電子線路-第二節(jié)-V5課件

第二講：基本半導(dǎo)體器件

二極管電路內(nèi)容PN結(jié)二極管簡單二極管電路從線性到非線性2伏安特性（I-V曲線）：電流-電壓關(guān)系曲線。電阻電壓：-10V~10V線性從線性到非線性3伏安特性（I-V曲線）：非線性分段線性二極管本征半導(dǎo)體5載流子：物質(zhì)內(nèi)部運載電荷的粒子本征半導(dǎo)體在沒有熱激發(fā)或者光照等外界條件的影響下，價電子無法擺脫共價鍵的束縛，不能成為自由電子。這時本征半導(dǎo)體內(nèi)沒有載流子，相當(dāng)于絕緣體。硅單晶的共價鍵結(jié)構(gòu)電子空穴電子和空穴都是載流子。載流子的濃度決定物質(zhì)的導(dǎo)電能力。本征半導(dǎo)體6能帶結(jié)構(gòu)固體中電子的能量是不連續(xù)的，處在一些不連續(xù)的能帶上。導(dǎo)帶：自由電子存在的能帶；價帶：原子外殼的價電子所處的能帶；禁帶寬度：價電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從價帶躍遷到導(dǎo)帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。能帶本征半導(dǎo)體7能帶結(jié)構(gòu)禁帶寬度（bandgap）物質(zhì)的導(dǎo)電性能由其禁帶寬度決定。禁帶寬度物質(zhì)類型最小導(dǎo)體最大絕緣體中等半導(dǎo)體常見半導(dǎo)體的電離能9數(shù)據(jù)來源：HelmuthSpieler,SemiconductorDetectorSystems,OxfordSciencePublications,2005單位：eV禁帶寬度電離能硅1.123.6鍺0.672.96砷化鎵1.434.2鉆石5.513雜質(zhì)半導(dǎo)體10半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可以通過摻雜一些特殊的元素而顯著提高。摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力由電子（N型）和空穴（P型）來提供。N-型V族磷雜質(zhì)半導(dǎo)體11載流子為空穴，是正的（positive），所以叫P型。雜質(zhì)原子中空穴的能級更加靠近價帶，所以價帶的電子能容易激發(fā)。雜質(zhì)原子接受了電子，稱為‘受主’。P型III族硼PN結(jié)13在一塊本征半導(dǎo)體上，一邊摻入受主雜質(zhì)，使之成為P型；另一邊摻入施主雜質(zhì)，使之成為N型。那么在交界面的附近，就會形成一個具有獨特物理性質(zhì)的PN結(jié)。最初，在交界面的兩邊，P型區(qū)和N型區(qū)，各自都是電中性的。PN結(jié)的形成14但是，在熱擴散的驅(qū)動下，電子和空穴將會各自穿過界面。電子從N區(qū)穿過界面后，將會迅速與P區(qū)的空穴復(fù)合。那么在N區(qū)就留下正電荷區(qū)。反之，空穴從P區(qū)穿過界面后，將會迅速與N區(qū)的電子復(fù)合。在P區(qū)留下負電荷區(qū)。Ebi內(nèi)電場15耗盡層很容易設(shè)想，在沒有外加條件的情況下，電子和空穴的漂移擴散是不會永遠進行下去，而是在某一時刻達平衡。這種平衡是由于P型區(qū)和N型區(qū)逐步累積的凈電荷而聚集起來的內(nèi)電場形成的。PN結(jié)的特性當(dāng)PN結(jié)不接外加電壓時，通過PN結(jié)的總電流為零。PN結(jié)正偏：外加正向電壓，P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負極。此時，外加電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，耗盡層將變窄，電子和空穴的擴散將加強。表現(xiàn)為：PN結(jié)有較小的正向電阻，正向電流較大。17PN結(jié)的正偏PN結(jié)的特性PN結(jié)的反偏18PN結(jié)反偏：外加反向電壓，及P區(qū)接電源的負極，N區(qū)接電源的正極。此時，外加電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，耗盡層將變寬。由于多數(shù)載流子更難穿過耗盡層，擴散電流近似為零。表現(xiàn)為，反向電流在一定范圍內(nèi)不隨外加反向電壓而變化。PN結(jié)的單向?qū)щ娦阅?9PN結(jié)的這種正向?qū)щ娦阅芎?，反向?qū)щ娦阅懿畹奶匦?，稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。二極管正是利用PN結(jié)的這種特性而制成的。二極管21右圖所示（a）二極管簡化結(jié)構(gòu)；（b）二極管的電學(xué)符號。P區(qū)的引出端為正極，N區(qū)的引出端為負極。符號箭頭所指的方向為正向電流的方向。按照用途來分，有普通二極管，整流二極管，開關(guān)二極管，穩(wěn)壓二極管，檢波二極管。PN結(jié)二極管：伏安特性V(BR)IR(sat)22其中，IR(sat)為反向飽和電流。VT為熱力學(xué)電壓，室溫下，VT=26mV.PN結(jié)二極管兩端電流和電壓滿足下式:正向飽和V(BR)擊穿IR(sat)PN結(jié)二極管：伏安特性23PN結(jié)正偏時，I-V呈指數(shù)規(guī)律增加。PN結(jié)反偏時，反向電流為一個常數(shù)，即飽和電流IR(sat)。PN結(jié)反向電壓增大到一定值時，反向電流急劇增大，直至PN結(jié)被擊穿（breakdown）。此時電壓稱為擊穿電壓V(BR)。分段模型25正向反向?qū)τ诶硐氲亩O管可用分段模型來表示。加反向偏壓時，可以看做是開路，電流為零正向?qū)〞r，可以看做是短路，電壓為零理想二極管電路26如圖所示理想二級管電路，輸入電壓是正弦信號。信號的正周期，二極管是正向偏置；信號的負周期，二極管是反向偏置。正向反向輸出信號輸入信號這是一個簡單的半波整流電路實際二極管27ABVthOA段為正向特性。當(dāng)正向電壓較小時，由于外電場還不足以克服內(nèi)電場對載流子擴散所造成的阻力，正向電流依然很小。當(dāng)正向電壓超過一定的值Vth后，內(nèi)電場被顯著削弱，電流隨電壓迅速增加。因此，Vth被稱為門限電壓或開啟電壓。硅二極管為0.5V。OB段為反向特性。反向電流基本不隨電壓變化。對于硅二極管，反向電流小于0.1μA。當(dāng)反向電壓超過一定值時，二極管將被反向擊穿，致使二極管燒毀。大多數(shù)二極管應(yīng)該避免工作在反向擊穿區(qū)。二極管電路應(yīng)用--限幅電路當(dāng)輸入信號VI>VB時，加于二極管上的電壓為正，二極管導(dǎo)通，相當(dāng)于短路，輸出電壓就被限定在VB上。正向等效反向等效當(dāng)輸入信號VI<VB時，加于二極管上的電壓為負，二極管截止，相當(dāng)于開路，輸出電壓等于輸入電壓。如果輸入信號為正弦信號，將有如下輸出。29限幅電路的計算機仿真模擬30試用電子線路模擬軟件，模擬雙重二極管限幅電路。并且利用程序給出該限幅電路的輸出信號。輸入信號為正弦信號。要求：通過模擬簡單電路，學(xué)會使用電子線路模擬軟件的基本操作。雙重二極管限幅電路圖雙重二極管限幅電路的輸出響應(yīng)31擊穿區(qū)穩(wěn)壓管二極管，簡稱穩(wěn)壓管。也叫齊納（Zenner）二極管。穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，將電流控制在器件允許的范圍內(nèi)。這種二極管可在電路中起穩(wěn)壓作用。二極管電路應(yīng)用--穩(wěn)壓電路32擊穿區(qū)穩(wěn)壓管二極管，簡稱穩(wěn)壓管。也叫齊納（Zenner）二極管。二極管電路應(yīng)用--穩(wěn)壓電路VZ表示反向擊穿電壓，及穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于，很大的電流變化，只引起很小的電壓變化。因此，擊穿特性斜率越大，穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓性能越好。簡單穩(wěn)壓電路33圖示為一個簡單的穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為5.6V，流過二極管的電流為3mA，輸入電壓為10V。試確定限流電阻R的值。解：流過電阻的電流等于電阻兩端的電壓除以電阻，即所以電阻為：注：本電路中，在一定范圍內(nèi)改變輸入電壓和限流電阻R的值，輸出電壓保持不變，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。并聯(lián)型穩(wěn)壓電路34圖示為一個并聯(lián)了負載RL的并聯(lián)型二極管穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)，電阻Ri起限流和調(diào)壓作用。試推導(dǎo)，當(dāng)負載電流在IL(min)和IL(max)之間取值，輸入電壓在VPS(min)和VPS(max)之間取值，輸出電壓保持不變

