晶體二極管工作原理及應(yīng)用電氣課件

電子技術(shù)基礎(chǔ)—模擬電子技術(shù)1課程的性質(zhì)與任務(wù)

性質(zhì)

普通高等院校電類專業(yè)的一門(mén)學(xué)科基礎(chǔ)課，為后繼專業(yè)課程學(xué)習(xí)以及電子技術(shù)在專業(yè)中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。任務(wù)

使學(xué)生掌握模擬電子技術(shù)方面的基本理論（電子電路的基本分析方法）、基本知識(shí)（常用電子器件和電子電路的性能以及主要應(yīng)用）和基本技能（電子測(cè)試技術(shù)、電子電路的分析計(jì)算能力和識(shí)圖能力）。2模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)電子器件及基本應(yīng)用第一章晶體二極管工作原理及應(yīng)用第二章晶體三極管及基本放大器第三章場(chǎng)效應(yīng)管及其應(yīng)用基本功能電路第四章負(fù)反饋放大器第五章振蕩電路第六章電流源電路第七章差分放大電路第八章功率放大電路模擬集成電路第九章運(yùn)算放大器第十章集成穩(wěn)壓電路第十一章在系統(tǒng)可編程模擬器件教材知識(shí)體系3

課程安排：

共計(jì)3學(xué)分，其中：理論課占2.5學(xué)分

實(shí)驗(yàn)課占0.5學(xué)分考核方法：

閉卷考試

總評(píng)成績(jī)=平時(shí)成績(jī)20%+實(shí)驗(yàn)成績(jī)10%+考試成績(jī)70%課程安排和考核方法

5第一章 晶體二極管工作原理及應(yīng)用1.1引言1.2半導(dǎo)體物理知識(shí)1.3PN結(jié)1.4實(shí)際二極管的伏安特性1.5二極管的模型、參數(shù)、分析方法及基本應(yīng)用1.6其它類型的二極管61.1引言P

N正極負(fù)極PN結(jié)外殼正極負(fù)極（a）二極管結(jié)構(gòu)示意圖（b）二極管的電路符號(hào)71.2.1概述導(dǎo)體：電阻率小于10-3Ω.cm，很容易導(dǎo)電，稱為導(dǎo)體.如銅、鋁、銀等金屬材料；絕緣體：電阻率大于109Ω.cm，很難導(dǎo)電，稱為絕緣體，如塑料、橡膠、陶瓷等材料；半導(dǎo)體：電阻率在10-3~109Ω.cm，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，例如硅(Si)和鍺(Ge)等半導(dǎo)體材料；9半導(dǎo)體材料制作電子器件的原因?不是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是在于半導(dǎo)體材料具有熱敏性、光敏性和摻雜性。10半導(dǎo)體材料制作電子器件的原因?1、熱敏性：是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而迅速增加，例如純凈鍺從20℃升高到30℃時(shí)，電阻率下降為原來(lái)的1/2；2、光敏性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著改變的特性；例如硫化鎘薄膜在暗處：電阻為幾十MΩ。光照：電阻下降為幾十KΩ3、摻雜性：是半導(dǎo)體導(dǎo)電能力因摻入適量的雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化，例如在半導(dǎo)體硅中，只要摻入億分之一的硼雜質(zhì)，電阻率下降到原來(lái)的幾萬(wàn)分之一，利用這一特性，可以制造出不同性能不同用途的半導(dǎo)體器件。111.2.2本征半導(dǎo)體1、本征半導(dǎo)體：純凈的半導(dǎo)體單晶。原子按一定的規(guī)則整齊排列、結(jié)構(gòu)完整。硅(鍺)的晶體結(jié)構(gòu)13+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵1.2.2本征半導(dǎo)體A．硅原子電子數(shù)為14，最外層電子為四個(gè)，是四價(jià)元素B、硅原子結(jié)合方式是共價(jià)鍵結(jié)合：(i)每個(gè)價(jià)電子都要受到相鄰兩個(gè)原子核的束縛;(ii)半導(dǎo)體的價(jià)電子既不象導(dǎo)體的價(jià)電子那樣容易掙脫成為自由電子，也不象絕緣體中被束縛，所以其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)—共價(jià)鍵結(jié)合，以硅原子（T=0K）為例。14+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵2、本征激發(fā)和兩種載流子空穴自由電子空穴A、本征激發(fā)—電子、空穴對(duì)的產(chǎn)生B、價(jià)電子填充空穴的運(yùn)動(dòng)C、空穴是可以移動(dòng)的，其實(shí)是共價(jià)鍵的電子依次填補(bǔ)空穴，形成空穴的移動(dòng)15例1.1.1計(jì)算在室溫270C（300K）時(shí)硅和鍺的本征載流子濃度。解：Si：Ge：結(jié)論：相同溫度下。Ge的導(dǎo)電能力比Si強(qiáng)。17本征激發(fā)小結(jié)本征半導(dǎo)體中的電子和空穴是成對(duì)產(chǎn)生的，因此本征半導(dǎo)體還是電中性的。自由電子在晶格中運(yùn)動(dòng)；空穴在共價(jià)鍵內(nèi)運(yùn)動(dòng)。溫度一定時(shí)激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即溫度一定時(shí)半導(dǎo)體材料中的載流子濃度是一定的。溫度升高時(shí)半導(dǎo)體材料中的載流子濃度就增大，導(dǎo)電能力增強(qiáng)。因此本征半導(dǎo)體可以制成熱敏元件或光敏元件。181.2.3雜質(zhì)半導(dǎo)體在室溫270C時(shí)，Si的本征載流子濃度為1.5×1010cm-3,原子密度為2.4×1022cm-3。只有三萬(wàn)億分一的原子由于本征激發(fā)產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)。結(jié)論：本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力很弱！為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，并且人為控制半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性，可以采用摻雜技術(shù)。摻雜：將半導(dǎo)體材料中摻入一定量的雜質(zhì)元素，這樣的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體可可分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體摻雜要求：1.雜質(zhì)元素的濃度要遠(yuǎn)大于本征載流子濃度；2.雜質(zhì)元素的濃度又要遠(yuǎn)小于材料的原子密度。

