(V)，分析二极管的限幅作用。,采用恒压降模型,-0.7V ui 0.7 V,V1、V2 均截止,uO=ui,uO=0.7 V,ui 0.7 V,V2 导通 V截止,ui 0.7 V,V1 导通 V2 截止,uO=0.7 V,解：,下次上课更改,习题：,4)开关电路,例,由上表可见，在输入电压V1和V2中，只要有一个为0V，则输出为 0V；只 有当两输入电压均为5V时，输出才为 5V，这种 关系在数字电路中称为“与”逻辑。,0V,导通,导通,导通,0V,截止,截止,导通,0V,截止,截止,5V,5)低电压稳压电路,例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流电 源电压V的正常值为10V，R=10k,当 V变化1V时，问相应的硅二极管电压(输出电压)的变化如何？,解：(1)求ID,(2)求id,6)小信号工作情况,例,习题,7)其它电路,防止电源反接,防止共模输入电压过大,防止差模输入电压过大,下次上课加P455页图和P504页图,3.5 特殊二极管,3.5.1 齐纳二极管 稳压管,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,符号：,稳压管正常工作时加方向电压,下次上课加P85页稳压管的模型,1.主要参数,(1)稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2)电压温度系数CT 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(a)UZ 7 V，CT0(为雪崩击穿)具有正温度系数；(c)4 V UZ 7 V，CT 很小，性能比较稳定。,2CW17：UZ=9 10.5 V，CT=0.09%/2CW11：UZ=3.2 4.5 V，CT=-(0.05 0.03)%/,2DW7 系列为温度补偿稳压管，用于电子设备的精密稳压源中。,(a)2DW7 稳压管外形图,(b)内部结构示意图,管子内部包括两个温度系数相反的二极管对接在一起。,温度变化时，一个二极管被反向偏置，温度系数为正值；而另一个二极管被正向偏置，温度系数为负值，二者互相补偿，使 1、2 两端之间的电压随温度的变化很小。,2DW7C：UZ=6.0 6.5V，CT=0.05%/,例：,(5)最大允许耗散功率,(4)稳定电流 IZ、最大稳定电流 IZM。,(3)动态电阻,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,正常工作的参考电流。I IZ，只要不超过额定功耗即可。,额定功率决定于稳压管允许的温升。,PZ=UZIZ,PZ 会转化为热能，使稳压管发热。,电工手册中给出 IZM，IZM=PZ/UZ,2 并联稳压电路,P86页例,解:将图中稳压管用恒压降模型代替,由电路列出如下方程:,限流电阻,由此可见，稳压特性明显。,使用稳压管需要注意的几个问题：,1.外加电源的正极接管子的 N 区，电源的负极接 P 区，保证管子工作在反向击穿区；,3.稳压管应与负载电阻 RL 并联。,2.必须限制流过稳压管的电流 IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。,稳压条件；,IZmin IZ IZmax,并联稳压电路的有关计算,1）限流电阻R的选择,整理得：,如果不能同时满足上述条件（如计算出的RminRmax),则说明在给定得条件下超出稳压管的工作范围，需要限制VI及RL的变化范围，或选用大容量的稳压管。（例4说明）,2）负载电阻RL的选择,3）功率的计算,并联稳压电路的有关公式,故稳压管在电路中工作于反向击穿状态，电路能够稳定输出电压，则,故稳压管在电路中未被反向击穿，相当于开路，则,解：,求：电阻R和输入电压 Vi 的正常值。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,解得：,2)若负载电阻开路，则稳压管的电流等于限流电阻中的电流，在输入电压高时稳压管将因电流大于IZM而损坏。,解：,R的计算结果表明找不到一个合适的限流电阻既能保证稳压管电流不超过IZmax，又不低于IZmin。在此情况下须另选一容量更大的稳压管。,解：,P87例,下次上课加该内容,习题：P99页,电路中vi为正弦波，且幅值大于VZ，绘vO的波形。,习题：,习题：已知两只硅稳压管的稳定电压值分别为 VZ1=8V和VZ1=7.5V，若将它们串联使用，能获得几种不同的稳定电压值？若将其 并联，又能获得几种不同的稳定电压值？,半导体PN结共价键中的电子在光子的轰击下。很容易脱离共价键而成为自由电子。因此可以用PN结构成光敏二极管。光敏二极 管的反向电流与光照度成正 比。,3.5.4 光电子器件,1、光电二极管,材料和结构：发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成。由于电子空穴的复合产生发光能量。是一种电变成光的能量转换器件。电路中常用做指示或显示及光信息传送。,单个发光二极管,七段显示发光二极管,2、发光二极管（LED）,2、发光二极管的主要特性,工作条件：正向偏置,发光类型：可见光：红、黄、绿 不可见光：红外光,显示类型：普通 LED，七段 LED,点阵 LED,一般工作电流几十mA，导通电压(1 2)V,发射相干单色光的特殊发光二极管。主要用于小功率光电设备，如光驱、激光打印头等。,符号,3、激光二极管,触敏屏,