第二章二極管及基本電路

第二章二極管及基本電路1第一頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四§2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。第二頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)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(diǎn)。比如：當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。第三頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四2.本征半導(dǎo)體現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。GeSi第四頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。第五頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)第六頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4第七頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4第八頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。第九頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四+4+4+4+4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理自由電子空穴束縛電子第十頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。第十一頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。第十二頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四3.雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。使自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體（電子半導(dǎo)體），使空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體（空穴半導(dǎo)體）。第十三頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷（或銻），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。第十四頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四+4+4+5+4N型半導(dǎo)體多余電子磷原子第十五頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體中的載流子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(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。3、摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。？第十六頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。第十七頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四+4+4+3+4空穴P型半導(dǎo)體硼原子第十八頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體第十九頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四總結(jié)1、N型半導(dǎo)體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，本征半導(dǎo)體中受激產(chǎn)生的電子只占少數(shù)。N型半導(dǎo)體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。2、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。第二十頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四§2.2PN結(jié)的形成及特性1.PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。第二十一頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)第二十二頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)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(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。第二十三頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體PN結(jié)處載流子的運(yùn)動(dòng)所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第二十四頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0第二十五頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四請(qǐng)注意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(chǎng)阻礙P中的空穴、N中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3、P中的電子和N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。第二十六頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N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(fù)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(fù)、N區(qū)加正電壓。第二十七頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四PN結(jié)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變薄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。VFIF第二十八頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。VRIR第二十九頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四iD/mAvD/V00.51.0-0.5-1.01.00.5硅二極管PN結(jié)V-I特性PN結(jié)V-I特性的表達(dá)式IS：反相飽和電流，其值很??；VT：溫度的電壓當(dāng)量，為26mV;第三十頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四vDiDVBRPN結(jié)的反相擊穿當(dāng)PN結(jié)兩端反相電壓增大到一定值（VBR）時(shí)，反相電流突然增大，這個(gè)現(xiàn)象稱為反相擊穿。0產(chǎn)生反相擊穿的原因：在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下大大增加了自由電子和空穴的數(shù)目，引起反相電流劇增。兩種反相擊穿現(xiàn)象：雪崩擊穿、齊納擊穿。第三十一頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四§2.3半導(dǎo)體二極管1.基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型第三十二頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四PN結(jié)面接觸型PNak陽極陰極第三十三頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四2、二極管的V-I特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)正向特性反向特性反向擊穿特性第三十四頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四3.二極管參數(shù)最大整流電流IF二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。反向擊穿電壓VBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)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(cè)上給出的最高反向工作電壓VWRM一般是VBR的一半。第三十五頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四反向電流IR指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)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娦园ㄕ?、限幅、保護(hù)等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。第三十六頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四微變電阻rDiDvDIDVDQiDvDrD是二極管特性曲線工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化量的電阻。第三十七頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四二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(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢(shì)壘電容。