19A、在四價(jià)的本征硅中摻入微量的3價(jià)硼B(yǎng)、硼原子在共價(jià)鍵留下一個(gè)空位，相鄰硅原子中的價(jià)電子容易移過(guò)來(lái)填補(bǔ)個(gè)空位。硼原子接受一個(gè)電子，成為帶負(fù)電的離子，稱受主雜質(zhì)；在相鄰硅共價(jià)鍵中產(chǎn)生一個(gè)帶正電的空穴C、P型半導(dǎo)體中：空穴是多子；電子是少子D、整塊的半導(dǎo)體仍為中性+4+4+4+3+4+42、P型半導(dǎo)體（P-typeSemiconductor）硅原子硼原子空穴是多子電子是少子多子（空穴）濃度≈受主雜質(zhì)摻雜濃度根據(jù)半導(dǎo)體物理中的熱平衡條件：少子（自由電子）濃度：P型半導(dǎo)體簡(jiǎn)化模型多數(shù)載流子少數(shù)載流子21雜質(zhì)半導(dǎo)體小結(jié)雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩類：一類是N型半導(dǎo)體，另一類是P型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體摻雜濃度要遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)的本征載流子濃度，又要遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體的原子密度。本征半導(dǎo)體中摻入5價(jià)元素（施主雜質(zhì)）就形成N形半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體的多子是電子，少子是空穴；當(dāng)本征半導(dǎo)體中摻入3價(jià)元素（受主雜質(zhì)）就形成P型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體的多子是空穴，少子是電子。22雜質(zhì)半導(dǎo)體小結(jié)在一定的溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子濃度近似等于摻雜濃度，幾乎和溫度無(wú)關(guān)；少子濃度是對(duì)應(yīng)溫度下的本征載流子濃度的平方除以摻雜濃度，并隨溫度的升高而增加。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，本征載流子濃度可能會(huì)高于摻雜濃度，此時(shí)的半導(dǎo)體具有本征半導(dǎo)體的特性了。23I

IPIN空穴電流電子電流外電路電流本征半導(dǎo)體中載流子的飄移運(yùn)動(dòng)示意圖

半導(dǎo)體中兩種載流子：帶正電荷的空穴帶負(fù)電荷的自由電子外電場(chǎng)它們?cè)谕怆妶?chǎng)的作用下，會(huì)出現(xiàn)定向運(yùn)動(dòng)本征半導(dǎo)體1、載流子的漂移運(yùn)動(dòng)252、載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)N注入空穴擴(kuò)散電流261.3.2熱平衡情況下的PN結(jié)P型區(qū)N型區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)

