模電五版第3章二極管及基本電路

1、3,半導(dǎo)體二極管,及其基本電路,3.1,半導(dǎo)體的基本知識(shí),3.3,半導(dǎo)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,3.2 PN,結(jié)的形成及特性,2,3.1,半導(dǎo)體的基本知識(shí),3.1.1,半導(dǎo)體材料,3.1.2,半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),3.1.3,本征半導(dǎo)體,3.1.4,雜質(zhì)半導(dǎo)體,半導(dǎo)體,:,導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間,典型的半導(dǎo)體有,硅,Si,和,鍺,Ge,以及,砷化鎵,GaAs,等。,導(dǎo)電的,重要特點(diǎn),1,、其能力容易受環(huán)境因素影響,（,溫度,、光照等）,2,、摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力,+4,3,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,3.1.2,半

2、導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),原子結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化模型,完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。,3.1.3,本征半導(dǎo)體,在,T,=0K,和無外界激發(fā)時(shí)，沒有,載流子,，不導(dǎo)電,兩個(gè)價(jià)電子的,共價(jià)鍵,正離子核,4,3.1.3,本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,溫度,?,光照,自由電子,空穴,本征激發(fā),空穴,共價(jià)鍵中的空位,空穴的移動(dòng),空穴的運(yùn),動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電,子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。,由熱激發(fā)或光照而產(chǎn)生,自由電子和空穴對(duì),。,溫度,?,?,載流子,濃度,?,5,空穴的移動(dòng),空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的,價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的,*,半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn),1,：其

3、能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響,溫度,載流子,濃度,導(dǎo)電能力,3.1.4,雜質(zhì)半導(dǎo)體,N,型半導(dǎo)體,摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）,P,型半導(dǎo)體,摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）,自由電子,多子,空穴,少子,空穴,多子,自由電子,少子,由熱激發(fā)形成,它主要由雜質(zhì)原子提供,空間電荷,7,摻入雜,質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大,的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下,:,T,=300 K,室溫下,本征硅的電子和空穴濃度,:,n,=,p,=1.4,10,10,/cm,3,1,本征硅的原子濃度,:,4.96,10,22,/cm,3,3,以上三個(gè)濃度基本上依次相差,10,6,/cm,3,。,2,摻雜后,N,型半導(dǎo)體中的自由電子

4、濃度,:,n=,5,10,16,/cm,3,雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響,8,?,本征半導(dǎo)體、本征激發(fā),本節(jié)中的有關(guān)概念,自由電子,空穴,N,型半導(dǎo)體、施主雜質(zhì),(5,價(jià),),P,型半導(dǎo)體、受主雜質(zhì),(3,價(jià),),?,多數(shù)載流子、少數(shù)載流子,?,雜質(zhì)半導(dǎo)體,復(fù)合,*,半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn),1,：,其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響,溫度,載流子濃度,導(dǎo)電能力,*,半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn),2,：摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力,9,3.2 PN,結(jié)的形成及特性,3.2.1 PN,結(jié)的形成,3.2.2 PN,結(jié)的單向?qū)щ娦?*,3.2.3 PN,結(jié)的反向擊穿,3.2.4 PN,結(jié)的電容效應(yīng),10,3.2.1 PN,結(jié)的形

5、成,1.,濃度差,?,多子的,擴(kuò)散,運(yùn)動(dòng),2.,擴(kuò)散,?,空間電荷區(qū),?,內(nèi)電場(chǎng),3.,內(nèi)電場(chǎng),?,少子的,漂移,運(yùn)動(dòng),?,阻止多子的,擴(kuò)散,4,、擴(kuò)散與漂移達(dá)到,動(dòng)態(tài)平衡,載流子的,運(yùn)動(dòng)：,擴(kuò)散,運(yùn)動(dòng),濃度差產(chǎn)生的載流子移動(dòng),漂移,運(yùn)動(dòng),在電場(chǎng)作用下，載流子的移動(dòng),P,區(qū),N,區(qū),擴(kuò)散：空穴,電子,漂移：電子,空穴,形成過程可分成,4,步,(,動(dòng)畫,),P,型,N,型,內(nèi)電場(chǎng),11,PN,結(jié)形成的物理過程：,因濃度差,?,空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng),?,內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移,?,內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散,最后,多子的,擴(kuò)散,和少子的,漂移,達(dá)到,動(dòng)態(tài)平衡,。,多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),?,雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū),?

