模擬電路 第3章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路

1、 第3章、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) 導(dǎo)體：銅，銀，鋁，鐵 絕緣體：云母，陶瓷，塑料，橡膠 半導(dǎo)體：硅，鍺 半導(dǎo)體得以廣泛應(yīng)用，是因?yàn)槠鋵?dǎo)電性能會(huì)隨 外界條件的變化而產(chǎn)生很大的變化。 3-1-1 半導(dǎo)體材料 溫度：溫度上升，電阻率下降。 鍺由20上升到30，電阻率降低一半。 摻雜：摻入少量的雜質(zhì)，會(huì)使電阻率大大降低。 純硅中摻入百萬(wàn)分之一的硼，電阻率由 2.3105cm降至0.4 cm。 光照：光照使電阻率降低。 利用半導(dǎo)體的這些特性制成了各種各樣的半導(dǎo)體 器件。 引起導(dǎo)電性能產(chǎn)生很大變化的外界條件有： 3-1-2 鍺、硅晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 1、原子結(jié)構(gòu) 硅 +14 鍺

2、+32 共同特點(diǎn)： 最外層具有4個(gè)價(jià)電子。 +4 2 晶格與共價(jià)鍵 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 處于共價(jià)鍵中的電子稱 為束縛電子，能量小， 不能參與導(dǎo)電。 2-1-3 本征半導(dǎo)體與本征激發(fā) 本征半導(dǎo)體：高度純凈，結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。 本征激發(fā)本征激發(fā)：束縛電子獲得一定 的能量，脫離共價(jià)鍵的束縛而 成為自由電子的現(xiàn)象。 (鍺 0.67ev 硅 1.1ev) 認(rèn)為空穴帶正電荷，電荷量等于電子電荷量。 自由電子失去能量，重新回到共價(jià)鍵上，稱為復(fù)合復(fù)合。 本征激發(fā)后，共價(jià)鍵中留下的空 位叫空穴。 本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)。 空穴 空穴的運(yùn)動(dòng) 半導(dǎo)體中有兩種載流子： 自由電子和空穴。 半導(dǎo)體中的電流是電 子流

3、和空穴流之和。 在本征半導(dǎo)體中自由電 子數(shù)總等于空穴數(shù)，且 濃度很低，導(dǎo)電能力差。 本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子 濃度隨溫度增加急劇增 大。 束縛電子填補(bǔ)空穴的 運(yùn)動(dòng)稱空穴的運(yùn)動(dòng)。 硅原子外層電子比鍺離核 近，受原子核束縛力大， 在同樣溫度下本征激發(fā)小， 溫度穩(wěn)定性好。 3-1-4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入微量 3價(jià)元素（如硼）形成 。 +4 +3+4 +4 +4 空穴-多數(shù)載流子（多子） 電子-少數(shù)載流子（少子） 每一個(gè)三價(jià)雜質(zhì)原子產(chǎn) 生一個(gè)空穴-負(fù)離子對(duì)。 三價(jià)雜質(zhì)稱為 受主雜質(zhì)。 雜質(zhì)原子獲得一個(gè) 電子成為負(fù)離子。 硅原子的共價(jià)鍵上 缺少一個(gè)電子形成 空穴 2 N型半導(dǎo)體在本征

4、半導(dǎo)體中摻入少量的 五價(jià)元素（如磷）形成。 雜質(zhì)原子多余的一個(gè)價(jià) 電子容易掙脫原子核的 束縛變成自由電子。 每一個(gè)5價(jià)雜質(zhì)原子 產(chǎn)生一個(gè)電子-正離子對(duì)。 雜質(zhì)原子失去一個(gè) 電子成為正離子。 5價(jià)雜質(zhì)-施主雜質(zhì) 電子-多子載流子 空穴-少子載流子 結(jié)論 摻雜會(huì)大大提高半導(dǎo)體中載流子濃度，使導(dǎo)電性 能大增。 摻入五價(jià)雜質(zhì)產(chǎn)生N型型半導(dǎo)體（電子型型半導(dǎo)體）。 多子多子電子、少子電子、少子空穴。空穴。 摻入三價(jià)雜質(zhì)產(chǎn)生P型型半導(dǎo)體（空穴型空穴型半導(dǎo)體）。 多子多子空穴、少子空穴、少子電子。電子。 多子濃度近似等于雜質(zhì)濃度， 少子濃度與溫度密切相關(guān)。 3-2 PN結(jié)的形成及特性 1、 PN結(jié)的形成 濃度

