模擬第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用

1、模擬第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 一、半導(dǎo)體： 導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。 單質(zhì)半導(dǎo)體：碳(C)、硅(Si)、鍺(Ge) 化合物半導(dǎo)體：磷化鎵、砷化鎵、磷砷化鎵等本征半導(dǎo)體：99.9999999% 純度的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體 “九個(gè)九”物質(zhì)按照其原子排列特點(diǎn)可分為：（晶體：原子、分子完全按照嚴(yán)格的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)稱為晶體，原子呈無序排列的叫做非晶體，介于這兩者之間的叫做準(zhǔn)晶體。） 晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點(diǎn)陣，稱為晶格。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用主要材料是硅和鍺2化學(xué)元素周期表3鉆石結(jié)構(gòu)從本征Si結(jié)構(gòu)上分析其導(dǎo)電性硅晶體的立體結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵（Cova

2、lence Bond）4在本征半導(dǎo)體中，由于晶體中共價(jià)鍵的結(jié)合力很強(qiáng)，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)在熱力學(xué)溫度零度（即T = 0 K ）時(shí)，價(jià)電子的能量不足以掙脫共價(jià)鍵的束縛，晶體中不存在能夠?qū)щ姷妮d流子，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電，如同絕緣體一樣。5圖1.1.1 本征半導(dǎo)體平面結(jié)構(gòu)示意圖6本征激發(fā)和復(fù)合的過程7本征半導(dǎo)體的激發(fā)與復(fù)合激發(fā)：半導(dǎo)體受外界因素(例如溫度、光照、電場等)的影響， 產(chǎn)生“電子空穴對”的過程。復(fù)合：電子空穴對消失的過程。特點(diǎn)：a. 激發(fā)形成兩種載流子：自由電子與空穴。b. 自由電子數(shù) = 空穴數(shù)。c. 兩種載流子參加導(dǎo)電。d. 導(dǎo)電性能與激發(fā)因素(溫度、光照）有很大關(guān)系。8圖1.1.3 N型半導(dǎo)體

3、二、雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的可控性通過擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素,得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入5價(jià)P元素，形成N型半導(dǎo)體。特點(diǎn)：自由電子的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的數(shù)目，稱為多子；空穴稱為少子。9在本征半導(dǎo)體中摻入3價(jià)B元素，形成P型半導(dǎo)體。特點(diǎn)：空穴的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子的數(shù)目，稱為多子；自由電子稱為少子。P型半導(dǎo)體圖1.1.4 P型半導(dǎo)體10在雜質(zhì)半導(dǎo)體中：雜質(zhì)濃度不應(yīng)破壞半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)，多數(shù)載流子的濃度主要取決于摻入雜質(zhì)的濃度；而少數(shù)載流子的濃度主要取決于溫度。雜質(zhì)半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)：摻入不同性質(zhì)、不同濃度的雜質(zhì)，可控制它的導(dǎo)電性能。另外光照、溫度等外界因素也可以改變

4、其導(dǎo)電性能。這就是為什么選半導(dǎo)體作為制作晶體管材料的原因?？偨Y(jié)11 硅多用于制造敏感元件，例如光敏電阻、熱敏電阻等，可以把非電物理量（例如光照強(qiáng)度、溫度）轉(zhuǎn)換為電量（例如電阻、電壓、電流）。光敏電阻的應(yīng)用舉例傻瓜相機(jī)12小 結(jié) 本講主要介紹了下列半導(dǎo)體的基本概念： 本征半導(dǎo)體 激發(fā)、復(fù)合、空穴、載流子 雜質(zhì)半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體131.1.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦砸弧?PN結(jié)的形成二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?4一、 PN結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程: 因濃度差 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由

5、雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散 15 最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對于 P型半導(dǎo)體和N型 半導(dǎo)體結(jié)合面， 離子薄層形成的 空間電荷區(qū)稱為 PN結(jié)。在空間電 荷區(qū)，由于缺少 多子，所以也稱 耗盡層。 圖01.06 PN結(jié)的形成過程 （動(dòng)畫1-1） PN 結(jié)形成的過程可參閱右圖16二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?如果外加電壓使PN結(jié)中： P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏； P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。 17、 PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場

