模擬電子技術基礎第三章二極管及其基本電路演示文稿

模擬電子技術基礎第三章二極管及其基本電路演示文稿當前第1頁\共有62頁\編于星期一\4點（優(yōu)選）模擬電子技術基礎第三章二極管及其基本電路當前第2頁\共有62頁\編于星期一\4點3.1.1半導體材料

根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。當前第3頁\共有62頁\編于星期一\4點3.1.2半導體的共價鍵結構硅和鍺的原子結構簡化模型及晶體結構當前第4頁\共有62頁\編于星期一\4點3.1.3本征半導體、空穴及其導電作用本征半導體——化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產生空穴－電子對當前第5頁\共有62頁\編于星期一\4點電子-空穴對

當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現正電性的這個空位為空穴。

這一現象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)?？昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次填充空穴來實現的。當前第6頁\共有62頁\編于星期一\4點3.1.4雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。N型半導體——摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。

P型半導體——摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。當前第7頁\共有62頁\編于星期一\4點1.N型半導體

因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子，由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。當前第8頁\共有62頁\編于星期一\4點2.P型半導體

因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

在P型半導體中空穴是多數載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。當前第9頁\共有62頁\編于星期一\4點3.雜質對半導體導電性的影響

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:3以上三個濃度基本上依次相差約106/cm3

。

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

4.96×1022/cm3

當前第10頁\共有62頁\編于星期一\4點

本征半導體、雜質半導體

本節(jié)中的有關概念

自由電子、空穴N型半導體、P型半導體

多數載流子、少數載流子

施主雜質、受主雜質當前第11頁\共有62頁\編于星期一\4點3.2PN結的形成及特性

PN結的形成

PN結的單向導電性

PN結的反向擊穿

PN結的電容效應

載流子的漂移與擴散當前第12頁\共有62頁\編于星期一\4點3.2.1載流子的漂移與擴散漂移運動：由電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。當前第13頁\共有62頁\編于星期一\4點

在一塊本征半導體兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū)3.2.2PN結的形成當前第14頁\共有62頁\編于星期一\4點當前第15頁\共有62頁\編于星期一\4點

對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。當前第16頁\共有62頁\編于星期一\4點3.2.3PN結的單向導電性

當外加電壓使PN結中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；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結加正向電壓時

低電阻

大的正向擴散電流當前第17頁\共有62頁\編于星期一\4點

(2)PN結加反向電壓時

高電阻很小的反向漂移電流

在一定的溫度條件下，由本征激發(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，這個電流也稱為反向飽和電流。當前第18頁\共有62頁\編于星期一\4點

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；

PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。當前第19頁\共有62頁\編于星期一\4點

(3)PN結V-I特性表達式其中PN結的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）當前第20頁\共有62頁\編于星期一\4點3.2.4PN結的反向擊穿

當PN結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆當前第21頁\共有62頁\編于星期一\4點3.2.5PN結的電容效應(1)擴散電容CD擴散電容示意圖外加電壓變化擴散到對方區(qū)域在靠近PN結附近累積的載流子濃度發(fā)生變化等效于電容充放電當前第22頁\共有62頁\編于星期一\4點

(2)勢壘電容CB外加電壓變化離子層厚薄變化等效于電容充放電當前第23頁\共有62頁\編于星期一\4點3.3二極管

二極管的結構

二極管的伏安特性

二極管的主要參數當前第24頁\共有62頁\編于星期一\4點3.3.1二極管的結構

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型兩大類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結構示意圖PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。當前第25頁\共有62頁\編于星期一\4點（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號

(2)面接觸型二極管PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型當前第26頁\共有62頁\編于星期一\4點3.3.2二極管的V-I特性二極管的V-I特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性當前第27頁\共有62頁\編于星期一\4點3.3.3二極管的主要參數(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR(3)反向電流IR(6)極間電容Cd（CB、CD）(7)反向恢復時間TRR(4)

正向壓降VF(5)動態(tài)電阻rd當前第28頁\共有62頁\編于星期一\4點

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR———和最大反向工作電壓VRM

二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。

為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。

(3)反向電流IR

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。當前第29頁\共有62頁\編于星期一\4點

(4)正向壓降VF(5)動態(tài)電阻rd

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0.5～0.8V；鍺二極管約0.1～0.3V。

反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數。顯然，rd與工作電流的大小有關，即

rd=VF/IF當前第30頁\共有62頁\編于星期一\4點半導體二極管圖片當前第31頁\共有62頁\編于星期一\4點半導體二極管圖片當前第32頁\共有62頁\編于星期一\4點3.4