時，穩(wěn)壓管的電流IZ取值范圍，以及限流電阻Ri的取值范圍。解：Ri上承擔(dān)的壓降為VPS-VZ。則有：由于II=IZ+IL。則有：并聯(lián)型穩(wěn)壓電路35由于VZ保持不變；當(dāng)負載電流最大IL(max)，輸入電壓最小VPS(min)時，流過二極管的電流最小，為IZ(min)。分析：當(dāng)負載電流最小IL(min)，輸入電壓最大VPS(max)時，流過二極管的電流最大，為IZ(max)。則，Ri的取值范圍為兩個值之間。對于給定的穩(wěn)壓管電路，輸入電壓，穩(wěn)壓管電流，負載阻值，以及限流電阻，任意給定三個量的取值范圍，便可求出另外一個的取值范圍。二極管電路應(yīng)用--穩(wěn)壓電路例題36并聯(lián)型穩(wěn)壓電路–P13，例1.2.1給定Vz=6V，輸入電壓15V，穩(wěn)壓管電流范圍（5mA，33mA），負載RL范圍（0.5k，2k），試計算限流電阻Ri的范圍。即，Ri的取值范圍：（0.25k，0.53k）（1）（2）其他類型的二極管37光電二極管光電二極管電路圖光電二極管將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。其PN結(jié)要工作在反向電壓狀態(tài)。光子入射后，在空間電荷區(qū)產(chǎn)生過剩電子和空穴。在電場作用下，這些過剩載流子迅速通過空間電荷區(qū)重新分布，因而產(chǎn)生了‘光電流’。這種光電流與入射的光子流成正比。其他類型的二極管38發(fā)光二極管是將電流轉(zhuǎn)化為光信號。LED（lightemittingdiode）發(fā)光二極管如果二極管正偏，電子和空穴注入空間電荷區(qū)成為過剩少數(shù)載流子。如果半導(dǎo)體是砷化