模電第三章二極管及其基本電路2009

第三章半導(dǎo)體二極管及其電路3.1半導(dǎo)體的基本知識3.3半導(dǎo)體二極管3.5特殊二極管及其電路3.2PN結(jié)的形成及特性3.4二極管基本電路及其分析方法半導(dǎo)體:

導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。3.1半導(dǎo)體的基本知識1、半導(dǎo)體及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)原子結(jié)構(gòu)簡化模型原子結(jié)構(gòu)簡化模型

本征半導(dǎo)體：—完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在T=0K和無外界激發(fā)時，沒有載流子，不導(dǎo)電。兩個價電子的共價鍵正離子核3.1半導(dǎo)體的基本知識2、本征半導(dǎo)體及共價鍵結(jié)構(gòu)3、半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理及特點(diǎn)自由電子空穴空穴——共價鍵中的空位空穴的移動——空穴的運(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。本征激發(fā)：由熱激發(fā)或光照而產(chǎn)生自由電子和空穴對。＋3.1半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體導(dǎo)電的重要特點(diǎn)：1.其能力容易受環(huán)境因素影響（溫度、光照等）；2.摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力。N型半導(dǎo)體摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）P型半導(dǎo)體摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）自由電子＝多子空穴＝少子空穴＝多子自由電子＝少子由熱激發(fā)形成它主要由雜質(zhì)原子提供空間電荷4、雜質(zhì)半導(dǎo)體3.1半導(dǎo)體的基本知識

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:（1）T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm3（3）本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

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=5×1016/cm35、雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響3.1半導(dǎo)體的基本知識本征半導(dǎo)體——本征激發(fā)自由電子空穴N型半導(dǎo)體、施主雜質(zhì)(5價)P型半導(dǎo)體、受主雜質(zhì)(3價)多數(shù)載流子、少數(shù)載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體復(fù)合半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)1： 其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響 溫度↑→載流子濃度↑→導(dǎo)電能力↑半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)2：摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力6、概念總結(jié)3.1半導(dǎo)體的基本知識1.濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動2.擴(kuò)散空間電荷區(qū)內(nèi)電場3.內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動

阻止多子的擴(kuò)散4、擴(kuò)散與漂移達(dá)到動態(tài)平衡載流子的運(yùn)動：擴(kuò)散運(yùn)動——濃度差產(chǎn)生的載流子移動漂移運(yùn)動——在電場作用下，載流子的移動P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散：空穴電子漂移：電子空穴形成過程可分成4步：內(nèi)電場1、PN結(jié)的形成3.2PN結(jié)的形成因濃度差

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)到一種動態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(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。擴(kuò)散>漂移否是寬1、PN結(jié)的形成3.2PN結(jié)的形成思考：只有在外加電壓時才…擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡將…？擴(kuò)散>漂移大的正向擴(kuò)散電流（多子）低電阻正向?qū)ㄆ?gt;擴(kuò)散很小的反向漂移電流（少子）高電阻反向截止2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2PN結(jié)的形成當(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)的單向?qū)щ娦?.2PN結(jié)的形成

(1)PN結(jié)加正向電壓時低電阻大的正向擴(kuò)散電流

(2)PN結(jié)加反向電壓時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)，這個電流也稱為反向飽和電流。2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2PN結(jié)的形成2、PN結(jié)方程PN結(jié)的伏安特性陡峭電阻小正向?qū)?、PN結(jié)的伏安特性特性平坦反向截止一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的。非線性！其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）近似估算正向：反向：3、PN結(jié)的伏安特性3.2PN結(jié)的形成當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，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(倍增）擊穿AvalancheMultiplicationBreakdown：材料摻雜濃度較低的PN結(jié)中，結(jié)反向電壓增大到一數(shù)值時，載流子倍增就像雪崩一樣，增加得多而快。

齊納擊穿ZenerBreakdown

：需要的電場強(qiáng)度很大，只有在雜質(zhì)濃度特別大PN結(jié)才做得到。電擊穿——可逆4、PN結(jié)的反向擊穿特性3.2PN結(jié)的形成/view/1155945.htm5、PN結(jié)的電容效應(yīng)之一(勢壘電容CB)3.2PN結(jié)的形成在積累空間電荷的勢壘區(qū)，當(dāng)PN結(jié)外加電壓變化時，引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，即耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，這種現(xiàn)象與電容器的充、放電過程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容。