6、,對(duì)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,。,擴(kuò)散,漂移,否,是,寬,12,3.2.2 PN,結(jié)的單向?qū)щ娦?只有在外加電壓時(shí)才,擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡將,定義：加,正向電壓,，簡(jiǎn)稱,正偏,加,反向電壓,，簡(jiǎn)稱,反偏,?,擴(kuò)散,漂移,?,大的正向擴(kuò)散電流（多子）,?,低電阻,?,正向?qū)??,漂移,擴(kuò)散,?,很小的反向漂移電流（少子）,?,高電阻,?,反向截止,13,3.2.2 PN,結(jié)的單向?qū)щ娦??,PN,結(jié)特性描述,2,、,PN,結(jié)方程,PN,結(jié)的伏安特性,i,D,/mA,1.0,0.5,i,

7、D,=,I,S,0.5,1.0,0.5,0,1.0,?,D,/V,陡峭,?,電阻小,正向?qū)?1,、,PN,結(jié)的伏安特性,特性平坦,?,反向截止,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,非線性,其中,),1,(,/,S,D,D,?,?,T,V,v,e,I,i,I,S,反向飽和電流,V,T,溫度的電壓當(dāng)量,且在常溫下（,T=300K,）,V,026,.,0,?,?,q,kT,V,T,mV,26,?,近似,估算,正向：,T,V,v,e,I,i,/,S,D,D,?,反向：,S,D,I,i,?,?,14,3.2.3 PN,結(jié)的反向擊穿,當(dāng),PN,結(jié)的反向電,壓增加到一定數(shù)值時(shí)，,反向電

8、流突然快速增加，,此現(xiàn)象稱為,PN,結(jié)的,反,向擊穿。,i,D,O,V,BR,?,D,熱擊穿,不可逆,雪崩擊穿,齊納擊穿,p66,電擊穿,可逆,15,3.2.4 PN,結(jié)的電容效應(yīng),(1),勢(shì)壘電容,C,B,勢(shì)壘電容示意圖,擴(kuò)散電容示意圖,(2),擴(kuò)散電容,C,D,16,3.3,半導(dǎo)體二極管,3.3.1,半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu),3.3.2,二極管的伏安特性,3.3.3,二極管的參數(shù),陰極,k,陽極,a,PN,結(jié),加上引線和封裝,?,二極管,按結(jié)構(gòu),分類,點(diǎn)接觸型,面接觸型,平面型,17,半導(dǎo)體二極管圖片,陰極,引線,陽極,引線,P,N,P,型支持襯底,點(diǎn)接觸型,面接觸型,平面型,18,3.3.2,

9、二極管的伏安特性,3. PN,結(jié)方程（近似）,),1,(,/,S,D,D,?,?,T,V,v,e,I,i,0,?,D,/V,0.2,0.4,0.6,0.8,?,10,?,20,?,30,?,40,5,10,15,20,?,10,?,20,?,30,?,40,i,D,/,?,A,i,D,/mA,死區(qū),V,th,V,BR,硅二極管,2CP10,的,V-I,特性,0,?,D,/V,0.2,0.4,0.6,?,20,?,40,?,60,5,10,15,20,?,10,?,20,?,30,?,40,i,D,/,?,A,i,D,/mA,V,th,V,BR,鍺二極管,2AP15,的,V-I,特性,正向特性,

10、反向特性,反向擊穿特性,V,th,= 0.5V,（硅）,V,th,= 0.1V,（鍺）,注,意,1.,死區(qū)電壓（門坎電壓）,2.,反向飽和電流,硅：,0.1,?,A,；鍺：,10,?,A,19,3.3.3,二極管的參數(shù),(1),最大整流電流,I,F,(2),反向擊穿電壓,V,BR,和最大反向工作電壓,V,RM,(3),反向電流,I,R,(4),正向壓降,V,F,(5),極間電容,C,B,0,?,D,/V,0.2,0.4,0.6,0.8,?,10,?,20,?,30,?,40,5,10,15,20,?,10,?,20,?,30,?,40,i,D,/,?,A,i,D,/mA,死區(qū),V,th,V,B

11、R,硅二極管,2CP10,的,V,-,I,特性,20,3.4,二極管基本電路及其分析方法,3.4.1,二極管,V-,I,特性的建模,3.4.2,應(yīng)用舉例,5,、應(yīng)用電路分析舉例,2,、二極管狀態(tài)判斷,1,、二極管電路的分析概述,3,、圖解分析法,4,、等效電路（模型）分析法,講課思路：,21,1,、二極管電路的分析概述,應(yīng)用電路舉例,D,v,O,?,?,?,?,R,i,D,v,I,+,i,D,v,O,R,v,I,?,+,?,v,O,?,+,D,V,REF,?,+,R,v,i,例,3.4.2,（習(xí)題,3.4.12,）,習(xí)題,3.4.5,整流,限幅,習(xí)題,3.4.6,初步分析,依據(jù)二極管的單向?qū)щ?/p>