PN結(jié)(2)隨著內(nèi)電場(chǎng)由弱到強(qiáng)的建立,少子漂移從無(wú)到有,逐漸加強(qiáng),而擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)逐漸減弱,形成平衡的PN結(jié)。(1)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空間電荷區(qū)建立內(nèi)電場(chǎng)1、PN結(jié)(PNJunction)的形成多子的擴(kuò)散多子的擴(kuò)散動(dòng)畫(huà)演示291.3.2熱平衡情況下的PN結(jié)2、內(nèi)建電位差或內(nèi)建電壓：熱平衡情況下，PN結(jié)的寬度一定，在PN結(jié)兩端存在的電壓。P型區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)

PN結(jié)溫度的電壓當(dāng)量。室溫下VT=26mV301.3.3PN結(jié)的伏安特性伏安特性：PN結(jié)的電流和加在它兩端的電壓的關(guān)系。1.PN結(jié)的正向特性(forwardbias外加正向電壓)2.PN結(jié)的反向特性(reversebias外加反向電壓)311、PN結(jié)的正向特性

P

N內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)正向電流IFIF=I多子I少子

I多子A、正向偏壓的接法：P區(qū)接高電位，N區(qū)接低電位B、正向偏壓削弱內(nèi)電場(chǎng)，有利多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使PN結(jié)空間電荷區(qū)變窄；C、正向偏壓時(shí)，PN結(jié)為導(dǎo)通狀態(tài)，外電路電流IF很大，PN結(jié)呈現(xiàn)的正向電阻很小限流電阻RUI多子PN結(jié)為導(dǎo)通狀態(tài)動(dòng)畫(huà)演示32D、反向偏壓PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)，外電路電流接近為O，PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很大

P

N內(nèi)電場(chǎng)IR=I少子

0反向電流IRA、反向偏壓的接法：P區(qū)接低電位，N區(qū)接高電位B、反向偏壓內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，不利多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成反向電流IR，IR很小，硅管為納安數(shù)量級(jí)，鍺管為微安數(shù)量級(jí)。限流電阻R外電場(chǎng)UI少子PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)2、PN結(jié)的反向特性C、反向偏壓，使PN結(jié)空間電荷區(qū)變寬。D、反向偏壓PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)，外電路電流接近為O，PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很大333、PN結(jié)的伏安特性表達(dá)式PN結(jié)的反向飽和電流(1)當(dāng)所加正向電壓V遠(yuǎn)大于VT（>0.1V）時(shí)，(2)當(dāng)所加正向電壓V遠(yuǎn)小于VT（<-0.1V）時(shí)，34IS擊穿電壓UBRPN結(jié)的伏安特性硅PN結(jié)4、PN結(jié)的擊穿硅PN結(jié)鍺PN結(jié)死區(qū)電壓IF/mA正向電流104030200.20.60.41.00.8UF/VUR/VIR/A反向電流反向電壓正向電壓A、正向特性—加正向偏壓UFA、UF較小時(shí)，IF較小B、UF大于死區(qū)電壓時(shí)，IF迅速增加，并按指數(shù)規(guī)律上升。如圖中A段所示C、當(dāng)正向電流變化很大時(shí)，PN結(jié)兩端電壓幾乎不變，硅PN結(jié)約0.6~0.7V，鍺PN結(jié)約0.2~0.3V，分別作為正向工作時(shí)兩端直流壓降的估算值。B、反向特性——加反向偏壓URA、反向電流IR是少子漂移運(yùn)動(dòng)引起，所以數(shù)量小，幾乎不變，又稱為反向飽和電流IS。B、當(dāng)溫度升高，IS增加C、硅PN結(jié)IS小于1uA，鍺PN結(jié)為幾十到幾百uA。C、擊穿特性——當(dāng)UR繼續(xù)增大，并超過(guò)某一個(gè)特定電壓值時(shí)，IR將急劇增大，這種現(xiàn)象稱為擊穿，這時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓叫擊穿電壓UBR。鍺PN結(jié)351、反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿2、反向擊穿原因：

齊納擊穿：(Zener)反向電場(chǎng)太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。

(擊穿電壓

<6V，負(fù)溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場(chǎng)使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增?！狿N結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)?！狿N結(jié)燒毀。(擊穿電壓

>6V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在

6V左右時(shí)，溫度系數(shù)趨近零。第1章半導(dǎo)體二極管4、PN結(jié)的擊穿36IF/mA0.20.60.40.8UF/VT升高時(shí)，Uth以(22.5)mV/C

