二極管及其基本電路簡介

1、二極管及其基本電路簡介 在自然界中，存在著各種各樣的物理量，其中一類物理量的變化在時(shí)間上和數(shù)值上都是連續(xù)的，稱為模擬量。例如溫度、壓力、交流電壓等是典型的模擬量。表示模擬量的信號(hào)叫做模擬信號(hào)，人們?yōu)榱烁脑旌驼鞣匀痪蛯W(xué)要多這些模擬量進(jìn)行采集、處理和反饋，我們把傳送、變換、處理模擬信號(hào)的電子電路稱為模擬電路，大家熟悉的各種放大電路就是典型的模擬電路。 那么這些微弱的模擬量是怎樣采集、放大和處理的呢？要用到什么樣的材料和處理方法呢？ 上次課簡單回顧3 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3.1

2、半導(dǎo)體的基本知識(shí) 半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體在自然界中，根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力的差別，可將它們劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。如：金屬如：橡膠、陶瓷、塑料和石英等等 3.1.1 半導(dǎo)體材料典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。硅原子和鍺原子的結(jié)構(gòu)SiGe+4半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。為方便起見，常表示如下： 3.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)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) 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(jià)鍵中的空位。電子空穴

3、對(duì)由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)?？昭ǖ囊苿?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。由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生空穴電子對(duì)詞條： 本征半導(dǎo)體定義：純凈的、不含其他雜質(zhì)的半導(dǎo)體。在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛其中，不能成為自由電子，此時(shí)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。+4+4+4+4T=0K時(shí)本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖： 制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。溫度升高后，比如室溫下本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖+4+4+4+4自由電子空穴溫度導(dǎo)致的本征激發(fā)+4+4+4+4這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱

4、熱激發(fā)。所謂本征激發(fā)，就是由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生電子空穴對(duì)的過程。電子空穴對(duì)+4+4+4+4電子空穴對(duì)復(fù)合：與本征激發(fā)現(xiàn)象相反，即自由電子遇到空穴并填補(bǔ)空穴，從而使兩者同時(shí)消失的現(xiàn)象。在一定溫度下，本征激發(fā)與復(fù)合這二者產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)目相等，達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。+4+4+4+4電子空穴對(duì)注意：在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，故在任何時(shí)候，本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴數(shù)總是相等的。E自由電子帶負(fù)電荷，形成電子流兩種載流子空穴視為帶正電荷，形成空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制+4+4+4+4自由電子空穴電 子 流空 穴 流本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電流的根本原因：共價(jià)鍵中空穴的出現(xiàn)?？昭?/p>

5、越多，載流子數(shù)目就越多，形成的電流就越大。自由電子帶負(fù)電荷，形成電子流E兩種載流子空穴視為帶正電荷，形成空穴流+4+4+4+4自由電子空穴電 子 流空 穴 流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。 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)，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)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。因摻入雜質(zhì)性質(zhì)不同，可分為：空穴（P）型半導(dǎo)體

6、電子（N）型半導(dǎo)體【Positive】【Negative】 1. N型半導(dǎo)體 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。 在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。 多數(shù)載流子（多子）自由電子； 少數(shù)載流子（少子）空穴。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖+4+4+5+4在硅（或鍺）的晶體中摻入少量5價(jià)雜質(zhì)元素，如磷，砷等。N型半導(dǎo)體 多余的電子自由電子的來源：（1）本征

7、激發(fā)產(chǎn)生（少量的）（2）摻入雜質(zhì)元素后多余出來的（大量的） 多數(shù)載流子（多子）自由電子； 少數(shù)載流子（少子）空穴。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖+4+4+5+4在硅（或鍺）的晶體中摻入少量5價(jià)雜質(zhì)元素，如磷，砷等。多余的電子施主原子空穴的來源：只有本征激發(fā)產(chǎn)生（少量的）N型半導(dǎo)體 2. P型半導(dǎo)體 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。 在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；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。三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。+4+4+3+4P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖在硅（或鍺）

8、的晶體中摻入少量3價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。P型半導(dǎo)體 空穴 多數(shù)載流子（多子）空穴； 少數(shù)載流子（少子）自由電子?？昭ǖ膩碓矗海?）本征激發(fā)產(chǎn)生（少量的）（2）摻入雜質(zhì)元素后多余出來的（大量的）+4+4+3+4P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖在硅（或鍺）的晶體中摻入少量3價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭ㄊ苤髟?多數(shù)載流子（多子）空穴； 少數(shù)載流子（少子）自由電子。自由電子的來源：只有本征激發(fā)產(chǎn)生（少量的）P型半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示方法+P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體少子濃度只與溫度有關(guān)多子濃度主要受摻入雜質(zhì)濃度的影響負(fù)離子空穴正離子自由電子+P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體負(fù)離子空穴正離子自由電子注意：半導(dǎo)體中的正負(fù)電荷數(shù)是

