模擬電子技術(shù)：第3章 二極管及其基本電路

1、38-1 二極管及其基本電路38-2本章主要內(nèi)容一、半導(dǎo)體器件基礎(chǔ) 半導(dǎo)體的基本知識(3.1) PN結(jié)的形成及特性（3.2）二、半導(dǎo)體二極管 二極管器件（3.3） 二極管電路分析（3.4）三、其它電子器件（3.5）（補充）38-33.1 半導(dǎo)體的基本知識 半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體38-4 3.1.1 半導(dǎo)體材料 根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs等。導(dǎo)體能力最強（如：金屬等）絕緣體不能導(dǎo)電（如：橡膠、木材、塑料）半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于兩者之間，優(yōu)點是通過一定方法可以控制其導(dǎo)電性。38-5 3.1

2、.2 半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅晶體的空間排列（4價元素）38-6 3.1.2 半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)38-7 3.1.3 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。 它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)?？昭ü矁r鍵中的空位。電子由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子?？昭ǖ囊苿涌昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。38-8 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。摻雜后可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性顯著變化摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。 N型半導(dǎo)體摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。38-9 1. N型

3、半導(dǎo)體 現(xiàn)象：五價雜質(zhì)原子與四價原子形成共價鍵，多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子（由雜質(zhì)原子提供）；空穴是少數(shù)載流子（ 由熱激發(fā)形成）。五價雜質(zhì)原子因提供自由電子，帶正電荷成為正離子。38-10 2. P型半導(dǎo)體 現(xiàn)象：三價雜質(zhì)原子與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子（由摻雜形成）；自由電子是少數(shù)載流子（ 由熱激發(fā)形成）。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。38-11本征半導(dǎo)體摻雜后導(dǎo)電性有很大的影響典型的數(shù)據(jù)如下: T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =

4、1.41010/cm31 本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。 2摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=51016/cm3 3. 雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響38-12 本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體 自由電子、空穴 N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子 P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子 回顧3.1節(jié)中的有關(guān)概念end38-133.2 PN結(jié)的形成及特性 PN結(jié)的形成 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)的反向擊穿 PN結(jié)的電容效應(yīng)38-14 3.3.1 PN結(jié)的形成離子不運動內(nèi)電場載流子運動運動38-15 在一塊本征半導(dǎo)體在兩

5、側(cè)通過擴散雜質(zhì),形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時其結(jié)合面上形成如下物理過程: 因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴散 最后,多子的擴散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。 對于結(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。 多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 38-16 3.3.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(1) PN結(jié)加正向電壓EPN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況方法: P區(qū)接正極，N區(qū)接負(fù)極PN結(jié)伏安特性思考：有利于何種載流子運動？38-17PN結(jié)的伏安特性 3.3.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(2) PN結(jié)加反向電壓時PN結(jié)加反向電壓

6、時的導(dǎo)電情況方法: 區(qū)接正極，區(qū)接負(fù)極思考：有利于何種載流子運動？38-18 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(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流Is。微安級 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?8-19PN結(jié)加正向電壓，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結(jié)加反向電壓，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。結(jié)論：38-20 (3) PN結(jié)V- I 特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS 反向飽和電流VT 溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）38-21 3.3.3 PN結(jié)的反向擊穿 思考：

7、當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定大數(shù)值時，估計出現(xiàn)什么現(xiàn)象？熱擊穿不可逆 雪崩擊穿 齊納擊穿 電擊穿可逆現(xiàn)象：反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。38-22 3.3.4 PN結(jié)的電容效應(yīng) (1) 勢壘電容CB勢壘電容示意圖勢壘電容是由阻擋層內(nèi)空間電荷引起的。38-23(2) 擴散電容CD擴散電容示意圖end擴散電容是結(jié), 多數(shù)載流子在擴散過程中引起電荷積累而產(chǎn)生的。38-24回顧3.2節(jié)概念怎樣形成PN結(jié)擴散運動和飄移運動區(qū)別什么是空間電荷區(qū)/耗盡層/PN結(jié)PN結(jié)加正向電壓和反向電壓的區(qū)別內(nèi)電場和外電場單向?qū)щ娦訮N結(jié)電容效應(yīng)38-253.3 半導(dǎo)體二極管 3.3.1 半導(dǎo)體二極管的