第三十八頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四為了形成正向電流（擴(kuò)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。P+-N這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。第三十九頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四CB在正向和反向偏置時(shí)均不能忽略。而反向偏置時(shí)，載流子很少，擴(kuò)散電容可忽略。PN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)rd第四十頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四§2.4二極管基本電路及其分析方法1.二極管正向V-I特性的建模（1）理想模型正向偏置時(shí)，其管壓降為0；反相偏置時(shí)，認(rèn)為電阻無窮大，電流為0。0iDvDvD+-iD第四十一頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四（2）恒壓降模型0iDvDvD+-iD當(dāng)二極管導(dǎo)通后，認(rèn)為其管壓降是恒定的，且不隨電流而變。硅管為0.6~0.7V,鍺管為0.2~0.3V。第四十二頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四（3）折線模型0iDvDvD+-iDVthrD二極管的管壓降不是恒定的，是隨其電流iD的增加而增加，在模型用一個(gè)電池和一個(gè)電阻來近似。第四十三頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四（4）小信號(hào)模型0iDvDvDiD+-rDQVDIDiDvD第四十四頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四2.模型分析法應(yīng)用舉例（1）二極管電路的靜態(tài)工作情況分析例二極管基本電路如圖（a）,習(xí)慣畫法如圖（b），R=10k,對(duì)于下列兩種情況，求電路的ID和VD的值：（1）VDD=10V;（2）VDD=1V第四十五頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四iDVDDR+-vD-vD+線性部分非線性部分如圖（a）二極管基本電路圖（b）習(xí)慣畫法VDD=10V第四十六頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四iDVDDR+-vD-vD+線性部分非線性部分如圖（a）二極管基本電路圖（b）習(xí)慣畫法VDD=10V第四十七頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四iDVDDR+-vD-vD+線性部分非線性部分如圖（a）二極管基本電路圖（b）習(xí)慣畫法VDD=10V第四十八頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四iDVDDR+-vD-vD+線性部分非線性部分如圖（a）二極管基本電路圖（b）習(xí)慣畫法VDD=1V第四十九頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四iDVDDR+-vD-vD+線性部分非線性部分如圖（a）二極管基本電路圖（b）習(xí)慣畫法VDD=1V第五十頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四iDVDDR+-vD-vD+線性部分非線性部分如圖（a）二極管基本電路圖（b）習(xí)慣畫法VDD=1V第五十一頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四結(jié)論：當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)大于二極管管壓降時(shí)，可采用恒壓降模型；當(dāng)電源電壓較低時(shí)，可采用折線模型。第五十二頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四（2）限幅電路在電子技術(shù)中,常用限幅電路對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行處理.它是用來讓信號(hào)在預(yù)置的電平范圍內(nèi),有選擇地傳輸一部分.第五十三頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四例：一限幅電路如圖（a），R=1k，VREF=3V解：因輸入電壓不高，且參考電壓VREF=3V，故作用于二極管兩端的電壓不高，選折線法。D-vI+-R+vOVREF（a）VthrDVREFRvIvO+-+-D（b）vI=0V、4V、6V時(shí)，求相應(yīng)的vO值。第五十四頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四D-vI+-R+vOVREF（a）VthrDVREFRvIvO+-+-D（b）第五十五頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四v1=6sintV時(shí)，繪出相應(yīng)的v0波形。解：先利用（1）中所得結(jié)果，作出vI-vO傳輸特性；在通過傳輸特性作出輸出電壓vO的波形。斜率=19360396vO/VvI/V936vO/VvI>(VREF+Vth)時(shí)vI<(VREF+Vth)時(shí)第五十六頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四（3）開關(guān)電路在開關(guān)電路中,利用二極管的單向?qū)щ娦砸越油ɑ驍嚅_電路,在數(shù)字電路中應(yīng)用很廣.第五十七頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四例：一二極管開關(guān)電路如圖.當(dāng) vI1和vI2為0V或5V時(shí)，求vI1和vI2的值不同組合情況下，輸出電壓vO的值。設(shè)二極管是理想的。（a）4.7kvOvI1VCC5VD1D2vI2D1++--D2vI1vI2VCC5V4.7k（b）第五十八頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四（a）4.7kvOvI1VCC5VD1D2vI2D1++--D2vI1vI2VCC5V4.7k（b）分析方法：判斷電路中二極管處于導(dǎo)通還是截止?fàn)顟B(tài)，可先將二極管斷開，然后觀察（或經(jīng)過計(jì)算）陰、陽極間是正向電壓還是反向電壓，從而得出是導(dǎo)通還是截止。第五十九頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四解：（1）當(dāng)vI1=0V、vI2=5V時(shí)，D1為正向偏置，vO=0V（因二極管是理想的），D2為反向偏置，此時(shí)D1導(dǎo)通，D2截止。（a）4.7kvOvI1VCC5VD1D2vI2D1++--D2vI1vI2VCC5V4.7k（b）第六十頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四（2）依此類推，將vI1和vI2的其余三種組合及輸出電壓列于下表：vI1

vI20V0V0V5V5V0V5V5V二極管工作狀態(tài)D1D2導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通截止導(dǎo)通截止0V0V0V5VvO第六十一頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四（4）低電壓穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電源是電子電路中常用的組成部分,利用二極管的正向壓降特性,可實(shí)現(xiàn)低電壓穩(wěn)壓電路.第六十二頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四-vD+（b）DRVIiD+-R（a）iDVIDvO+-vD第六十三頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四-vD+（b）DRVIiD（c）-+R+-rd+-R（a）iDVIDvO+-vD第六十四頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四例：如圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路，直流電壓VI的正常值為10V，R=10k，若VI變化±1V，問相應(yīng)的硅二極管電壓（輸出電壓）的變動(dòng)如何？（b）DRVI（c）-+R+-rdR（a）iDVIDvO+-vD+-iD+-vD第六十五頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四（b）DRVI（c）-+R+-rdR（a）iDVIDvO+-vD+-iD+-vD解：（1）當(dāng)VI為正常值10V時(shí)，利用二極管恒壓降模型有:VD0.7V第六十六頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四（b）DRVI（c）-+R+-rdR（a）iDVIDvO+-vD+-iD+-vD（2）在此Q點(diǎn)上,按下面式子計(jì)算二極管的微變電阻rd為第六十七頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四（b）DRVI（c）-+R+-rdR（a）iDVIDvO+-vD+-iD+-vD（3）當(dāng)VI有1V的波動(dòng)時(shí)，可視為一峰-峰值2V的交流信號(hào)，則二極管兩端信號(hào)電壓波動(dòng)為：第六十八頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四例：二極管的應(yīng)用：RRLvivRvotttvivRvo第六十九頁，共八十一頁，編輯于2023年，星期四實(shí)際問題的電路設(shè)計(jì)某便攜式數(shù)據(jù)采集器工作時(shí)采用車載電源13.8V供電，當(dāng)脫離車輛工作或車載電源沒電時(shí)，為防止數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)啟動(dòng)內(nèi)置備份9V電池供電。試設(shè)計(jì)一個(gè)不間斷電源切換電路滿足使用要求。便攜式數(shù)據(jù)采集器工作電壓為8-15V。工作電流0.5A。第七十頁，