9、相等的，其作用相互抵消，因此對(duì)外保持電中性。雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示方法 3. 雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 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 =1.41010/cm31 本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 3以上三個(gè)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 本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體 本節(jié)中的有關(guān)概念 自由電子、空穴 N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體 多數(shù)載流子、少數(shù)載流子 施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)end3.2 PN結(jié)的形成及特性 PN

10、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) 載流子的漂移與擴(kuò)散 3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運(yùn)動(dòng)： 在電場作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)： 由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 3.2.2 PN結(jié)的形成 3.2.2 PN結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(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。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(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(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)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面

11、，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。 3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中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；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。 (1) PN結(jié)加正向電壓時(shí) 低電阻 大的正向擴(kuò)散電流 3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中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；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。 (2) PN結(jié)加反向電壓時(shí) 高電阻 很小的反向漂移電流 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(gè)電流也稱為反

12、向飽和電流。 歸納： PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導(dǎo)通； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。在于它的耗盡層的存在，且其寬度隨外加電壓而變化。關(guān) 鍵這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(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） 3.2.4 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)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿不可逆 雪崩擊穿 齊納擊穿 電擊穿可逆 3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng)(1) 擴(kuò)散電

13、容CD擴(kuò)散電容示意圖 3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng) (2) 勢壘電容CBend小節(jié)：半導(dǎo)體中有兩種載流子：電子和空穴。載流子有兩種運(yùn)動(dòng)方式：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)。本征激發(fā)使半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，但它們的數(shù)目很少，并與溫度有密切關(guān)系。 在純半導(dǎo)體中摻入不同的有用雜質(zhì)，可分別形成P型和N型兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體。它們是各種半導(dǎo)體器件的基本材料。 PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)，如二極管由一個(gè)PN結(jié)加引線組成。因此，掌握PN結(jié)的特性對(duì)于了解和使用各種半導(dǎo)體器件有著十分重要的意義。PN結(jié)的重要特性是單向?qū)щ娦浴?3.3 半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 二極管的伏安特性 二極管的主要參數(shù)3.3.1 半導(dǎo)體

14、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(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類。(1) 點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。（a）面接觸型 （b）集成電路中的平面型 （c）代表符號(hào) (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)面接觸型幾種常見二極管實(shí)物圖觸發(fā)二極管開關(guān)二極管 3.3.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I 特性硅二極管2CP10的V-I 特性 3.3.3 二極管的主要參數(shù)(1) 最大整流電流IF(2) 反向擊穿電壓VBR和最大反向工

15、作電壓VRM(3) 反向電流IR(4) 正向壓降VF(5) 極間電容CJ（CB、 CD ）end 二極管基本電路及其分析方法 3.4.1 簡單二極管電路的圖解分析方法 二極管電路的簡化模型分析方法3.4.1 簡單二極管電路的圖解分析方法 二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V -I 特性曲線。例3.4.1 電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD 。 解：由電路的KVL方程，可得 即 是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線 Q的坐標(biāo)值（V

16、D，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn) 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I 特性的建模 將指數(shù)模型 分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型 （a）V-I特性 （b）代表符號(hào) （c）正向偏置時(shí)的電路模型 （d）反向偏置時(shí)的電路模型 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I 特性的建模（2）恒壓降模型（a）V-I特性 （b）電路模型 （3）折線模型（a）V-I特性 （b）電路模型 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I 特性的建模（4）小信號(hào)模型vs =0 時(shí), Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn) ，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。vs =Vmsint

17、 時(shí)（VmVT 。 （a）V-I特性 （b）電路模型 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法2模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（a）電路圖 （b）vs和vo的波形2模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k） 當(dāng)VDD=10V 時(shí)，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)VDD=1V 時(shí)，（自看）（a）簡單二極管電路 （b）習(xí)慣畫法 2模型分析法應(yīng)用舉例（3）限幅電路 電路如圖，R = 1k，VREF = 3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI = 6sint V時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。 2模型分析法應(yīng)用舉例（4）開關(guān)電路電

18、路如圖所示，求AO的電壓值解： 先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位， 即O點(diǎn)為0V。 則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時(shí)正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。end2模型分析法應(yīng)用舉例（6）小信號(hào)工作情況分析圖示電路中，VDD = 5V，R = 5k，恒壓降模型的VD，vs wt V。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。 直流通路、交流通路、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。3.5 特殊二極管 齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)1.符號(hào)及穩(wěn)壓特性 利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。(1) 穩(wěn)定電壓VZ(2) 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(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)VZ2. 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)3.5.1 齊納二極管3. 穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時(shí)