下降,輸入曲線左移當(dāng)溫度升高10C時(shí)，Is增加一倍IR/AUth半導(dǎo)體具有熱敏性，溫度變化,使二極管參數(shù)發(fā)生變化，使二極管工作不穩(wěn)定。IF/A5、PN結(jié)的溫度特性371.3.4PN結(jié)的電容特性若PN結(jié)兩端加上隨時(shí)間變化的電壓時(shí)，PN結(jié)還會(huì)顯示出電容特性，PN結(jié)電容有兩種類型：一種稱為勢(shì)壘電容，用CB表示；另一種稱為擴(kuò)散電容，用CD表示。38PN結(jié)小結(jié)當(dāng)溫度一定時(shí)，PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡，多子的擴(kuò)散等于少子的漂移數(shù)量，因此空間電荷區(qū)寬度一定，內(nèi)建電位差為一個(gè)定值，當(dāng)溫度升高時(shí)，VB下降。PN結(jié)的伏安特性是非線性的，它的表達(dá)式為：PN結(jié)加正向電壓時(shí)，IF和V近似成指數(shù)關(guān)系PN結(jié)加反向電壓時(shí)，反向電流和反向電壓無(wú)關(guān)。當(dāng)PN上的反響電壓大于VBR時(shí)，PN結(jié)擊穿。PN結(jié)的擊穿特性可以用來(lái)穩(wěn)壓。39PN結(jié)小結(jié)當(dāng)溫度升高時(shí)，PN結(jié)伏安特性曲線的正向特性向左移；反向飽和電流IS增大；擊穿電壓VBR可能是負(fù)溫度系數(shù)（對(duì)應(yīng)齊納擊穿），也可能是正溫度系數(shù)（對(duì)應(yīng)雪崩擊穿）。PN電容Cj=CB+CD，當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，以擴(kuò)散電容CD為主，即Cj≈CD；當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，以勢(shì)壘電容CB為主，即Cj=CB。

401.4實(shí)際二極管的伏安特性IF/mA正向電流104030200.20.60.41.00.8UF/VUR/VIR/A反向電流反向電壓正向電壓IS擊穿電壓UBR411.5二極管的模型、參數(shù)、分析方法及基本應(yīng)用1.5.1概述1.5.2二極管的開(kāi)關(guān)模型及應(yīng)用1.5.3二極管的恒壓模型及應(yīng)用1.5.4二極管的小信號(hào)模型1.5.5二極管電路的分析方法1.5.6二極管的主要參數(shù)421.5.1緒論ivQ1Q2V1I1V2I2直流電阻：交流電阻：431、UD≥0時(shí)，二極管正向?qū)?，管壓降?，即UF=0，視二極管為短路；2、UD＜0時(shí)，二極管反向截止，電流為0，即IF=0，視二極管為開(kāi)路。UFIF二極管的開(kāi)關(guān)模型1.5.2二極管的開(kāi)關(guān)模型及應(yīng)用導(dǎo)通截止441、UD≥0.7V時(shí)，二極管正向?qū)?，管壓降?.7V，即UF=0.7V，視二極管為短路；2、UD＜0.7時(shí)，二極管反向截止，電流為0，即IF=0，視二極管為開(kāi)路。UFIF二極管的恒壓模型1.5.2二極管的恒壓模型及應(yīng)用導(dǎo)通截止45

二極管電路分析舉例

定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開(kāi)，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽(yáng)>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽(yáng)<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開(kāi)。46電路如圖，求：UABV陽(yáng)=－6VV陰=－12VV陽(yáng)>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–47兩個(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。V1陽(yáng)=－6V，V2陽(yáng)=0V，V1陰=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過(guò)D2

的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–48ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開(kāi)路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫(huà)出uo

波形。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開(kāi)關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)取i18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––491、整流應(yīng)用利用二極管單向?qū)щ娦园汛笮『头较蚨甲兓恼医涣麟娮優(yōu)閱蜗蛎}動(dòng)的直流電。2、限幅應(yīng)用利用二極管單向?qū)裕瑢⑤敵鲭妷合薅ㄔ谝蟮姆秶畠?nèi)，稱為限幅。二極管的應(yīng)用50UiUott截止導(dǎo)通UiUoVDRL(a)二極管整流電路;(b)輸入與輸出波形1、整流應(yīng)用51導(dǎo)通截止導(dǎo)通截止2、限幅的應(yīng)用uouit-3t+3-5uo/vui/v+5E1

3v3v

E2（a