8、結(jié)構(gòu)（認(rèn)識） 3.3.2 二極管的伏安特性（掌握） 3.3.3 二極管的參數(shù)（了解）38-261945年美國貝爾實驗室成立人固體物理研究組，組長：肖克利1947.12.16 肖克利,巴丁,布拉坦為代表,發(fā)明第一只晶體管(點接觸型);1947.12.23 使用這種晶體管做了語音放大器(稱“獻(xiàn)給圣誕的禮物”，晶體管發(fā)明日）1948年美國專利局批準(zhǔn)晶體管發(fā)明專利 肖克利,巴丁,布拉坦講一個故事晶體管的問世38-271951年 研制成功結(jié)型晶體管貝爾實驗室最初研究晶體管目的是為了改進(jìn)電話繼電器，后來在1953年采用晶體管的助聽器問世，1954年第一臺晶體管收音機投入市場。1955年第一臺全晶體管（80

9、0只）計算機研制成功。1956年 肖克利,巴丁,布拉坦 三人獲諾貝爾物理獎。晶體管的問世為集成電路發(fā)展奠定基礎(chǔ)38-28 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)”發(fā)明時代”最偉大的三位發(fā)明家和創(chuàng)造者.杰克.基爾比“集成電路第一發(fā)明人”1924-2005威廉.肖克利“晶體管之父”1910-1989羅伯特.諾伊斯“集成電路共同發(fā)明人”1927-1990他們是集成電路之父，他們是硅谷的開創(chuàng)者，他們改變了我們的世界. 38-29肖克利的另一個偉大成就在于在硅谷創(chuàng)辦了肖克利半導(dǎo)體實驗室，為硅谷吸引了大量的人才和關(guān)注，被譽為“硅谷的摩西”。然而，由于不善經(jīng)營管理和難以與人相處，這個科學(xué)天才的八位杰出弟子最終棄他而去，成為硅谷歷史上著

10、名的“八叛逆”(Traitorous Eight)。 38-30基爾比性格溫和、謙虛和寡言，淡看名利，保持技術(shù)本色，遵守科學(xué)原理歹人待彬有禮，贏得人們的尊敬。在德州儀器曾擔(dān)任管理職務(wù)，除了集成電路，他還在其它兩項發(fā)明中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，一個是手持電子計算器，另一個是熱敏打印機?；鶢柋纫簧钟?0項電子發(fā)明專利。戈登摩爾評價說： “杰克基爾比一貫是工程師中的工程師”憑借集成電路方面所取得的成就，他于2000年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。38-31 3.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1) 點接觸型二極管 PN結(jié)面積

11、小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖38-32(3) 平面型二極管 往往用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4) 二極管的代表符號38-33半導(dǎo)體二極管圖片38-3438-35end38-36 3.3.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性公式硅二極管2CP10的V-I 特性鍺二極管2AP15的V-I 特性正向特性反向特性反向擊穿特性反向飽和電流Is反向擊穿電壓死區(qū)電壓38-37幾個典型值:(1)死區(qū)電壓硅管 Uth =(0.50.6

12、)V， 鍺管 Uth =(0.10.2)V。(2) 反向電流Is 硅管 Is小于0.1A， 鍺管 Is小于幾十A。鍺二極管2AP15的V-I 特性38-38注意: PN結(jié)特性對溫度敏感,溫度每升高10，反向 飽和電流IS增大一倍。保證PN結(jié)正常工作，最高工作溫度限制：硅材料約為(150200)鍺材料約為(75100)38-39器件性能質(zhì)量和安全工作范圍的重要數(shù)據(jù)。合理選擇和使用器件的依據(jù)。產(chǎn)品手冊中查到，也可以通過直接測量得到。 3.3.3 二極管的參數(shù)（1）直流電阻RD和 交流電阻rD38-40（2）最大整流電流IF IF指二極管允許通過的最大正向平均電流。實際應(yīng)用時，流過二極管的平均電流不

13、能超過此值。（3）最大反向工作電壓URM URM指二極管工作時所允許加的最大反向電壓，超過此值容易發(fā)生反向擊穿。通常取UBR的一半作為URM 。 （4）反向電流IR IR指二極管未擊穿時的反向電流。 IR越小，單向?qū)щ娦阅茉胶?。IR與溫度密切相關(guān)，使用時應(yīng)注意IR的溫度條件。38-41 六、最高工作頻率fM fM是與結(jié)電容有關(guān)的參數(shù)。工作頻率超過fM時，二極管的單向?qū)щ娦阅茏儔摹?需要指出，由于器件參數(shù)分散性較大，手冊中給出的一般為典型值；必要時應(yīng)通過實際測量得到準(zhǔn)確值。另外，應(yīng)注意參數(shù)的測試條件，當(dāng)運用條件不同時，應(yīng)考慮其影響。了解典型國產(chǎn)二極管參數(shù)表38-42常用晶體二極管的識別 (200

