模擬電路二極管及其電路

1、第三章 半導體二極管及其基本電路,模擬電路,第三章 半導體二極管及其基本電路,3.1 半導體基礎(chǔ)知識 3.2 PN結(jié)的形成及特性 3.3 半導體二極管 3.4 二極管基本電路及其分析方法 3.5 特殊二極管,3.1 半導體的基本知識,3.1.1 本征半導體,導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體,絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英,半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等,1）導體、半導體和絕緣體,半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如,當受外界熱和光的作

2、用時，它的導電能 力明顯變化,往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使 它的導電能力明顯改變,2） 本征半導體,一、本征半導體的結(jié)構(gòu)特點,通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體,現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個,本征半導體,在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子,完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體,硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu),共價鍵共 用電子對,4表示除去價電子后的原子,共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離

3、共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體,二、本征半導體的導電機理,在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為 0，相當于絕緣體,在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴,1.載流子、自由電子和空穴,自由電子,空穴,束縛電子,2.本征半導體的導電機理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補

4、，這樣的結(jié)果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子,本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴,電子空穴對,溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點,本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度,本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流,3.1.2 雜質(zhì)半導體,在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加,P 型半導體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（空

5、穴半導體,N 型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（電子半導體,一、N 型半導體,在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻,這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子,晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代,磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子,這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子,每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子,多余 電子,磷原子,N 型半導體中的載流子是什么,1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同,2、本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴,摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電

6、子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子,二、P 型半導體,空穴,硼原子,P 型半導體中空穴是多子，電子是少子,三、雜質(zhì)半導體的示意表示法,雜質(zhì)型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等,3.2 PN 結(jié),在同一片半導體基片上，分別制造P 型半導體和N 型半導體，經(jīng)過載流子的移動，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié),3.2.1 PN結(jié)的形成,濃度差,P型半導體,N型半導體,擴散運動,擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬,內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄,有何種影響,所以擴散和漂移這一對相反的

7、運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變,空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),電位V,V0,阻擋層,勢壘,耗盡層,1、空間電荷區(qū)中沒有載流子,2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動,3、P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小,注意,3.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區(qū)加正、N 區(qū)加負電壓,PN 結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區(qū)加負、N 區(qū)加正電壓,一、PN 結(jié)正向偏置,P,N,_,內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流

8、,PN結(jié)導通，電阻小,二、PN 結(jié)反向偏置,N,P,_,內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流,R,E,PN結(jié)截止，電阻大,三、PN結(jié)V-I特性的表達式 理論分析證明，流過PN結(jié)的電流iD與外加電壓vD之間的關(guān)系為 (3-2-3) 式中， IS為反向飽和電流，其大小與PN結(jié)的材料、制作工藝、溫度等有關(guān)； VT=kT/q，稱為溫度的電壓當量或熱電壓。在T=300K(室溫)時， VT =26mV。這是一個今后常用的參數(shù),圖311 PN結(jié)的伏安特性,由式(3-2-3)可知， 加正向電壓時，VD只要大于VT幾倍以上，iDIseVD/VT，即iD隨VD呈指

9、數(shù)規(guī)律變化； 加反向電壓時，|VD|只要大于VT幾倍以上，則iDIS(負號表示與正向參考電流方向相反)。 由式(3-2-3)可畫出PN結(jié)的伏安特性曲線，圖中還畫出了反向電壓大到一定值時，反向電流突然增大的情況,圖311 PN結(jié)的伏安特性,3-2-3,3.2.3 PN結(jié)的擊穿特性 由圖311看出，當反向電壓超過VBR后稍有增加時，反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿，并定義VBR為PN結(jié)的擊穿電壓。PN結(jié)發(fā)生反向擊穿的機理可以分為兩種,圖311 PN結(jié)的伏安特性,一、雪崩擊穿 在輕摻雜的PN結(jié)中，當外加反向電壓時，耗盡區(qū)較寬，少子漂移通過耗盡區(qū)時被加速，動能增大,當反向電壓大到一定值時，在

10、耗盡區(qū)內(nèi)被加速而獲得高能的少子，會與中性原子的價電子相碰撞，將其撞出共價鍵，產(chǎn)生電子、空穴對,新產(chǎn)生的電子、空穴被強電場加速后，又會撞出新的電子、空穴對,碰撞電離,倍增效應(yīng),二、齊納擊穿 在重摻雜的PN結(jié)中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強的電場。 當反向電壓大到一定值時，強電場足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產(chǎn)生大量電子、空穴對，使反向電流急劇增大。這種擊穿稱為齊納擊穿或場致?lián)舸?反向擊穿過程為電擊穿，過程可逆,熱擊穿過程不可逆,3.3 半導體二極管,3.3.1 基本結(jié)構(gòu),PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導體二極管,點接觸型,面接觸型,二極管的電路符號,3.