勢壘電容具有非線性，它與結(jié)面積、耗盡層寬度、半導(dǎo)體的介電常數(shù)及外加電壓有關(guān)。6、PN結(jié)的電容效應(yīng)之二（擴(kuò)散電容CD）3.2PN結(jié)的形成對于正偏PN結(jié)，當(dāng)外加偏壓增大時，注入N區(qū)的空穴增加，在N區(qū)的空穴擴(kuò)散區(qū)內(nèi)形成空穴積累，為保持電中性條件，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電子濃度也相應(yīng)增加。電子注入P區(qū)情形類似，這種擴(kuò)散區(qū)中電荷隨外加偏壓變化而變化所產(chǎn)生的電荷存儲效應(yīng)等效為電容，稱擴(kuò)散電容。為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入P區(qū)的電子在P區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。注意：PN電容效應(yīng)在交流信號作用下才會表現(xiàn)出來。反向偏置時，由于少數(shù)載流子數(shù)目很少，可忽略擴(kuò)散電容。而勢壘電容在正偏和反偏時均不能忽略。PN結(jié)加上引線和封裝二極管按結(jié)構(gòu)分類點(diǎn)接觸型面接觸型平面型1、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)3.3半導(dǎo)體二極管（Diode)點(diǎn)接觸型面接觸型平面型2、半導(dǎo)體二極管的實(shí)物圖之一3.3半導(dǎo)體二極管（Diode)3、半導(dǎo)體二極管實(shí)物圖片之二3.3半導(dǎo)體二極管（Diode)圖一普通二極管，第一個是國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的畫法；圖二雙向瞬變抑制二極管；圖三分別是光敏或光電二極管，發(fā)光二極管；圖四為變?nèi)荻O管；圖五是肖特基二極管；圖六是恒流二極管；圖七是穩(wěn)壓二極管4、二極管的符號及含義3.3半導(dǎo)體二極管（Diode)3.PN結(jié)方程（近似）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Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）注意1.死區(qū)電壓（門坎電壓）2.反向飽和電流 硅：0.1A；鍺：10A5、二極管伏安特性3.3半導(dǎo)體二極管（Diode)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)極間電容CB硅二極管2CP10的V-I特性6、二極管的參數(shù)3.3半導(dǎo)體二極管（Diode)高頻情況下PN結(jié)等效電路6、二極管的參數(shù)(舉例）3.3半導(dǎo)體二極管（Diode)哪些參數(shù)對你重要？3.4二極管基本電路及其分析方法整流 限幅初步分析——依據(jù)二極管的單向?qū)щ娦訢導(dǎo)通：vO

=vI

-vDD截止：vO

=0D導(dǎo)通：vO

=vDD截止：vO

=vIvO

與vI

的關(guān)系由D的狀態(tài)決定1、二極管電路分析概述(舉例一)結(jié)果?分析任務(wù)：求vD、iD目的1:確定電路功能，即信號vI傳遞到vO，有何變化？目的2:判斷二極管D是否安全。首先，判斷D的狀態(tài)？若D反向截止，則相當(dāng)于開路（iD

0，ROFF∞）；若D正向?qū)ǎ瑒t？正向?qū)ǚ治龇椒ǎ簣D解法等效電路（模型）法——將非線性線性先靜態(tài)（直流），后動態(tài)（交流）靜態(tài)：vI

=0（正弦波過0點(diǎn)）動態(tài)：vI

03.4二極管基本電路及其分析方法2、含二極管電路分析思路

3、二極管狀態(tài)判斷已知：2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD

>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向擊穿iD

=

？vD

=

？二極管狀態(tài)判斷方法假設(shè)D截止(開路)，求D兩端開路電壓普通：熱擊穿－損壞齊納：電擊穿VD=-VBR=-40VVD>0VD正向?qū)ǎ?VBR<VD0VD反向截止,ID=0VD-VBRD反向擊穿,VD=-VBRD正向?qū)?？D正向?qū)?！試判斷圖題中二極管導(dǎo)通還是截止，為什么?3.4二極管基本電路及其分析方法3、含二極管電路分析(舉例二）VD=0.7V（硅）VD=0.2V（鍺）Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）（1）理想模型

（a）V-I特性（b）代表符號（c）正偏時電路模型（d）反偏時電路模型3.4二極管基本電路及其分析方法4、二極管的等效電路模型（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3.4二極管基本電路及其分析方法4、二極管的等效電路模型(4)小信號模型二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效為:微變電阻根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)常溫下（T=300K）3.4二極管基本電路及其分析方法4、二極管的等效電路模型例：求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V時（b）VDD=1V時VDD理想模型恒壓模型折線模型理想模型恒壓模型折線模型3.4二極管基本電路及其分析方法5、二極管等效電路模型應(yīng)用舉例uiuoOOtt(b)22DuiuoRL(a)++--（1）二極管半波整流電路3.4二極管基本電路及其分析方法5、含二極管電路應(yīng)用舉例t+-RDE2Vuiuo+-+-(a)05ui