5、差產(chǎn)生多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)， 擴(kuò)散破壞了原來(lái)的電中性, P區(qū)失去空穴，留下負(fù)離子。 N區(qū)失去電子，留下正離子。 正負(fù)離子的數(shù)量相等。 np PN 在在P區(qū)和N區(qū)交界面附近， 形成由不能移動(dòng)的正負(fù)離 子組成的區(qū)間稱空間電荷空間電荷 區(qū)區(qū)，也稱PN結(jié)區(qū)。結(jié)區(qū)。 PN 結(jié)區(qū) 空間電荷區(qū)寬度與 雜質(zhì)濃度成反比。 內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng) 由空間電荷形成的電場(chǎng)。 內(nèi)建電場(chǎng)阻止多子的擴(kuò) 散運(yùn)動(dòng)。 耗盡層耗盡層 PN結(jié)內(nèi)由于擴(kuò)散與復(fù)合， 使載流子幾乎被耗盡， 是高阻區(qū)。 也稱為阻擋層阻擋層。 結(jié)區(qū) E PN 漂移運(yùn)動(dòng) 載流子在電場(chǎng)作用下產(chǎn) 生的運(yùn)動(dòng)。 內(nèi)建電場(chǎng)有利于少子的 漂移運(yùn)動(dòng)。 擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平 衡時(shí)，形成PN

6、結(jié)。 動(dòng)態(tài)平衡時(shí)流過(guò)PN結(jié)的 總電流為0。 Vo: 硅 0.60.8V 鍺 0.10.3V PN 結(jié)區(qū) E V0 電位 分布圖 -qV0 電子勢(shì)能 分布圖 勢(shì)壘區(qū)勢(shì)壘區(qū) 空間電荷在結(jié)區(qū)內(nèi)形成 電位差， 稱接觸電位差或結(jié)電壓 2.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(1) 外加正向電壓 內(nèi)電場(chǎng) 外電場(chǎng) 正向偏置: P區(qū)接電源端區(qū)接電源端 N區(qū)接電源端區(qū)接電源端 在外電場(chǎng)的作用下 P區(qū)空穴向結(jié)區(qū)運(yùn)動(dòng)，中 和部分負(fù)離子。 N區(qū)自由電子向結(jié)區(qū)運(yùn)動(dòng)， 中和部分正離子。 空間電荷減少， 結(jié)區(qū)變窄。 VF 原來(lái)的動(dòng)態(tài)平衡被打破, 多子的擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于少 子的漂移電流， 產(chǎn)生較大的正向電流IF。 P區(qū)、N區(qū)為低阻區(qū)，

7、結(jié)區(qū)為高阻區(qū)，所以外加 電壓主要加在結(jié)區(qū)，抵消內(nèi)電場(chǎng)的作用。 結(jié)內(nèi)電位差減小，勢(shì)壘減小。 VF V0 V0-VF 外加電壓很小變化，將引 起電流的較大變化。 PN結(jié)正向?qū)?，其正向?qū)?通電阻很小。 (2) 外加反向電壓 內(nèi)電場(chǎng) VR 外電場(chǎng) 反向偏置 : P區(qū)接電源端，區(qū)接電源端， N區(qū)接電源端。區(qū)接電源端。 結(jié)內(nèi)電位差增加， 勢(shì)壘提高。 P區(qū)的空穴，N區(qū)的 自由電子，均背離結(jié)區(qū) 運(yùn)動(dòng)，致使： 空間電荷增加， 結(jié)區(qū)變寬。 V0 V0+VR 多子的擴(kuò)散電流趨于0， 由少子的漂移電流產(chǎn)生反向電流。 少子濃度很小，所以反向電流很小。 PN結(jié)反向截止，反向截止電阻很大。 少子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其濃度與材