14、7-03-21 23:00:08) 分類：電子元件基礎(chǔ)(共五章) 補充二極管的識別方法小功率二極管的N極（負(fù)極），在二極管外表大多采用一種色圈標(biāo)出來，也有采用符號標(biāo)志為“P”、“N”來確定二極管極性的。發(fā)光二極管的正負(fù)極可從引腳長短來識別，長腳為正，短腳為負(fù)。測試注意：用數(shù)字式萬用表測二極管時，紅表筆接二極管的正極，黑表筆接二極管的負(fù)極，此時測得二極管的正向?qū)ㄗ柚?，這與指針式萬用表的表筆接法剛好相反。、常用的1N4000系列二極管耐壓比較如下：型號：1N40011N40021N40031N40041N40051N40061N4007耐壓（V）501002004006008001000電流（A

15、）均為138-433.4 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38-44 3.4.1 二極管V- I 特性的建模 1. 理想模型3. 折線模型 3. 恒壓降模型38-45 1. 理想模型正偏時：VD=0，產(chǎn)生iD 反偏時：電阻無窮， iD=038-46 3. 恒壓降模型正偏時：VD=0.7V(硅)，產(chǎn)生iD VD=0.V(鍺)反偏時：電阻無窮， iD=038-473. 折線模型一般計算取值:正偏時：VD=Vth+VrD 產(chǎn)生iD Vth=0.5V(硅) Vth=0.1V(鍺) rD=200 反偏時：電阻無窮， iD=0rD=(0.7-0.5)

16、/1mA =200管壓降為0.7V,導(dǎo)通電流在1mA時38-48 4. 小信號模型 二極管在正向特性小范圍內(nèi)時，等效微變電阻。即根據(jù)得Q點處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）Q點處38-49 3.4.2 應(yīng)用舉例例3.4.1 二極管電路如圖所示,R=10k ,折線型分別應(yīng)用三種模型，求兩種情況下的ID和VD。（1） VDD =10V（2） VDD =1V公共地設(shè)38-50 1. 二極管(硅)靜態(tài)工作分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V 時恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)38-51（2）VDD=1V 時理想模型恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)

17、38-52思考：例.留給我們的啟示?(1)VDD 取一定值時，三種模型的分析計算方法。（2）理想模型分析簡單，但誤差大，適于定性分析（3）VDD大時（10V），恒壓模型和折線模型接近； VDD小時（1V），恒壓模型和折線模型有差別。38-53例3.4.2 限幅電路分析。已知：R=1k VREF=3V 硅管 rD=200（1）當(dāng)Vi=0V，4V，6V時，Vo=？采用折線模型（2）當(dāng)Vi=6sinwt V ，畫出Vo波形 采用恒壓模型 選折線模型等效電路38-54解(1)當(dāng)Vi=0V 二極管反偏（截止），ID=0，Vo=0V當(dāng)Vi= 4V Vo= VREF +Vth+（Vi- VREF Vth)r

18、D/（R+ rD ）=3.583V當(dāng)Vi= 6V Vo= VREF +Vth+（Vi- VREF Vth)rD/（R+ rD ）=3.917V38-55 恒壓降模型解(2) 分析思路二極管截止，Vo= Vi=6sinwt V 二極管導(dǎo)通，Vo=3.7 V VREF=3V3.7V6VViVo38-563.5 特殊二極管 3.5.1 穩(wěn)壓二極管(齊納二極管） 3.5.2 變?nèi)荻O管 3.5.3 肖特基二極管3.5.4 發(fā)光二極管和光電二極管38-573.5.1 穩(wěn)壓二極管1. 符號及穩(wěn)壓特性(a)符號(b) 伏安特性利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。38-58(

19、1) 穩(wěn)定電壓VZ(2) 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(yīng)的反向工作電壓。rZ =VZ /IZ(3)最大耗散功率 PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)VZ3. 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)3.5.1 穩(wěn)壓二極管典型器件參數(shù)表8638-593.5.1 穩(wěn)壓二極管3. 穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時 VO =VZ# 穩(wěn)壓條件是什么？IZmin IZ IZmax# 不加R可以嗎？VZ反偏38-60 PN結(jié)加反向電壓時，結(jié)上呈現(xiàn)勢壘電容，該電容隨反向電壓增大而減小。利用這一特性制作的二極管，稱為變?nèi)荻O管。符號 變?nèi)荻O管的結(jié)電容與外加反向電壓的關(guān)系3.5.2 變?nèi)荻O管CV38-613.5.3 肖特基二極管(SBD) 肖特基二極管SBD特點:(1)制作原理特殊,一種多數(shù)載流子導(dǎo)電,電容效應(yīng)小,工作速度快,適于高頻或開關(guān)狀態(tài)應(yīng)用.(2) SBD的正向壓降約為0.2V肖特基二極管的符號38-623.5.3 光電二極管 光電二極管是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，其結(jié)