康華光模擬第2章二極管及其應(yīng)用電路

1、半導(dǎo)體的基本知識(shí)PN結(jié)的形成及特性半導(dǎo)體二極管特殊二極管二極管基本電路分析半導(dǎo)體的基本知識(shí)本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用雜質(zhì)半導(dǎo)體 根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體的電阻率為10-3109 cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體的特點(diǎn)：1）導(dǎo)電能力不同于導(dǎo)體、絕緣體；2）受外界光和熱刺激時(shí)電導(dǎo)率發(fā)生很大變化光敏元件、熱敏元件；3）摻進(jìn)微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力顯著增加半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 和是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱(chēng)為價(jià)電子。它們分別與周?chē)乃膫€(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。 原子按一定規(guī)律整齊排列，形成晶體點(diǎn)

2、陣后，結(jié)構(gòu)圖為：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4返回本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。載流子可以自由移動(dòng)的帶電粒子。電導(dǎo)率與材料單位體積中所含載流子數(shù)有關(guān)，載流子濃度越高，電導(dǎo)率越高。返回電子空穴對(duì)電子空穴對(duì) 當(dāng)T=0K和無(wú)外界激發(fā)時(shí)，導(dǎo)體中沒(méi)有栽流子，不導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以?huà)昝撛雍说氖`，而參與導(dǎo)電，成為自由電子本證激發(fā)。 自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，這個(gè)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(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱(chēng)為電子空穴對(duì)。本征激發(fā)動(dòng)畫(huà)1-1空穴空穴返回雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)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(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。返回+5+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)的元素（硼）+3空穴空穴空穴空穴返回N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為電子，少數(shù)載

4、流子是空穴；P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為空穴，少數(shù)載流子是電子。例：純凈硅晶體中硅原子數(shù)為1022/cm3數(shù)量級(jí)， 在室穩(wěn)下，載流子濃度為ni=pi=1010數(shù)量級(jí)， 摻入百萬(wàn)分之一的雜質(zhì)（1/10-6），即雜質(zhì)濃度為1022*（1/106）=1016數(shù)量級(jí)， 則摻雜后載流子濃度為1016+1010，約為1016數(shù)量級(jí)，比摻雜前載流子增加106，即一百萬(wàn)倍。返回10PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的形成及特性 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)的形成PN結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散 因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由由雜質(zhì)離子雜質(zhì)離

5、子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng) 動(dòng)畫(huà)+ 五價(jià)的元素+ 三價(jià)的元素產(chǎn)生多余電子產(chǎn)生多余電子產(chǎn)生多余空穴產(chǎn)生多余空穴PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(1) PN結(jié)加正向電壓 外加的正向電壓，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏。 動(dòng)畫(huà) 外加反向電壓,方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性

6、。 P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)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(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱(chēng)為反向飽和電流。 動(dòng)畫(huà)（2）PN結(jié)加反向電壓結(jié)加反向電壓總之：PN結(jié)正向電阻小，反向電阻大單向?qū)щ娦?。返回半?dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 二極管二極管 ：一個(gè)PN結(jié)就是一個(gè)二極管。單向?qū)щ姡簡(jiǎn)蜗驅(qū)щ姡憾O管正極接電源正極，負(fù)極接電源負(fù)極時(shí)電流可以通過(guò)。反之電流不能通過(guò)。符號(hào)： 二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型二大類(lèi)。(1) 點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)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(jié)面積大，用于大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線(xiàn) 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(chēng)為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q 為電子電荷量，T 為熱力學(xué)溫度。對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300 K），則有VT=26 mV。) 1(eTSVVDII 第一象限的是正向伏安特性曲線(xiàn)，第三象限的是反向伏安特性曲線(xiàn)。(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(dāng)0VVth時(shí)，正向電流為零，Vth稱(chēng)死區(qū)電壓或開(kāi)啟電壓。正向區(qū)分為兩段： 當(dāng)V Vth時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)

8、律增長(zhǎng)。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域： 當(dāng)VBRV0時(shí)，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱(chēng)反向飽和電流IS 。 當(dāng)VVBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱(chēng)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??；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過(guò)渡比較圓滑，反向飽和電流較大。 若|VBR|7V時(shí),主要是雪崩擊穿；若|VBR|4V時(shí), 則主要是齊納擊穿。(3) 反向擊穿特性半導(dǎo)體二極管的參數(shù)(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(jí)；鍺二極管在微安(A)級(jí)。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(shí)，允許流過(guò)的最大整流電流的平均值。二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱(chēng)為反向擊穿電壓VBR。為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。二極管基本電路分析二極管基本電路分析正向偏置時(shí)：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時(shí)：電流為0，電阻為。當(dāng)iD1mA時(shí)， vD=0.7V。（實(shí)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(shí)，二極管的 電流ID、電壓VD 值。解：解：正向偏置時(shí)：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時(shí)：電流為0，電阻為。mAKVVRVVIDDDD93. 0107 . 01020015 . 07 . 0mAVViVVrDthDDmAKKVVrRVVIDthDDD931. 02 . 0105 . 010VKmAVrIVVDDD69. 02 . 0931. 05 . 05 . 0VVD0mAKVRVIDDD11010當(dāng)iD1mA時(shí)， vD=0.7V。VVD7 . 02.限幅電路限幅電路VRVmvit0Vi VR時(shí)，二極

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

12、V 已知二極管D的正向?qū)ü軌航礦D=0.6V，C為隔直電容，vi(t)為小信號(hào)交流信號(hào)源。試求二極管的靜態(tài)工作電流IDQ，以及二極管的直流導(dǎo)通電阻R直。 1. 求在室溫300K時(shí)，D的小信號(hào)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(huà)出其輸出波形。解：解：Vi 3.6V時(shí)，二極管導(dǎo)通，vo=3.6V。Vi 3.6V時(shí)，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(yīng)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(xiàn)與硅二極管的伏安特性曲線(xiàn)完全一樣。 穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。 電阻起限流作用，保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過(guò)該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。(2) 動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)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(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時(shí)PN結(jié)