12、性,D,導(dǎo)通：,v,O,=,v,I,-,v,D,D,截止：,v,O,=,0,D,導(dǎo)通：,v,O,=,v,D,D,截止：,v,O,=,v,I,左圖,中圖,顯然，,v,O,與,v,I,的關(guān)系由,D,的狀態(tài),決定,而且，,D,處于反向截止時(shí)最簡(jiǎn)單！,22,分析思路,?,分析任務(wù)：求,v,D,、,i,D,?,目的,1:,確定電路功能，即信號(hào),v,I,傳遞到,v,O,，有何變化？,?,目的,2:,判斷二極管,D,是否安全。,?,首先，判斷,D,的狀態(tài)？,?,若,D,反向截止，則相當(dāng)于開路（,i,D,?,0,，,R,OFF,?,）；,?,若,D,正向?qū)?，則？,?,正向?qū)ǚ治龇椒ǎ??,圖解法,?,等效

13、電路（模型）法,將非線性,?,線性,?,先靜態(tài)（直流），后動(dòng)態(tài)（交流）,?,靜態(tài)：,v,I,=0,（正弦波過,0,點(diǎn)）,?,動(dòng)態(tài)：,v,I,?,0,1,、二極管電路的分析概述,23,2,、二極管狀態(tài)判斷,例,1,: 2CP1,（硅），,I,F,=16mA,，,V,BR,=40V,。求,V,D,、,I,D,。,+,I,D,V,D,R=10k,?,V,I,?,+,?,10V,+,I,D,V,D,R=10k,?,V,I,?,+,?,10V,+,I,D,V,D,R=1k,?,V,I,?,+,?,20V,+,I,D,V,D,R=10k,?,V,I,?,+,?,100V,(a),(b),(c),(d),正

14、偏,正偏,反偏,反偏,i,D,I,F,？,D,反向截止,I,D,= 0,V,D,= -10V,D,反向擊穿,i,D,=,？,v,D,=,？,二極管狀態(tài)判斷方法,假設(shè),D,截止,(,開路,),，,求,D,兩端開路電壓,普通：熱擊穿損壞,齊納：電擊穿,V,D,= -,V,BR,= -40V,V,D, 0V,D,正向?qū)ǎ?-V,BR, V,D,?,0V,D,反向截止,I,D,= 0,V,D,?,-,V,BR,D,反向擊穿,V,D,= -,V,BR,D,正向?qū)ǎ?D,正向?qū)ǎ?24,例,2,：一二極管開關(guān)電路如圖所示。當(dāng),V,?,1,和,V,?,2,為,0V,或,5V,時(shí)，求,V,?,1,和,V

15、,?,2,的值不同組合情況下，,輸出電壓,?,0,的值。設(shè)二極管是理想的。,D,1,D,2,V,I1,V,I2,4.7K,V,CC,5V,D,1,D,2,4.7K,15V,V,CC,V,I1,+,-,V,I2,+,-,25,解：,(1),當(dāng),V,?,1,=0V, V,?,2,=5V,時(shí),D,1,為正向偏置，,V,0,=0V,此時(shí),D,2,的陰極電位為,5V,，陽極為,0V,，,處于反向偏置，故,D,2,截止。,(2),以此類推，將,V,?,1,和,V,?,2,的其余三種組合及,輸出電壓列于下表：,V,?,1,V,?,2,D,1,D,2,V,0,0V,0V,導(dǎo)通,導(dǎo)通,0V,0V,5V,導(dǎo)通,截

16、止,0V,5V,0V,截止,導(dǎo)通,0V,5V,5V,截止,截止,5V,26,習(xí)題,3.4.6,試判斷圖題,3.4.6,中,二極管導(dǎo)通還是截止，,為什么,?,圖題,3.4.6,(a),例,3:,習(xí)題,3.4.5,電路如下圖所示，,判斷,D,的狀態(tài),2,、二極管狀態(tài)判斷,D,3k,(a),?,V,?,V,A,O,27,例,3:,已知伏安特性,求,V,D,、,I,D,。,3,、圖解分析法,+,+,例,1,(a),圖,+,i,D,v,D,R=10k,?,V,I,?,?,10V,i,D,v,D,?,0,?,D,/V,0.2 0.4 0.6 0.8,1.0,i,D,/mA,1.0,0.8,0.4,1.2,

