模擬電子技術(shù)第五第二章半導(dǎo)體二極管及基本電路

1、2.1 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)體第一頁，共五十二頁。 2.1.1 半導(dǎo)體材料導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。第二頁，共五十二頁。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如： 當(dāng)受外界熱和光的作用時，它的導(dǎo)電能 力明顯變化。 往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使 它的導(dǎo)電能力明顯改變。第三頁，共五十二頁。 2.1.

2、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)。空穴共價鍵中的空位。電子空穴對由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對?？昭ǖ囊苿涌昭ǖ倪\(yùn)動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。由于隨機(jī)熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴電子對第四頁，共五十二頁。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流。第五頁，共五十二頁。在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)

3、生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N 型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。2.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體第六頁，共五十二頁。 1. N型半導(dǎo)體 2.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而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。 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雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。第七頁，共五十二

4、頁。 2. P型半導(dǎo)體 2.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 因三價雜質(zhì)原子在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，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。三價雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。第八頁，共五十二頁。N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體+雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖多子電子少子空穴多子空穴少子電子少子濃度與溫度有關(guān)，與摻雜無關(guān)多子濃度與溫度無關(guān)，與摻雜有關(guān) 2.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體第九頁，共五十二頁。 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

5、質(zhì)、受主雜質(zhì)第十頁，共五十二頁。2.2 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) 載流子的漂移與擴(kuò)散第十一頁，共五十二頁。 2.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運(yùn)動： 由電場作用引起的載流子的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動： 由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。第十二頁，共五十二頁。P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E漂移運(yùn)動擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g

6、電荷區(qū)，也稱耗盡層。第十三頁，共五十二頁。漂移運(yùn)動P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第十四頁，共五十二頁。+空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0第十五頁，共五十二頁。1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴.N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動（擴(kuò)散運(yùn)動）。3.P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:第十六頁，共五十二頁。 2.2.3 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

7、之稱為加反向電壓，簡稱反偏。 (1) 加正向電壓（正偏）電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)REW外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。外電場削弱內(nèi)電場耗盡層變窄擴(kuò)散運(yùn)動漂移運(yùn)動多子擴(kuò)散形成大的正向電流I F （低電阻）正向電流第十七頁，共五十二頁。 2.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2) 加反向電壓（反偏）電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū) 外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。外電場加強(qiáng)內(nèi)電場耗盡層變寬漂移運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動少子漂移形成很小的反向電流I R（高電阻）PN在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。 第十八頁，共五十二頁。PN結(jié)加正向電壓

8、時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；導(dǎo)通PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。截止結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦??？?結(jié)第十九頁，共五十二頁。2.3 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)第二十頁，共五十二頁。2.3.1 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(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類。(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。PN二極管的電路符號：第二十一頁，共五十二頁。（a）面接觸型 （b）集成電路中的平面型 （c）代表符號 (2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用于工

9、頻大電流整流電路。(b)面接觸型第二十二頁，共五十二頁。常見的半導(dǎo)體二極管第二十三頁，共五十二頁。半導(dǎo)體二極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge， C為N型Si， D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。第二十四頁，共五十二頁。UI死區(qū)電壓 硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。反向擊穿電壓UBR 2.3.2 二極管的伏安特性第二十五頁，共五十二頁。 2.3.3 二極管的主要參數(shù)1. IF 最大整流電流(最大

10、正向平均電流)2. UR 最高反向工作電壓，為 U(BR) / 2 3. IR 反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?4. fM 最高工作頻率(超過單向?qū)щ娦宰儾?iDuDV (BR)I FURMO影響工作頻率的原因 PN 結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)論：1.低頻時，因結(jié)電容很小，對 PN 結(jié)影響很小。 高頻時，因容抗小，使結(jié)電容分流，導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾睢?.結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。第二十六頁，共五十二頁。2.4 二極管基本電路及其分析方法2.4.1 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第二十七頁，共五十二頁。2.4.1 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

11、一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(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。第二十八頁，共五十二頁。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（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)例2.4.1 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 。 第二十九頁，共五十二頁。 2.4.2 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（1）理想模型 （a）V-I特性 （b）代表符號 （c）正向偏置時的電路模型 （d）反向偏置時的電路模型適用條件：

12、電源電壓遠(yuǎn)大于二極管的管壓降第三十頁，共五十二頁。 2.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法（2）恒壓降模型（a）V-I特性 （b）電路模型 適用條件：二極管電流iD遠(yuǎn)大于1mA,應(yīng)用較廣。正偏導(dǎo)通，管壓降是恒定的0.7V第三十一頁，共五十二頁。（3）折線模型（a）V-I特性 （b）電路模型 適用條件：電源電壓比較低的時候，折線模型適合。1、折線模型中管壓降不是恒定的，而是隨著通過二極管的電流的增加而增加2、折線模型中電池電壓為二極管門檻電壓VTH=0.5V3、電阻rD設(shè)定：當(dāng)二極管導(dǎo)通電流為1mA時，管壓降為0.7V。電阻rD =(0.7V-0.5V)/1mA=200第三十二頁，共五十二頁。

