模擬電子技術(shù)(模電)第1章 半導體二極管及其基本電路

第1章半導體二極管及其基本電路1.1

半導體的基礎(chǔ)知識和PN結(jié)1.2

晶體二極管1.3

二極管電路的分析方法1.5

特殊二極管小結(jié)1.4

半導體二極管的應(yīng)用1.1

半導體的基礎(chǔ)知識1.1.1本征半導體1.1.2雜質(zhì)半導體1.1.3

PN結(jié)半導體的特點1.熱敏性：半導體的導電能力與溫度有關(guān)利用該特性可做成熱敏電阻2.光敏性：半導體的導電能力與光的照射有關(guān)系利用該特性可做成光敏電阻半導體定義導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。1.1.1本征半導體本征半導體—純凈的半導體。如硅、鍺單晶體。3.摻雜性：摻如有用的雜質(zhì)可以改變半導體的導電能力利用該特性可做成半導體器件硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型慣性核價電子(束縛電子)1、半導體的原子結(jié)構(gòu)2、本征半導體的晶體結(jié)構(gòu)硅(鍺)的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵—相鄰原子共有價電子所形成的束縛。3、本征半導體的導電情況自由電子空穴空穴空穴可在共價鍵內(nèi)移動當溫度為絕對零度以下時，該結(jié)構(gòu)為絕緣體在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)本征激發(fā)：復合：

自由電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)合成對消失的過程。漂移：

自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。載流子：自由運動的帶電粒子兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運動自由電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內(nèi))的運動

結(jié)論：1.本征半導體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；

2.半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電；

3.本征半導體導電能力弱，并與溫度有關(guān)。1.1.2雜質(zhì)半導體一、N型半導體N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)二、P型半導體P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—

多子電子—

少子載流子數(shù)

空穴數(shù)三、雜質(zhì)半導體的導電作用IIPINI=IP+INN型半導體I

INP型半導體

I

IP四、P型、N型半導體的簡化圖示負離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子P型：N型：1.1.3PN結(jié)一、PN結(jié)(PNJunction)的形成1.載流子的濃度差引起多子的擴散2.復合使交界面形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生了一個內(nèi)電場，電場的作用是阻礙多子的擴散促進少子產(chǎn)生漂移內(nèi)建電場此時產(chǎn)生了兩種電流：擴散電流和漂移電流3.繼續(xù)擴散和漂移達到動態(tài)平衡擴散電流等于漂移電流，

總電流

I=0。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?）外加正向電壓(正向偏置)—forwardbias此時形成的空間電荷區(qū)域稱為PN結(jié)（耗盡層）1.定性分析P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向PN結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻擴散運動加強形成正向電流IF。IF=I多子I少子

I多子2）.外加反向電壓(反向偏置)

—reversebias

P

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子背離PN結(jié)移動，空間電荷區(qū)變寬。IRPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流IRIR=I少子

02、定量估算反向飽和電流溫度的電壓當量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當T=300(27C)：UT

=26mV加正向電壓時加反向電壓時i≈–IS3、伏安特性O(shè)u

/VI

/mA反向擊穿正向特性1.2

半導體二極管1.2.1半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型1.2.2二極管的伏安特性1.2.3二極管的主要參數(shù)1.2.1半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管(Diode)符號：A(anode)C(cathode)分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點接觸型面接觸型平面型點接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負極引線負極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負極

引線集成電路中平面型PNP型支持襯底1.2.2二極管的伏安特性一、PN結(jié)的伏安方程反向飽和電流溫度的電壓當量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當T=300(27C)：UT

=26mV二、二極管的伏安特性O(shè)uD/ViD/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)UUthiD急劇上升0U

Uth

UD(on)

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)

幾十A

(鍺)U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。

(擊穿電壓<6V，負溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增?！狿N結(jié)未損壞，斷電即恢復?！狿N結(jié)燒毀。(擊穿電壓>6V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在6V左右時，溫度系數(shù)趨近零。硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020溫度對二極管特性的影響T

升高時，UD(on)以

(22.5)mV/C下降1.2.3二極管的主要參數(shù)1.

IF—

最大整流電流(最大正向平均電流)2.

URM—

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(超過時單向?qū)щ娦宰儾?iDuDU(BR)IFURMO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，因容抗增大，使結(jié)電容分流，導致單向?qū)щ娦宰儾睢?.結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。1.3

二極管的模型1.3.1理想二極管模型1.3.２二極管恒壓源模型1.3.３二極管的交流小信號模型1.3.1理想二極管模型特性uDiD符號及等效模型SS正偏導通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)1.3.1二極管的恒壓降模型1.3.３二極管的交流小信號模型圖解法公式法：rd=Ud/Id1.4半導體二極管的應(yīng)用

二極管在電路中有著廣泛的應(yīng)用，利用它的單向?qū)щ娦?，可組成整流、限幅、檢波電路，還可做元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。1.4.1二極管在限幅電路中的應(yīng)用限幅電路分為串聯(lián)限幅電路、并聯(lián)限幅電路和雙向限幅電路三種

。

1.串聯(lián)限幅電路

E0時傳輸特性（恒壓降模型）電路組成E0時輸出波形

E=0時輸出波形

E0時輸出波形工作原理2.并聯(lián)限幅電路（恒壓降）3.雙向限幅電路1.4.2二極管在整流電路中的應(yīng)用1.單相半波整流電路（理想模型）2.全波整流電路1.5

特殊二極管1.5.1穩(wěn)壓二極管1.5.2光電二極管1.5.1穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性二、主要參數(shù)1.

穩(wěn)定電壓UZ

流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2.穩(wěn)定電流IZ

Imin

<IZ<IMAX，大于IMAX燒毀小于Imin時不穩(wěn)壓。3.

最大工作電流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.動態(tài)電阻rZrZ=UZ/IZ

越小穩(wěn)壓效果越好。幾幾十5.穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)CT一般，UZ<4V，CT<0(為齊納擊穿)具有負溫度系數(shù)；UZ>7V，CT>0(為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4V<UZ<7V，CT很小。例1.5.1

分析簡單穩(wěn)壓電路的工作原理，

R為限流電阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRRUIUORRLILIRIZ當UI恒定而RL減小時，將產(chǎn)生如下的自動調(diào)節(jié)RL↓→IL↑→IR↑→UO↓→IZ↓→IR↓→UO↑1.5.2發(fā)光二極管與光敏二極管一、發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電壓2-2.5V,若低于，則不發(fā)光。工作電流幾十mA，導通電壓(12)V符號特性2.主要參數(shù)IFM

，U(BR)

，IR發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型：普通LED，不可見光：紅外光點陣LED七段LED,二、光敏二極管1．符號和特性符號特性uiO暗電流E=200lxE=400lx工作條件：反向偏置2.主要參數(shù)暗電流，光電流，最高工作范圍等實物照片特點：通過管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照。它的反向電流與照度成正比。小結(jié)第1

章一.半導體的特性

1.熱敏性

2.光敏性

3.摻雜性

二、兩種半導體和兩種載流子兩種載流子的運動電子空穴兩種半導體N型(多電子)P型(多空穴)三、二極管1.特性—單向?qū)щ娦裕ㄕ驅(qū)?，反向截止）正向電阻?理想為0)，反向電阻大()。iDO

uDU(BR)IFURM2.主要參數(shù)正向—最大平均電流IF反向—最大反向擊穿電壓U(BR)(超過則擊穿)反向飽和電流IR(IS)(受溫度影響)IS3.二極管的等效模型理想模型(大