17、線性,線性,:,v,D,=,V,I,-,i,D,R,),1,(,/,S,D,D,?,?,T,V,v,e,I,i,非線性,:,非線性,聯(lián)立求解，,可得,V,D,、,I,D,圖解法,直線與伏安特性的,交點(diǎn),圖解法關(guān)鍵,畫直線,R,V,v,R,i,I,D,D,?,?,?,1,又稱為,負(fù)載,線,v,D,=,0,i,D,=,V,I,/,R=,1mA,v,D,=,1V,i,D,=(,V,I,-,v,D,)/,R=,0.9mA,靜態(tài)工作點(diǎn),Q,V,D,?,0.7V,I,D,?,0.95mA,解,28,例,4:,已知伏安特性,求,v,D,、,i,D,。,例,3:,已知伏安特性,求,V,D,、,I,D,。,3,

18、、圖解分析法,+,i,D,v,D,R=10k,?,V,I,?,+,?,10V,i,D,+,v,D,?,0,?,D,/V,0.2 0.4 0.6 0.8,1.0,i,D,/mA,1.0,0.8,0.4,1.2,i,D,?,D,?,+,D,+,?,V,I,R=10k,?,v,i,V,I,=,10V,v,i,=,1Vsin,?,t,R,V,v,R,i,I,D,D,?,?,?,1,先靜態(tài)分析,直流負(fù)載線,:,再動(dòng)態(tài)分析,交流負(fù)載線,:,R,v,V,v,R,i,i,I,D,D,?,?,?,?,1,v,D,=,V,I,+,v,i,-,i,D,R,V,D,?,0.7V,I,D,?,0.95mA,i,D,=,

19、I,D,+,D,i,D,=,0.95mA+0.1mAsin,?,t,v,D,=,V,D,+,D,v,D,?,0.7V,29,R=10k,?,V,I,?,+,10V,I,D,+,V,D,?,i,D,?,D,?,+,D,+,?,V,I,R=10k,?,v,i,i,D,=,I,D,+,D,i,D,v,D,=,V,D,+,D,v,D,V,I,=,10V,，,v,i,=,1Vsin,?,t,D,i,D,?,D,?,+,r,d,+,?,D,?,I,R,V,D,?,0.7V,I,D,?,0.95mA,靜態(tài)分析,?,i,? 0,動(dòng)態(tài)分析,疊加原理,例,4:,已知伏安特性,求,v,D,、,i,D,。,3,、圖解

20、分析法,30,4,、等效電路（模型）分析法,（,2.4.1,二極管,V,-,I,特性的建模,）,(1),理想模型,(3),折線模型,(2),恒壓降模型,V,D,= 0.7V,（硅）,V,D,= 0.2V,（鍺）,V,th,= 0.5V,（硅）,V,th,= 0.1V,（鍺）,31,4,、等效電路（模型）分析法,(4),小信號(hào)模型,二極管工作在正向特性的某一小范,圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效為,:,D,D,d,i,v,r,D,D,?,微變電阻,根據(jù),得,Q,點(diǎn)處的微變電導(dǎo),),1,(,/,S,D,D,?,?,T,V,v,e,I,i,Q,V,v,T,Q,T,e,V,I,dv,di,r,/,S,D,D

21、,d,D,1,?,?,T,Q,T,Q,V,v,T,V,I,V,i,e,V,I,T,D,D,/,S,),1,(,D,?,?,?,?,),mA,(,),mV,(,26,D,D,d,I,I,V,r,T,?,?,常溫下（,T,=300K,）,32,5,、應(yīng)用電路分析舉例,例,5:,（例,3.4.1,）求,V,D,、,I,D,。,（,R,=10k,?,）,（,a,）,V,DD,=10V,時(shí),（,b,）,V,DD,=1V,時(shí),+,?,?,D,i,D,V,DD,+,?,?,D,i,D,V,DD,V,D,+,?,?,D,i,D,V,DD,r,D,V,th,V,DD,mA,1,/,DD,D,?,?,R,V,I,

22、V,0,D,?,V,理想模型,mA,93,.,0,/,),(,D,DD,D,?,?,?,R,V,V,I,恒壓模型,V,7,.,0,D,?,V,折線模型,V,5,.,0,th,?,V,?,?,k,2,.,0,D,r,mA,931,.,0,D,th,DD,D,?,?,?,?,r,R,V,V,I,V,69,.,0,D,D,th,D,?,?,?,r,I,V,V,V,0,D,?,V,理想模型,恒壓模型,V,7,.,0,D,?,V,mA,1,.,0,/,DD,D,?,?,R,V,I,mA,03,.,0,/,),(,D,DD,D,?,?,?,R,V,V,I,mA,049,.,0,D,th,DD,D,?,?,