13、 2.4.2 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的波形第三十三頁，共五十二頁。u20 時D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:A D1RLD3Bu20 時D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:B D2RLD4A輸出是脈動的直流電壓！u2橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoAB第三十四頁，共五十二頁。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，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)（a）簡單二極管電路 （b）習(xí)慣畫法

14、第三十五頁，共五十二頁。 當(dāng)輸入信號電壓在一定范圍內(nèi)變化時, 輸出電壓隨輸入電壓相應(yīng)變化； 而當(dāng)輸入電壓超出該范圍時, 輸出電壓保持不變, 這就是限幅電路。 通常將輸出電壓uo開始不變的電壓值稱為限幅電平, 當(dāng)輸入電壓高于限幅電平時, 輸出電壓保持不變的限幅稱為上限幅；當(dāng)輸入電壓低于限幅電平時, 輸出電壓保持不變的限幅稱為下限幅。2模型分析法應(yīng)用舉例（3）限幅電路第三十六頁，共五十二頁。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，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。 第三十七頁，共五十

15、二頁。2模型分析法應(yīng)用舉例（4）開關(guān)電路電路如圖所示，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接入時正向?qū)ā?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。第三十八頁，共五十二頁。UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。+-UZ動態(tài)電阻：rz越小，穩(wěn)壓性能越好。2.5 特殊二極管 齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)1.符號及穩(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)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。 UZ=8V， rz最小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定性最好第三十九頁

16、，共五十二頁。(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)VZ2. 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)2.5.1 齊納二極管第四十頁，共五十二頁。 1. 穩(wěn)定電壓Uz 穩(wěn)定電壓是穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。由于穩(wěn)定電壓隨著工作電流的不同而略有變化, 因而測試Uz時應(yīng)使穩(wěn)壓管的電流為規(guī)定值。穩(wěn)定電壓是根據(jù)要求挑選穩(wěn)壓管的主要依據(jù)之一。不同型號的穩(wěn)壓管, 其穩(wěn)定電壓值不同。同一型號的管子, 由于制造工藝的分散性, 各

17、個管子的值也有差別。例如穩(wěn)壓管DW7C, 其.1.V, 表明均為合格產(chǎn)品, 其穩(wěn)定值有的管子是.V, 有的可能是.V等等, 但這并不意味著同一個管子的穩(wěn)定電壓的變化范圍有如此大。 第四十一頁，共五十二頁。 2. 動態(tài)電阻rz 是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時, 兩端電壓變化量與電流變化量之比, 即。值越小, 則穩(wěn)壓性能越好。同一穩(wěn)壓管,一般工作電流越大時, 值越小。 通常手冊上給出的值是在規(guī)定的穩(wěn)定電流之下測得的。 第四十二頁，共五十二頁。 3. 額定功耗Pz 由于穩(wěn)壓管兩端的電壓值為,而管子中又流過一定的電流, 因此要消耗一定的功率。這部分功耗轉(zhuǎn)化為熱能, 會使穩(wěn)壓管發(fā)熱。取決于穩(wěn)壓管允許的溫升。 表

18、-給出幾種穩(wěn)壓管的典型參數(shù)。其中DW7系列的穩(wěn)壓管是一種具有溫度補(bǔ)償效應(yīng)的穩(wěn)壓管,用于電子設(shè)備的精密穩(wěn)壓源中。管子內(nèi)部實(shí)際上包含兩個溫度系數(shù)相反的二極管對接在一起。當(dāng)溫度變化時, 一個二極管被反向偏置, 溫度系數(shù)為正值；而另一個二極管被正向偏置, 溫度系數(shù)為負(fù)值, 二者互相補(bǔ)償, 使、兩端之間的電壓隨溫度的變化很小。它們的電壓溫度系數(shù)比其它一般的穩(wěn)壓管約小一個數(shù)量級。如DW7C, =0.005%/。 第四十三頁，共五十二頁。 4. 穩(wěn)定電流Iz 穩(wěn)定電流是使穩(wěn)壓管正常工作時的最小電流, 低于此值時穩(wěn)壓效果較差。工作時應(yīng)使流過穩(wěn)壓管的電流大于此值。一般情況是, 工作電流較大時, 穩(wěn)壓性能較好。但電流要受管子功耗的限制, 即 Iz max=Pz/Uz。 第四十四頁，共五十二頁。 5. 電壓溫度系數(shù) 指穩(wěn)壓管溫度變化時, 所引起的穩(wěn)定電壓變化的百分比。一般情況下, 穩(wěn)定電壓大于V的穩(wěn)壓管, 為正值, 即當(dāng)溫度升高時, 穩(wěn)定電壓值增大。如CW,10.5V, .%/, 說明當(dāng)溫度升高時, 穩(wěn)定電壓增大0.09%。而穩(wěn)定電壓小于V的穩(wěn)壓管