8、料及溫度有關(guān)， 所以反向電流幾乎與反向電壓的大小無(wú)關(guān)，而隨 溫度增加急劇增大 結(jié)論結(jié)論: 加正向電壓，很小的電壓能產(chǎn)生較大的 電流，外加 電壓很小變化，將引起電流的較大變化。 加反向電壓，只能產(chǎn)生微小的反向電流，且反向電 流的大小幾乎與反向電壓無(wú)關(guān)。 PN結(jié)正向電阻小，反向電阻大，具有單向?qū)щ娦浴?(3) PN 結(jié)的V-I特性 IS 反向飽和電流 VT 溫度的電壓當(dāng)量 VT =kT /q K=1.3810-23（J/K） q=1.610-19C T 絕對(duì)溫度 當(dāng)T=300K時(shí) VT26mV )1( T D V v SD eIiiD IS vD 加正向電壓 vD0 S D TD V v SD D

9、 V I i Vv eIi Vv ee T D T ln 1.0 18.46 026.0 1.0 1.0 SD D V Ii Vv ee T 1 . 0 1021. 0 026. 0 1 . 0 1 . 0 幾乎與反向電壓的大小無(wú)關(guān) D i 加反向電壓 vD6V) 反向擊穿電壓隨溫度上升而增加(正溫度系數(shù))。 PN 結(jié)電擊穿的形式： 齊納擊穿 （場(chǎng)致?lián)舸?發(fā)生在攙雜濃度較高的PN結(jié)。 反壓雖不太大，但結(jié)區(qū)窄，結(jié)內(nèi)有很強(qiáng)的電場(chǎng)，將共 價(jià)鍵的電子直接大量吸引出來(lái)而產(chǎn)生的。 特點(diǎn)：擊穿電壓較小(管壓降 的情況 如開關(guān)電路 iD0vD=0 vD0iD=0 iD vD iD vD iD vD iD v

10、D 2、恒壓降模型 二極管正向?qū)〞r(shí)，認(rèn)為 其管壓降VF=常數(shù) （硅管取0.7V)。 用于直流分析時(shí)，電源電 壓較大，工作電流較大， （1mA)，正向電壓變化 較小的情況。 iD vD iD vD iD v D iD vD 3、折線模型 Vth:門坎電壓 (硅管一般取0.5v), iD vD 二極管的正向壓降隨流 過(guò)二極管正向電流的增 加而線性增加。一般用 于電源電壓較小，工作 電流較小的場(chǎng)合。 D thD D I VV r rD Vth iD v D 根據(jù)二極管的電流ID和管 壓降VD可以求出rD ID VD iD vD Vth iD vD 4、小信號(hào)模型 當(dāng)輸入變化的信號(hào)時(shí)，且信號(hào)幅度很小

11、，二極管 工作在靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近的小范圍內(nèi), 則可以在小范圍內(nèi)把V-I特性曲線看成是過(guò)Q點(diǎn)的 切線。其斜率的倒數(shù)稱微變電阻rd （動(dòng)態(tài)電阻） 小信號(hào)模型只用于動(dòng)態(tài)分析， 方程中求解的變量是信號(hào)量。 （電壓和電流瞬時(shí)值的變化量） rd D rd的計(jì)算 ) 1( Q T V V eIi di dv r S d rd與靜態(tài)工作電流有關(guān)。 T Q T V V s Q V v T s V I V eI e V I dv di T Q T Q 時(shí)）KT I mV I V r QQ T d 300( )(26 3-4-2 二極管模型分析法 1、靜態(tài)分析 圖解法 VDD VD ID R ID=f（VD） VD

