模电 第2章 半导体二极管及其基本电路.ppt

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1、电子技术,第二章 半导体二极管,模拟电路部分,第二章 半导体二极管及其基本电路,2.1 半导体的基本知识,2.2 PN结的形成及特性,2.3 半导体二极管,2.4 二极管基本电路及其分析方法,2.5 特殊二极管,半导体的基本知识（1）,自然界的物体根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分为导体、绝缘体和半导体。,半导体 Semiconductor,半导体的特性,1）当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,2）往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,半导体材料：导电性能介于导体与绝缘体之间的材料称为半导体材料。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,半导体的基

2、本知识（2）,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,半导体的共价键结构,半导体的基本知识（3）,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,半导体的基本知识（4）,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，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，因此半导体中的自由电子极少，所以半导体在常温下几乎不导电。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,半导体的基本知识（5）,本征半导体（1）,本

3、征半导体(Intrinsic Semiconductors)完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,本征半导体的导电机理,在绝对0（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发（本征激发），使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,自由电子,空穴,束缚电子,本征半导体中存在数量相等的自由电子和空穴。,电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。,本征半导体（2）,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁

4、移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体（3）,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。,本征半导体（4）,杂质半导体（1）,杂质半导体(Extrinsic Semiconductors),在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,N型半导体掺入五价杂质元素

5、（如磷）的半导体。,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,杂质半导体（2）,N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子(多子），它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子）,由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,电子空穴对,电子,正电荷量=施主原子+本征激发的空穴,负电荷量=施主释放的电子+本征激发的电子,电子空穴对（平衡）,不能移动,N型半导体整体呈电中性，电子是多数载流子,杂质半导体（3

6、）,P型半导体,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,空穴,电子空穴对,负电荷量=受主原子+本征激发的电子,正电荷量=硅失电子释放的空穴+本征激发的空穴,电子空穴对（平衡）,不能移动,P型半导体整体呈电中性，空穴是多数载流子,PN结的形成,在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,多子的扩散和少子的漂移达到动态

7、平衡，PN结形成。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,P区,N区,空间电荷区,内电场,1.空间电荷区中没有载流子。,2.空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴.N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3.P 区中的电子和N 区中的空穴（都是少子）数量有限，因此由它们的运动（漂移运动）形成的电流很小。,注意:,PN结的特性,PN结的性质PN结的单向导电性（1）,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏(Forward Bias),PN结加正向电压时（Forward-Based PN Junction),特点：低电阻 大的正向扩散电流,PN结的性质-P

8、N结的单向导电性（2）,PN结的伏安特性,当外加电压使PN结中P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏(Reverse Bais)。,PN结加反向电压时(Reverse-Based PN Junction),特点：高电阻 很小的反向漂移电流,PN结的性质PN结的单向导电性（3）,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,半导体二极管(Diode)结构（1）,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1)点接触型二极管,

9、PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,半导体二极管结构（2）,(3)平面型二极管,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。,(2)面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(4)二极管的代表符号,半导体二极管结构（3）,半导体二极管结构（4）,半导体二极管结构（5）,二极管的伏安特性（1）,其中：,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,二极管的伏安特性曲线可用下式表示Current-Voltage Relationship,二极管的伏安特性（2）,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增

10、加，此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿不可逆,二极管的伏安特性（3）,正向特性,反向特性,反向击穿特性,实际二极管器件的几个典型值：,死区电压：硅管0.5V左右、锗管0.2V左右,导通压降：硅管0.7V左右、锗管0.3V左右,反向饱和电流：硅管几十uA、锗管几百uA,二极管的主要参数,(1)最大整流电流IF,(2)最大反向工作电压VRM,(3)反向饱和电流IR,VRM,IR,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,（4）微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然

11、，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,（5）二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒

12、电容和扩散电容的综合效应,二极管的模型,1.理想模型,3.折线模型,2.恒压降模型,特点：死区电压=0 正向导通压降=0 反向饱和电流=0,特点：正向导通压降=死区电压=0.7V或0.3V 反向饱和电流=0,特点：正向导通压降=死区电压=0.5V或0.2V 反向饱和电流=0,二极管电路分析举例（1）,含二极管电路的分析方法,确定二极管的工作状态,根据工作状态用不同的模型代替二极管,在等效后的线性电路中作相应的分析,若二极管工作在截止状态则可等效为断开的开关,若二极管工作在导通状态则可等效为导通的开关,或电压为UON的电压源,二极管电路分析举例（2）,如何判断二极管的工作状态,？,步骤,1、假设

13、二极管截止，即将二极管断开。,2、计算二极管两端的电压 UD=V阳-V阴,3、判断：若 UD0，则二极管工作于导通状态 若 UD0，则二极管工作于截止状态,二极管电路分析举例（3）,例1：图示电路中，分析当UA与UB分别为0与3V的不同组合时，二极管D1、D2的状态，并求U0的值。,解：,（1）当UA=UB=0时,设D1、D2截止，则等效电路为,由电路，有 UD1=0-（-5）=50 UD2=0-（-5）=50,则D1、D2处于导通状态，电路可等效为,所以，U0=0,二极管电路分析举例（4）,（2）当UA=UB=3V时,设D1、D2截止，则等效电路为,由电路，有 UD1=3-（-5）=80 U

14、D2=3-（-5）=80,则D1、D2处于导通状态，电路可等效为,所以，U0=3V,二极管电路分析举例（5）,（3）当UA=3V，UB=0时,设D1、D2截止，则等效电路为,由电路，有 UD1=3-（-5）=80 UD2=0-（-5）=50,出现矛盾！即D1、D2不可能同时导通！,规定：承受正偏压大的二极管优先导通。,二极管电路分析举例（6）,则D2处于截止状态，最终电路如上图所示：,所以，U0=3V,则等效电路为：,由电路，有 UD2=0-3=-30,（4）当UA=0，UB=3V时,所以，U0=3V,同理可得：D1截止，D2导通。,二极管电路分析举例（7）,例2：二极管半波整流,二极管电路应

15、用举例,稳压二极管（齐纳二极管)-伏安特性,(a)符号,(b)伏安特性,稳压二极管-稳压二极管主要参数,(1)稳定电压VZ,(2)动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ=VZ/IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,稳压二极管-稳压电路分析,正常稳压时 VO=VZ,#稳压条件是什么？,#不加R可以吗？,#上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ，VO的波形是怎样的？,已知稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压不变。,稳压二极管电路分析举例（1）,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。,方程2,联立方程1、2，可解得：,稳压二极管电路分析举例（2）,稳压二极管电路分析举例（3）,例：图中的稳压管的稳定电压值分别是7V和13V，求输出电压，采用恒压降模型,熟悉二极管的外特性及主要参数。,正确理解PN结的形成及单向导电性,掌握二极管的理想模型和恒压降模型方程。,熟悉稳压管的外特性及主要参数。,掌握稳压管电路的原理以及限流电阻的计算。,本章基本要求,电子技术,第二章 结 束,模拟电路部分,