/V-523)(bt02.7uo

/V-5232.7（2）二極管限幅電路(3)開關(guān)電路3.4二極管基本電路及其分析方法5、含二極管電路應(yīng)用舉例例：二極管開關(guān)電路如圖所示。當(dāng)V1和V2為0V或5V時，求V1和V2的值不同組合情況下，輸出電壓0的值。設(shè)二極管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-00

V1

V2

D1

D2

V0

0V

0V導(dǎo)通導(dǎo)通

0V

0V

5V導(dǎo)通截止

0V

5V

0V截止導(dǎo)通

0V

5V

5V截止截止

5VD1與D2的作用是什么？3.4二極管基本電路及其分析方法5、含二極管電路應(yīng)用舉例注意：即判斷電路中的二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)還是截止?fàn)顟B(tài)，可以先將二極管斷開，然后觀察陰、陽兩極間是正向電壓還是反向電壓，若是前者則二極管導(dǎo)通，否則二極管截止。

例：在如圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電源電壓V的正常值為10V，R=10k,當(dāng)V變化±1V時，問相應(yīng)的硅二極管電壓(輸出電壓)的變化如何？3.4二極管基本電路及其分析方法5、含二極管電路應(yīng)用舉例

解：(1)靜態(tài)分析(令vi=0）。當(dāng)V的正常值為10V時，利用二極管恒壓降模型有VD≈0.7V，由此可得二極管的電流為

此電流值可證實(shí)二極管的管壓降為0.7V的假設(shè)。(2)在此Q點(diǎn)上，則3.4二極管基本電路及其分析方法5、含二極管電路應(yīng)用舉例

(3)動態(tài)分析(令VI=0）。按題意，V有±1V的波動，它可視為峰-峰值為2V的交流信號，該信號作用于由R和rd組成得分壓器上。顯然，相應(yīng)的二極管的信號電壓可按分壓比來計(jì)算，由小信號模型即得Vd(峰-峰值)由此可知，二極管電壓Vd的變化為±2.79mV。假設(shè)D截止（開路）求D兩端開路電壓VD0.7VD正向?qū)?VBR<VD0.7VD反向截止ID=0(開路)VD-VBRD反向擊穿VD=-VBR(恒壓)VD=0.7V(恒壓降)狀態(tài)等效電路條件將不同狀態(tài)的等效電路（模型）代入原電路中，分析vI和vO

的關(guān)系畫出電壓波形和電壓傳輸特性特殊情況：求vD（波動）小信號模型和疊加原理恒壓降模型為例3.4二極管基本電路及其分析方法5、含二極管電路分析方法應(yīng)用總結(jié)3.4二極管基本電路及其分析方法6、含二極管電路分析舉例（全波整流電路）全波整流電路中，由于二極管的伏安特性在小信號時處于截止或特性曲線的彎曲部分，一般利用二極管的單向?qū)щ娦詠斫M成整流電路，在小信號檢波時輸出端將得不到原信號（或使原信號失真很大）。如果把二極管置于運(yùn)算放大器組成的負(fù)反饋環(huán)路中，就能大大削弱這種影響，提高電路精度。3.4二極管基本電路及其分析方法7、含二極管電路分析舉例（精密半波整流電路）3.4二極管基本電路及其分析方法7、含二極管電路分析舉例（精密半波整流電路）同相輸入當(dāng)UI<0（負(fù)半周）時，二極管D截止，輸出電壓Uo=0。當(dāng)UI>0（正半周）時，二極管D導(dǎo)通，輸出電壓Uo=UI；3.4二極管基本電路及其分析方法8、含二極管電路分析舉例（精密全波整流電路）

圖中A1組成同相放大器，A2組成差動放大器，輸入電壓都加在運(yùn)放的同相輸入端，具有較高的輸入電阻。同相輸入3.4二極管基本電路及其分析方法當(dāng)輸入電壓>0時，D1導(dǎo)通，D2截止，此時A1構(gòu)成電壓跟隨器，此電壓通過Rf1和R2加到A2的反相端；所以A2的輸出電壓為：8、含二極管電路分析舉例（精密全波整流電路）3.4二極管基本電路及其分析方法當(dāng)輸入電壓<0時，D1截止，D2導(dǎo)通，此時A1為同相放大器，有：