12、=VDD-IDR VQ IQ R VDD VD ID 模型分析法 理想模型 VDD0: ID=VDD/R VD=0 VDDVF: VD=VF=0.7V ID=(VDD-0.7)/R VDDVth: ID=(VDD-Vth)/(R+rD) VD=Vth+IDrD=VDD-IDR VDD0 Vi3V 二極管導(dǎo)通 VDO0 Vi0 Vi3V 二極管導(dǎo)通 Vo=VR=3V VDO0 Vi0.7V， 所以二極管采用恒壓降模型。 計(jì)算二極管的微變電阻 rd= 26mV/ID= 28 歐姆 畫微變等效電路：直流電源取零值，二極管用其微 變電阻代替，電路中的變量是電壓、電流的變化量。 VD=0.7V ID=（

13、10-0.7）/10 =0.93mA vD = vrd/(R+rd) = 2.79mV VDD R D ID 0.7V VD v R rd D i D v %4 . 0%10 D D DD V v V v 3-5 特殊二極管 3.5.1 穩(wěn)壓管 1、原理：利用二極管反向擊 穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。反向擊穿 后，電流急劇增加，但電壓 基本保持不變。 只要反向電流限制在一定范 圍之內(nèi)，管子不會(huì)損壞。 理想穩(wěn)壓管的特性 穩(wěn)壓值VZ與溫度有關(guān) VZ5.7V，雪崩擊穿為 主，具有正溫度系數(shù) VZ5.7V,溫度系數(shù)最小 vD iD VZ VD iD 0.7V 2、穩(wěn)壓管參數(shù) 穩(wěn)定電壓VZ 反向電擊穿時(shí)的工作電壓。

14、 穩(wěn)定電流IZ 測(cè)量穩(wěn)定電壓，動(dòng)態(tài)電阻時(shí)的參考電流值。 iZIZ，穩(wěn)壓性能較好，rZ減小。 額定功耗PM 允許的最大功耗，一般 IZM=PM/VZ 動(dòng)態(tài)電阻rZ 反向擊穿區(qū)斜率的倒數(shù) rZ=dVZ/diZ|iZ=IZ 溫度系數(shù) 溫度變化1，穩(wěn)定電壓變化的百分?jǐn)?shù)。 R限流電阻, 使穩(wěn)壓管的電流在 正常工作范圍之內(nèi)。 穩(wěn)壓過(guò)程: vivoiZiRvR vo RLioiRvoiZ iRvo 3 穩(wěn)壓管的應(yīng)用穩(wěn)壓 電平移動(dòng) 限幅等 基本穩(wěn)壓電路 vi vo iR io iZ R RL 例：Vz=6V，Izmin=5mA ，Izmax=25mA Vi=10V、15V、35V, 求Vo 、IZ L L i

15、i RR R VV VVI VVVV oZ ii 33. 30 ,33. 310 VVI VVVV oZ ii 50 ,515 mA RR VV IVV VVVV L Zi Zo ii 1 .17 / 6 ,7 .1135 Vi Vo IR R RL 1K 0.5K IZ Vi Vo R/RL IZ 限流電阻的計(jì)算 輸入電壓的變化范圍為: ViminVimax 負(fù)載電流的變化范圍為: IominIomax 穩(wěn)壓管正常工作電流范圍為: IzminiZIzmax minmax max maxmin max max oZ Zi Zo Zi Z o Zi Z II VV R II R VV i I R VV i maxmin min minmax min min oZ Zi Zo Zi Z o Zi Z II VV R II R VV i I R VV i ViVZ IR Io iZ R RL 例:3.5.1 已知 Vimin=12V，Vimax=13.6V, Vo=9V, Pomax=0.5W, 穩(wěn)壓管參數(shù)：VZ=9V，PM=1W，IZ=5mA， IZM=PM/VZ=110mA，求限流電阻R。 解:負(fù)載電流的的范圍為: Iomin=0 Iomax=Pomax/Vo=56mA 8 .41