11、3.2 伏安特性,死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V,導通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V,反向擊穿電壓VBR,3.3.3 主要參數(shù),1. 最大整流電流 IF,二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流,2. 反向擊穿電壓VBR,二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓VWRM一般是VBR的一半,3. 反向電流 IR,指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比

12、硅管大幾十到幾百倍,以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護等等。下面介紹兩個交流參數(shù),3.3.4 二極管的等效電路 1）微變電阻 rD,vD,rD 是二極管特性曲線上工作點Q 附近電壓的變化與電流的變化之比,顯然，rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻,根據(jù)理論分析,二極管的電流與端電壓VD存在如下關(guān)系,2） 二極管的極間電容,二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD,勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容,擴散電容：為了形成正向電流（

13、擴散電流），注入P 區(qū)的少子（電子）在P 區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P 區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴散電容CD,CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，擴散電容可忽略,PN結(jié)高頻小信號時的等效電路,勢壘電容和擴散電容的綜合效應(yīng),3.4.2 晶體二極管模型 對電子線路進行定量分析時，電路中的實際器件必須用相應(yīng)的電路模型來等效，根據(jù)分析手段及要求的不同，器件模型將有所不同。例如，借助計算機輔助分析，則允許模型復(fù)雜，以保證分析結(jié)果盡可能精確。而在工程分析中，則力求模型簡單、實用，以突出電路的功能及主

14、要特性。下面我們將依據(jù)二極管的實際工作條件，引出工程上便于分析的二極管模型,3.4 二極管基本電路及其分析方法,二極管是一種非線性電阻(導)元件，在大信號工作時，其非線性主要表現(xiàn)為單向?qū)щ娦?，而導通后所呈現(xiàn)的非線性往往是次要的,二極管理想模型,理想二極管,vD0,vD0,應(yīng)用條件,電源電壓遠比二極管的管壓降大,二極管恒壓降模型,VD,理想二極管,vDVD,vDVD,應(yīng)用條件,二極管的電流iD近似等于或大于1mA,二極管管壓降,二極管折線近似及電路模型,vDVth,vDVth,Vth,理想二極管,二極管死區(qū)電壓,3.4.3 二極管基本應(yīng)用電路 利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，可實現(xiàn)整流、限幅及電平選擇

15、等功能。 一、二極管整流電路 把交流電變?yōu)橹绷麟姡Q為整流。一個簡單的二極管半波整流電路如圖317(a)所示。若二極管為理想二極管，當輸入一正弦波時，由圖可知：正半周時，二極管導通(相當開關(guān)閉合)，vo=vi；負半周時，二極管截止(相當開關(guān)打開)， vo =0。其輸入、輸出波形見圖317(b)。整流電路可用于信號檢測，也是直流電源的一個組成部分,圖317二極管半波整流電路及波形 (a)電路； (b)輸入、輸出波形關(guān)系,判斷原則：斷開二極管，判斷二極管兩端電壓,b,vi0,二極管截止,vi0,二極管導通,實際二極管整流特性,1V 1kHz,10kHz,100kHz,1MHz,100Hz,10Hz

16、,500mV,導通壓降,實際二極管整流特性,400mV,1KHz,300mV,1KHz,R,VDD,D,簡單二極管電路,習慣畫法,vD,0,1mA,vD,0.7V,vD,0,0.1mA,vD,0.7V,理想模型,恒壓降模型,折線模型,VDD=10V,VDD=1V,二、二極管限幅電路 限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的變化范圍加以限制的電路，常用于波形變換和整形。限幅電路的傳輸特性如圖318所示,圖318二極管上限幅電路及波形 (a)電路 (b)輸入、輸出波形關(guān)系,a,b,2.7V,2.7V,VD,2V,54,實際二極管限幅特性,1.5V 1kHz,500mV 1kHz,三、二極管開

17、關(guān)電路 在開關(guān)電路中，利用二極管的單向?qū)щ娦詠斫油ɑ驍嚅_電路，這在數(shù)字電路中得到廣泛的應(yīng)用。開關(guān)電路的傳輸特性如圖320所示,圖320二極管開關(guān)電路及波形 (a)電路； (b)輸入、輸出波形關(guān)系,a,t,t,t,b,v,o,V,0,3.7,v,1,V,3,0,v,2,V,3,0,0.7,vo=o,vo=VCC,vo=o,vo=o,3.5 特殊二極管,3.5.1 穩(wěn)壓管 3.5.2 變?nèi)荻O管 3.5.3 光電二極管 3.5.4 發(fā)光二極管,3.5.1 穩(wěn)壓二極管,V,IZ,穩(wěn)壓誤差,曲線越陡，電壓越穩(wěn)定,VZ,4）穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin,5）最大允許功耗,穩(wěn)壓二

18、極管的參數(shù),1）穩(wěn)定電壓 VZ,3）動態(tài)電阻,穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例,穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù),負載電阻,要求當輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動時，負載電壓基本不變,解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax,求：電阻R和輸入電壓 ui 的正常值,方程1,令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin,方程2,聯(lián)立方程1、2，可解得,一般來說，對硅材料的二極管，VBR7V時為雪崩擊穿，溫度系數(shù)為正值； VBR 5V時為齊納擊穿，溫度系數(shù)為負值； VBR介于57V時，兩種擊穿都有,3.5.2 變?nèi)荻O管 利用PN結(jié)的勢壘電容隨外加反向電壓的變化而變化的特性可制成變?nèi)荻O管,其符號及特性如圖所示。變?nèi)荻O管的容量很小,為皮法數(shù)量級,所以主要用于高頻場合下,例如電調(diào)諧、調(diào)頻信號的產(chǎn)生等,壓控振蕩器,3.5.3 光電二極管,反向電流隨光照強度的增加而上升,圖226 光電二極管的符號及特性 (a)符號;(b)光譜特性；(c)光照特性,3.5.4 發(fā)