而A2的輸出電壓為：8、含二極管電路分析舉例（精密全波整流電路）3.4二極管基本電路及其分析方法精密全波整流電壓傳輸特性輸入輸出波形8、含二極管電路分析舉例（精密全波整流電路）3.4二極管基本電路及其分析方法8、含二極管電路分析舉例（精密全波整流電路）反相輸入思考題：如果本實(shí)驗(yàn)不選擇匹配電阻，傳輸特性會怎樣？普通半波整流電路的輸出與上述精密半波整流電路的輸出在大幅度信號和小幅度信號相同下，試想輸出波形有何異同？3.4二極管基本電路及其分析方法8、含二極管電路分析舉例（精密全波整流電路）穩(wěn)壓二極管（齊納）變?nèi)荻O管光電子器件光電二極管發(fā)光二極管激光二極管反向擊穿狀態(tài)反向截止，利用勢壘電容反向截止，少子漂移電流特殊材料，正向?qū)òl(fā)光3.5特殊二極管及其基本電路1、特殊二極管符號及其原理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(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)（齊納擊穿）。3.5特殊二極管及其基本電路1、穩(wěn)壓二極管(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)——VZ3.5特殊二極管及其基本電路2、穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)正常穩(wěn)壓時VO=VZ穩(wěn)壓條件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax思考：不加R可以嗎？自動調(diào)整過程：3.5特殊二極管及其基本電路3、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路例：如圖所示是一個簡單的并聯(lián)穩(wěn)壓電路。R為限流電阻，求R上的電壓值VR和電流值。3.5特殊二極管及其基本電路4、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路(舉例）R1kVz+_zDVo+_7-10V5V解：假定輸入電壓在（7--10V）內(nèi)變化。當(dāng)當(dāng)3.5特殊二極管及其基本電路4、常見穩(wěn)壓二極管型號(1N47系列1W舉例）3.5特殊二極管及其基本電路4、常見穩(wěn)壓二極管型號(1N47系列1W舉例）3.5特殊二極管及其基本電路5、發(fā)光二極管LED由Ga與AS、P的化合物制成的二極管。當(dāng)電子與空穴復(fù)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。3.5特殊二極管及其基本電路5、發(fā)光二極管LED

1．極限參數(shù)的意義（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。（2）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。（3）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。（4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。3.5特殊二極管及其基本電路5、發(fā)光二極管LED技術(shù)參數(shù)

2．電參數(shù)的意義

(1)正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時的正向電流值。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇IF在0.6·IFm以下。(2)正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在IF=20mA時測得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.4~3V。在外界溫度升高時，VF將下降。(3)V-I特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR<10μA以下。3.5特殊二極管及其基本電路5、發(fā)光二極管LED技術(shù)參數(shù)常見的LED電性能參數(shù)LED正向電壓。不同顏色的LED在額定的正向電流條件下，有著各自不同的正向壓降值。紅、黃色：1.8~2.5V之間；綠色和藍(lán)色：2.7~4.0V之間。對于同種顏色的LED，其正向壓降和光強(qiáng)也不是完全一致的。3.5特殊二極管及其基本電路6、發(fā)光二極管電路參數(shù)設(shè)計(jì)思考題：怎么樣設(shè)計(jì)發(fā)光二極管驅(qū)動電路？需要考慮什么因素？（1）在N型半導(dǎo)體中如果摻入足夠量的三價元素，可將其改型為P型半導(dǎo)體。（）（2）因?yàn)镹型半導(dǎo)體的多子是自由電子，所以它帶負(fù)電。（）（3）PN結(jié)在無光照、無外加電壓時，結(jié)電流為零。（）

（4）PN結(jié)加正向電壓時，空間電荷區(qū)將

。

A.變窄B.基本不變C.變（5）設(shè)二極管的端電壓為U，則二極管的電流方程是自測題

A.ISeUB.C.3）穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓區(qū)是其工作在

狀態(tài)。

A.正向?qū)˙.反向截止C.反向擊穿寫出圖所示各電路的輸出電壓值，設(shè)二極管導(dǎo)通電壓UD＝0.7V。解：UO1≈1.3V，UO2＝0，UO3≈－1.3V，

UO4≈2V，UO5≈1.3V，UO6≈－2V。已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ＝6V，穩(wěn)定電流的最小值IZmin＝5mA。求圖所示電路中UO1和UO2各為多少伏。解：UO1＝6V，UO2＝5V