康華光模擬第2章二極管及其應用電路

1、半導體的基本知識PN結的形成及特性半導體二極管特殊二極管二極管基本電路分析半導體的基本知識本征半導體、空穴及其導電作用雜質半導體 根據物體導電能力(電阻率)的不同，劃分為導體、絕緣體和半導體。 半導體的電阻率為10-3109 cm。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導體的特點：1）導電能力不同于導體、絕緣體；2）受外界光和熱刺激時電導率發(fā)生很大變化光敏元件、熱敏元件；3）摻進微量雜質，導電能力顯著增加半導體。半導體的基本知識半導體的共價鍵結構 和是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。 原子按一定規(guī)律整齊排列，形成晶體點

2、陣后，結構圖為：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4返回本征半導體、空穴及其導電作用本征半導體完全純凈的、結構完整的半導體晶體。載流子可以自由移動的帶電粒子。電導率與材料單位體積中所含載流子數有關，載流子濃度越高，電導率越高。返回電子空穴對電子空穴對 當T=0K和無外界激發(fā)時，導體中沒有栽流子，不導電。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，成為自由電子本證激發(fā)。 自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，這個空位為空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子 因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同

3、時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。本征激發(fā)動畫1-1空穴空穴返回雜質半導體雜質半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N型半導體型半導體（電子型半導體）在本征半導體中摻入五價的元素(磷、砷、銻 )多余電子，多余電子，成為自由電子成為自由電子+5自由電子自由電子 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。返回+5+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半導體型半導體（空穴型半導體）在本征半導體中摻入三價的元素（硼）+3空穴空穴空穴空穴返回N型半導體的多數載流子為電子，少數載

4、流子是空穴；P型半導體的多數載流子為空穴，少數載流子是電子。例：純凈硅晶體中硅原子數為1022/cm3數量級， 在室穩(wěn)下，載流子濃度為ni=pi=1010數量級， 摻入百萬分之一的雜質（1/10-6），即雜質濃度為1022*（1/106）=1016數量級， 則摻雜后載流子濃度為1016+1010，約為1016數量級，比摻雜前載流子增加106，即一百萬倍。返回10PN結的形成及特性PN結的形成及特性 PN結的單向導電性 PN結的形成PN結的形成 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。 內電場促使少子漂移內電場阻止多子擴散 因濃度差多子的擴散運動由由雜質離子雜質離

5、子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內電場 動畫+ 五價的元素+ 三價的元素產生多余電子產生多余電子產生多余空穴產生多余空穴PN結的單向導電性 (1) PN結加正向電壓 外加的正向電壓，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是,內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現(xiàn)低阻性。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。 動畫 外加反向電壓,方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現(xiàn)高阻性

6、。 P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。 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。 動畫（2）PN結加反向電壓結加反向電壓總之：PN結正向電阻小，反向電阻大單向導電性。返回半導體二極管半導體二極管 二極管二極管 ：一個PN結就是一個二極管。單向導電：單向導電：二極管正極接電源正極，負極接電源負極時電流可以通過。反之電流不能通過。符號： 二極管按結構分有點接觸型、面接觸型二大類。(1) 點接觸型二極管 PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(2) 面接觸型二極管 P

7、N結面積大，用于大電流整流電路。半導體二極管的結構半導體二極管的伏安特性曲線 式中IS 為反向飽和電流，VD 為二極管兩端的電壓降，VT =kT/q 稱為溫度的電壓當量，k為玻耳茲曼常數，q 為電子電荷量，T 為熱力學溫度。對于室溫（相當T=300 K），則有VT=26 mV。) 1(eTSVVDII 第一象限的是正向伏安特性曲線，第三象限的是反向伏安特性曲線。(1) 正向特性 硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.50.8V左右， 鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.20.3 V左右。 當0VVth時，正向電流為零，Vth稱死區(qū)電壓或開啟電壓。正向區(qū)分為兩段： 當V Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數規(guī)

8、律增長。反向區(qū)也分兩個區(qū)域： 當VBRV0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS 。 當VVBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓 。(2) 反向特性 硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。 若|VBR|7V時,主要是雪崩擊穿；若|VBR|4V時, 則主要是齊納擊穿。(3) 反向擊穿特性半導體二極管的參數(1) 最大整流電流最大整流電流IF(2) 反向擊穿電壓反向擊穿電壓VBR(3) 反向電流反向電流I IR R(4) 正向壓降正向壓降VF在室溫，規(guī)定的反向

9、電壓下，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。在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。硅二極管約0.60.8V；鍺二極管約0.20.3V。二極管連續(xù)工作時，允許流過的最大整流電流的平均值。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。二極管基本電路分析二極管基本電路分析正向偏置時：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時：電流為0，電阻為。當iD1mA時， vD=0.7V。（實際模型）20015.07.0mAVViVVrDthDD)()(26

10、mAImVivrDQDDDDDthDriVV1.靜態(tài)分析靜態(tài)分析例例1：求VDD=10V時，二極管的 電流ID、電壓VD 值。解：解：正向偏置時：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時：電流為0，電阻為。mAKVVRVVIDDDD93. 0107 . 01020015 . 07 . 0mAVViVVrDthDDmAKKVVrRVVIDthDDD931. 02 . 0105 . 010VKmAVrIVVDDD69. 02 . 0931. 05 . 05 . 0VVD0mAKVRVIDDD11010當iD1mA時， vD=0.7V。VVD7 . 02.限幅電路限幅電路VRVmvit0Vi VR時，二極

11、管導通，vo=vi。ViV1時，D1導通、D2截止，Vo=V1。ViV2時，D2導通、D1截止，Vo=V2。V2ViV1時，D1、D2均截止，Vo=Vi。例7：畫出理想二極管電路的傳輸特性（VoVI）。 解： VI25V ，D1導通，D2截止。32532IOVVVI137.5V，D1、D2均導通。 VO=25V25300200)25(IOVVVO=100VVI25V75V100V25V50V100V125VVO50V75V150V0137.5例8：畫出理想二極管電路的傳輸特性（VoVI）。當VI0時D1截止D2導通IOVV210VIVO- - 5V+5V+5V- - 5V+2.5V- -2.5

12、V 已知二極管D的正向導通管壓降VD=0.6V，C為隔直電容，vi(t)為小信號交流信號源。試求二極管的靜態(tài)工作電流IDQ，以及二極管的直流導通電阻R直。 1. 求在室溫300K時，D的小信號交流等效電阻r交 。CR1KE1.5V+VD+vi(t)mAKVIDDQ9 . 015 . 1)(89.289 .026QTIVr交)(67.09 .06 .0kR直解：解：例10：例例3： 二極管限幅電路:已知電路的輸入波形為 v i ,二極管的VD 為0.6伏，試畫出其輸出波形。解：解：Vi 3.6V時，二極管導通，vo=3.6V。Vi 3.6V時，二極管截止， vo=Vi。特殊二極管特殊二極管穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管是應用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣。 穩(wěn)壓二極管在工作時應反接，并串入一只電阻。 電阻起限流作用，保護穩(wěn)壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。(2) 動態(tài)電阻動態(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， rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。 (3)(3) 最大耗散功率最大耗散功率 PZM 最大功率損耗取決于PN結的面積和散熱等條件。反向工作時PN結