23、?,?,r,R,V,V,I,V,51,.,0,D,D,th,D,?,?,?,r,I,V,V,折線模型,V,5,.,0,th,?,V,?,?,k,2,.,0,D,r,33,例,1,: 2CP1,（硅），,I,F,=16mA,，,V,BR,=40V,。求,V,D,、,I,D,。,+,I,D,V,D,R=10k,?,V,I,?,+,?,10V,+,I,D,V,D,R=10k,?,V,I,?,+,?,10V,+,I,D,V,D,R=1k,?,V,I,?,+,?,20V,+,I,D,V,D,R=10k,?,V,I,?,+,?,100V,(a),(b),(c),(d),正偏,正偏,反偏,反偏,i,D,I,

24、F,？,D,反向截止,I,D,= 0,V,D,= -10V,D,反向擊穿,i,D,=,？,v,D,=,？,普通：熱擊穿損壞,齊納：電擊穿,V,D,= -,V,BR,= -40V,D,正向?qū)ǎ?D,正向?qū)ǎ?34,例,3.4.2,（習(xí)題,3.4.12,）,D,v,O,?,?,?,?,R,i,D,v,I,+,i,D,v,O,R,v,I,?,+,?,v,O,?,+,D,V,REF,?,+,R,v,i,習(xí)題,3.4.5,整流,限幅,例,6.2,習(xí)題,例,6.3,5,、應(yīng)用電路分析舉例,例,6:,畫出,v,O,波形。,初步分析,依據(jù)二極管的單向?qū)щ娦?D,導(dǎo)通：,v,O,=,v,I,-,v,D,D,

25、截止：,v,O,=,0,D,導(dǎo)通：,v,O,=,v,D,D,截止：,v,O,=,v,I,左圖,中圖,例,6.1,習(xí)題,35,V,I,=,10V,，,v,i,=,1Vsin,?,t,例,4:,已知伏安特性,求,v,D,、,i,D,。,i,D,?,D,?,+,D,+,?,V,I,R=10k,?,v,i,0,?,D,/V,0.2 0.4 0.6 0.8,1.0,i,D,/mA,1.0,0.8,0.4,1.2,5,、應(yīng)用電路分析舉例,i,D,=,I,D,+,D,i,D,=,0.95mA+0.1mAsin,?,t,v,D,=,V,D,+,D,v,D,?,0.7V,R=10k,?,V,I,?,+,10V,

26、I,D,+,V,D,?,靜態(tài)分析,v,i,=0,D,i,D,D,?,D,?,+,r,d,+,?,?,i,R,D,i,D,D,?,D,?,+,r,d,+,?,?,i,R,疊加原理,動(dòng)態(tài)分析,V,I,=0,小信號(hào)模型,(,小信號(hào)等效電路,),36,5,、應(yīng)用電路分析舉例,例,7:(,小信號(hào)分析,),例,4,中求,D,v,D,、,D,i,D,。,V,I,=,10V,，,v,i,=,1Vsin,?,t,i,D,?,D,?,+,D,+,?,V,I,R=10k,?,v,i,解題步驟,:,(1),靜態(tài)分析,(,令,v,i,=0,）,R=10k,?,V,I,?,+,10V,I,D,+,V,D,?,由恒壓降模型

27、得,V,D,?,0.7V;,I,D,?,0.93mA,(2),動(dòng)態(tài)分析,(,令,V,I,=0,）,由小信號(hào)模型得,D,i,D,D,?,D,?,+,r,d,+,?,?,i,R,?,?,?,?,?,28,),mA,(,93,.,0,),mV,(,26,),mA,(,),mV,(,26,D,D,d,I,I,V,r,T,mA,k,r,R,v,i,i,1,.,0,28,10,1V,d,D,?,?,?,?,?,?,?,?,?,D,2.8mV,d,D,D,?,?,?,D,?,D,r,i,v,37,分析方法小結(jié),3.4,二極管基本電路及其分析方法,假設(shè),D,截止（開路）,求,D,兩端開路電壓,V,D,?,0.7V,D,正向?qū)?-,V,BR, V,D,?,0.7V,D,反向截止,I,D,= 0 (,開路,),V,D,?,-,V,BR,D,反向擊穿,V,D,= -,V,BR,(,恒壓,),V,D,= 0.7V (,恒壓降,),狀態(tài),等效電路,條件,將不同狀態(tài)的等效電路（模型）,帶入原電路中，分析,v,I,和,v,O,的,關(guān)系,畫出電壓波形和電,壓傳輸特性,特殊情況：求,D,v,D,（波動(dòng)）,小信號(hào)模型和疊加原理,恒壓降模型,38,3.5,特殊二極管,3.