6、方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)導(dǎo)通呈現(xiàn)低阻性。 PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如下圖所示。 （動(dòng)畫1-2）PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況18 、 PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)截止呈現(xiàn)高電阻性。 PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如下頁圖所示。PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 在一定的溫度條件下，由本

7、征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。 19 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。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦浴?（動(dòng)畫1-3）PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況20PN結(jié)單向?qū)щ娦缘奶攸c(diǎn)正向?qū)ā⒎聪蚪刂?；正向電阻小、反向電阻大；正向電流大、反向電流?。?導(dǎo)通電壓Von硅材料為0.60.8V左右；鍺材料為0.20.3V左右。211.2 半導(dǎo)體二極管二極管的結(jié)構(gòu)類型二極管的伏安特性1.2.3 二極管的參數(shù)1.2.4 二極管的應(yīng)用22

8、二極管實(shí)物照片1.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)類型二極管形成 在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管23(1) 點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，只允許流過幾十毫安電流，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型 二極管按材料分：硅二極管和鍺二極管。按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。二極管分類24(c)平面型(3) 平面型二極管 往往用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。電流較大。(2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。電流可達(dá)幾安到幾十安。(b)面接觸型(d)二極管的符號k陰極陽極a(4) 二極管的符

9、號二極管的結(jié)構(gòu)示意圖25302010I/mAUD/V0.5 1.0 1.5 20 1024-I/O正向特性反向特性+-UDI1.2.2 二極管的伏安特性及等效電路一、二極管的伏安特性圖1.2.2二極管的伏安特性26當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓后，二極管導(dǎo)通,電流與電壓關(guān)系近似指數(shù)關(guān)系。硅二極管為0.7 V左右鍺二極管為0.2 V左右死區(qū)電壓正向特性0.5 1.0 1.5102030U/VI/mA0 二極管正向特性曲線硅二極管為0.5 V左右鍺二極管為0.1 V左右死區(qū)電壓：導(dǎo)通壓降： 正向特性27IS反向特性UBR結(jié)論：二極管具有單向?qū)щ娦?，正向?qū)ǎ聪蚪刂?。二極管方程：反向飽和電流反向擊穿電壓若

10、|U| UT則 I - IS 式中： IS為反向飽和電流 UT 是溫度電壓當(dāng)量， 常溫下UT近似為26mV。 反向特性-2-4-I/AI/mAU/V-20 -100若U UT 則反偏時(shí)，反向電流值很小，反向電阻很大，反向電壓超過UBR則被擊穿。28思考題 是否允許將1.5V的干電池以正向接法接至二極管的兩端？為什么？答：不允許。這將導(dǎo)致二極管燒毀或電池短路損壞。 由PN結(jié)伏安特性式計(jì)算可知：當(dāng) UD=1.5V 時(shí)， ID IS1.141025（A）這時(shí)，即使IS很小，例如 nA 數(shù)量級（10-9 A），有： ID 10-9 1.141025 = 1.141016 （A）根據(jù)計(jì)算，干電池輸出功率

11、將達(dá)到： P = UI = 1.5V 1.141016 （A）=1.711016 （W）= 1.71 億億 （W） 這顯然是不可能的。后果必然是：或者燒毀二極管，或者使電池短路損壞。因此應(yīng)禁止將二極管直接與電池相連。29（1）理想模型圖1.2.3（a） 二極管的理想等效模型二、二極管的等效電路一、由伏安特性線性化得到的等效模型電路(a) uD 0，二極管導(dǎo)通；u D 0.7 V，二極管導(dǎo)通；uD 0.7 V，二極管截止。311.2.3 二極管的參數(shù) (1) 最大整流電流IF二極管長期連續(xù)工作時(shí)，允許通過二極管的最大正向電流的平均值。(2) 反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VR 二極管反向電

12、流急劇增加時(shí)對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。 為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓VR一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。 (3) 反向電流IR (4) 正向壓降VF 在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。 在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.60.8V；鍺二極管約0.20.3V。32(5)*最高工作頻率fM ：如何用萬用表的“”檔來辨別一只二極管的陽極、陰極以及二極管的好壞？思考題33半導(dǎo)體二極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉

13、例如下：34例1.2.1已知uI = Umsin t ，畫出uO和uD的波形VDR+-+-uIuO+-uDiOUmtuoOtuDOuI0 時(shí)二極管導(dǎo)通，uO = uI uD = 0uI 0 時(shí)二極管截止，uD = uI uO = 0-UmioUmtuIO1.2.4二極管的應(yīng)用（整流、限幅、開關(guān)）（1）二極管整流電路35VVDVSVVDVS正向偏置，相當(dāng)于開關(guān)閉合。反向偏置，相當(dāng)于開關(guān)斷開。（2） 二極管開關(guān)電路36（3）二極管限幅電路ID+vo-R 10K+vi 例1.2.2 電路圖VREF 例1.2.2 如圖1.2.10 所示電路。試畫出VREF分別為0、5V時(shí)的波形。其中vi=10sint

14、V。37（1）穩(wěn)壓二極管的伏安特性 穩(wěn)定電壓VZ 穩(wěn)定電流IZ（ IZmin 、IZmax ） 額定功耗PZM 動(dòng)態(tài)電阻rZ 溫度系數(shù)圖1.3.1 穩(wěn)壓管的 伏安特性（2）穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) 利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。其伏安特性如圖1.3.1所示。1.3 .1穩(wěn)壓二極管1.3 特殊用途二極管38穩(wěn)定電壓UZ ：穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū) 時(shí)的工作電壓。2. 穩(wěn)定電流IZ ：穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的參考電流。3. 動(dòng)態(tài)內(nèi)阻rZ ：穩(wěn)壓管兩端電壓和電流的變化量之比。 rZ= U / I4. 電壓的溫度系數(shù)U：穩(wěn)壓管電流不變時(shí)，環(huán)境溫度對穩(wěn)定電壓的影響。5. 額定

15、功耗PZ ：電流流過穩(wěn)壓管時(shí)消耗的功率。39使用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時(shí)的注意事項(xiàng)：UORLVDZRUIIRIOIZ+- 穩(wěn)壓管電路穩(wěn)壓管必須工作在反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載RL并聯(lián)。必須串聯(lián)一電阻進(jìn)行限流，以保護(hù)穩(wěn)壓管。工作原理：當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。40圖1.3.2 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 例131* 在圖1211所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz=6V，最小穩(wěn)定電流Izm=5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax=25mA；負(fù)載電阻RL=600。求解限流電阻R的取值范圍。（3）穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路41解：從圖

16、1.2.11所示電路可知，R上電流IR等于穩(wěn)壓管中電流IDZ 和負(fù)載電流IL之和，即 :IDZ=525mA限流電阻R的取值范圍為114227。42例 電路如圖所示，已知UImax= 15V， UImin= 10VIZmax= 50mA， IZmin= 5mA，RLmax= 1k，RLmin= 600UZ= 6V, 對應(yīng)UZ= 0.3V。求rZ ，選擇限流電阻RUORLVDZRUIIRIOIZ+-+-UZ43解：IZ =IR - IO=UI - UZR-UZRLIZmax UImax - UZR-UZRLmaxIZmin UImin - UZR-UZRLminrZ =IZUZ= 6.715 -

17、650 +61k=161R R10 - 65 +60.6k=267IZ = IZmax - IZmin = 45 mAUORLVDZRUIIRIOIZ+-+-UZ44 例:設(shè)計(jì)如圖所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，已知VO=6V， 輸入電壓VI 波動(dòng)10%， RLmin=1k。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路解：（1）選擇DZ ：查手冊，選擇DZ 為2CW13，VZ =(56.5V) ， IZmax=38mA, IZmin=5mA45（2）選擇限流電阻R：46其它類型二極管發(fā)光二極管LED發(fā)光二極管包括可見光、不可見光、激光等不同類型，這里只對可見光發(fā)光二極管做一簡單介紹。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色決定于所用材料，目前有紅、綠、黃、橙等可以制成各種形狀，如長方形，圓形。開啟電壓比普通二極管的大，工作電壓一般在1.52.5V之間，工作電流在530mA之間，電流越大，發(fā)光越強(qiáng)。發(fā)光二極管的開啟電壓圖1.3.3 發(fā)光二極管紅光：1.61.8V綠光： 1.82.0V黃光： 1.61.8V藍(lán)光： 2.22.5V白光： 2.22.5V 發(fā)光二極管因其驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于顯示電路之中。 47 外加反向電壓，無光照時(shí)的反向電流稱之為暗