二極管的基本電路及其分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管電路的簡化模型分析方法當前第33頁\共有62頁\編于星期一\4點3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。當前第34頁\共有62頁\編于星期一\4點例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線

Q的坐標值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點當前第35頁\共有62頁\編于星期一\4點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模

將指數模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型

（a）V-I特性（b）代表符號（c）正向偏置時的電路模型（d）反向偏置時的電路模型當前第36頁\共有62頁\編于星期一\4點（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型=0.5vvD=Vth+rDiD當前第37頁\共有62頁\編于星期一\4點（4）小信號模型vs=0時,Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時（Vm<<VDD）,將Q點附近小范圍內的V-I特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。當前第38頁\共有62頁\編于星期一\4點

過Q點的切線可以等效成一個微變電阻即根據得Q點處的微變電導常溫下（T=300K）則（a）V-I特性（b）電路模型

特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點Q有關。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。

當前第39頁\共有62頁\編于星期一\4點2．模型分析法應用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vO的波形當前第40頁\共有62頁\編于星期一\4點當前第41頁\共有62頁\編于星期一\4點（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）

當VDD=10V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設當VDD=1V時,分析方法同上（a）簡單二極管電路（b）習慣畫法

當前第42頁\共有62頁\編于星期一\4點（3）限幅電路

電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當vI=6sintV時，繪出相應的輸出電壓vO的波形。

當前第43頁\共有62頁\編于星期一\4點

雙向限幅電路當前第44頁\共有62頁\編于星期一\4點

例：

電路如圖，二極管為硅二極管，VD=0.7V，vs=VmsintV，且Vm>>VD

，繪出相應的輸出電壓vO的波形。

vs的負半周，D導通，C充電，但無放電回路，最后（穩(wěn)態(tài)）VC=Vm-VD=Vm–0.7V（Vm是振幅值）此后輸出電壓為vO=vs+VC=vs+Vm-

0.7V

將輸入波形的底部鉗位在了-0.7V的直流電平上。若顛倒二極管的方向，vO的波形將怎樣變化？當前第45頁\共有62頁\編于星期一\4點在開關電路中，判斷二極管是導通的還是截止的方法如下：

對于單只二極管而言，首先將二極管斷開，進行計算VP、VN的電壓值，若VP＞VN，則二極管是導通的；若VP＜VN，則二極管是截止的。

對于并聯二極管而言，首先將二極管斷開，分別進行計算VPi、VNi的電壓值，max(VPi、VNi)并且大于0，則正向電壓值大的二極管先導通，余下的被鉗位。

導通管的壓降看做常值（硅0.7V，鍺0.2V）或0V（理想二極管）；截止管所在支路看做斷開，電路中所有二極管判明后，進一步計算所要求的各物理量。（4）開關電路當前第46頁\共有62頁\編于星期一\4點電路如圖所示，求AO的電壓值解：

先斷開D，以O為基準電位，即O點為0V。

則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向導通。導通后，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。例:當前第47頁\共有62頁\編于星期一\4點例：理想二極管，求VAO解：(c)

VPN1=12V,VPN2=－3V,則D1導通，D2截止。VAO=0V。

(d)

VPN1=12V,VPN2=18V,則D2先導通，D2導通以后，VAO=－6V，此時D1處于截止狀態(tài)。當前第48頁\共有62頁\編于星期一\4點例：判斷D導通還是截止？解：當前第49頁\共有62頁\編于星期一\4點例：理想模型輸入電壓為0V或5V求輸入值的不同組合下，輸出電壓值。當前第50頁\共有62頁\編于星期一\4點(5）小信號工作情況分析圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。

直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。當前第51頁\共有62頁\編于星期一\4點例：VI正常值為10V，R=10KΩ，求VI變化±1V時，相應的輸出電壓的變動。解：當前第52頁\共有62頁\編于星期一\4點3.5特殊二極管

齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)

變容二極管

肖特基二極管

光電子器件當前第53頁\共有62頁\編于星期一\4點3.5.1齊納二極管1.符號及穩(wěn)壓特性

利用二極管反向擊穿特性實現穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。(a)符號(b)伏安特性(c)應用電路(b)(a)(c)當前第54頁\共有62頁\編于星期一\4點(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動態(tài)電阻rZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數——VZ2.穩(wěn)壓二極管