模擬電子技術第五第二章半導體二極管及基本電路

2.1半導體的基本知識

半導體材料

半導體的共價鍵結構本征半導體

雜質(zhì)半導體現(xiàn)在是1頁\一共有52頁\編輯于星期二

2.1.1半導體材料導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等?，F(xiàn)在是2頁\一共有52頁\編輯于星期二

半導體的導電機理半導體的導電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導電能力明顯改變?，F(xiàn)在是3頁\一共有52頁\編輯于星期二

2.1.3本征半導體本征半導體——化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)?？昭ā矁r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囊苿印昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對現(xiàn)在是4頁\一共有52頁\編輯于星期二溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導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?，F(xiàn)在是5頁\一共有52頁\編輯于星期二在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P型半導體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（空穴半導體）。N型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（電子半導體）。2.1.4雜質(zhì)半導體現(xiàn)在是6頁\一共有52頁\編輯于星期二1.N型半導體

2.1.4雜質(zhì)半導體因五價雜質(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)。現(xiàn)在是7頁\一共有52頁\編輯于星期二2.P型半導體

2.1.4雜質(zhì)半導體因三價雜質(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?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)?，F(xiàn)在是8頁\一共有52頁\編輯于星期二N型半導體P型半導體++++++++++++－－－－－－－－－－－－雜質(zhì)半導體的示意圖多子—電子少子—空穴多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關，與摻雜無關多子濃度——與溫度無關，與摻雜有關

2.1.4雜質(zhì)半導體現(xiàn)在是9頁\一共有52頁\編輯于星期二本征半導體、雜質(zhì)半導體

本節(jié)中的有關概念自由電子、空穴N型半導體、P型半導體多數(shù)載流子、少數(shù)載流子施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)現(xiàn)在是10頁\一共有52頁\編輯于星期二2.2PN結的形成及特性

PN結的形成

PN結的單向?qū)щ娦?/p>

PN結的反向擊穿

PN結的電容效應

載流子的漂移與擴散現(xiàn)在是11頁\一共有52頁\編輯于星期二

2.2.1載流子的漂移與擴散漂移運動：由電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結?，F(xiàn)在是12頁\一共有52頁\編輯于星期二P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層?，F(xiàn)在是13頁\一共有52頁\編輯于星期二漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。現(xiàn)在是14頁\一共有52頁\編輯于星期二－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0現(xiàn)在是15頁\一共有52頁\編輯于星期二1.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\動（擴散運動）。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:現(xiàn)在是16頁\一共有52頁\編輯于星期二2.2.3PN結的單向?qū)щ娦援斖饧与妷菏筆N結中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)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負極接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→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成大的正向電流IF（低電阻）正向電流現(xiàn)在是17頁\一共有52頁\編輯于星期二2.2.3PN結的單向?qū)щ娦?2)加反向電壓（反偏）——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。外電場加強內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成很小的反向電流IR（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，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關?，F(xiàn)在是18頁\一共有52頁\編輯于星期二PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；導通PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。截止結論：PN結具有單向?qū)щ娦??？偨Y現(xiàn)在是19頁\一共有52頁\編輯于星期二2.3半導體二極管

半導體二極管的結構

二極管的伏安特性

二極管的主要參數(shù)現(xiàn)在是20頁\一共有52頁\編輯于星期二2.3.1半導體二極管的結構在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型兩大類。(1)點接觸型二極管PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。PN二極管的電路符號：現(xiàn)在是21頁\一共有52頁\編輯于星期二（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結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型現(xiàn)在是22頁\一共有52頁\編輯于星期二常見的半導體二極管現(xiàn)在是23頁\一共有52頁\編輯于星期二半導體二極管的型號國家標準對半導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?，F(xiàn)在是24頁\一共有52頁\編輯于星期二UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR

2.3.2二極管的伏安特性現(xiàn)在是25頁\一共有52頁\編輯于星期二2.3.3二極管的主要參數(shù)1.IF—

最大整流電流(最大正向平均電流)2.UR—

最高反向工作電壓，為U(BR)/23.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)IFURMO影響工作頻率的原因

—PN結的電容效應結論：1.低頻時，因結電容很小，對PN結影響很小。高頻時，因容抗小，使結電容分流，導致單向?qū)щ娦宰儾睢?.結面積小時結電容小，工作頻率高?，F(xiàn)在是26頁\一共有52頁\編輯于星期二2.4

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現(xiàn)在是27頁\一共有52頁\編輯于星期二2.4.1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，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復雜，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?，F(xiàn)在是28頁\一共有52頁\編輯于星期二解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線

Q的坐標值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點例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?，F(xiàn)在是29頁\一共有52頁\編輯于星期二2.4.2二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：電源電壓遠大于二極管的管壓降現(xiàn)在是30頁\一共有52頁\編輯于星期二2.4.2二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遠大于1mA,應用較廣。正偏導通，管壓降是恒定的0.7V現(xiàn)在是31頁\一共有52頁\編輯于星期二（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設定：當二極管導通電流為1mA時，管壓降為0.7V。電阻rD=(0.7V-0.5V)/1mA=200Ω現(xiàn)在是32頁\一共有52頁\編輯于星期二2.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2．模型分析法應用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vo的波形現(xiàn)在是33頁\一共有52頁\編輯于星期二u2>0時D1,D3導通D2,D4截止電流通路:A

D1RLD3Bu2<0時D2,D4導通D1,D3截止電流通路:BD2RLD4A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現(xiàn)在是34頁\一共有52頁\編輯于星期二2．模型分析法應用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）當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（a）簡單二極管電路（b）習慣畫法現(xiàn)在是35頁\一共有52頁\編輯于星期二當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變化；而當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．模型分析法應用舉例（3）限幅電路現(xiàn)在是36頁\一共有52頁\編輯于星期二2．模型分析法應用舉例（3）限幅電路電路如圖，R=1kΩ，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vI=6sintV時，繪出相應的輸出電壓vO的波形?，F(xiàn)在是37頁\一共有52頁\編輯于星期二2．模型分析法應用舉例（4）開關電路電路如圖所示，求AO的電壓值解：先斷開D，以O為基準電位，即O點為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)?。導通后，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V?，F(xiàn)在是38頁\一共有52頁\編輯于星期二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)定性最好現(xiàn)在是39頁\一共有52頁\編輯于星期二(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齊納二極管現(xiàn)在是40頁\一共有52頁\編輯于星期二1.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時應使穩(wěn)壓管的電流為規(guī)定值。穩(wěn)定電壓Ｕｚ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,各個管子的Ｕｚ值也有差別。例如穩(wěn)壓管２DW7C,其Ｕｚ＝６.1～６.５V,表明均為合格產(chǎn)品,其穩(wěn)定值有的管子是６.１V,有的可能是６.５V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。現(xiàn)在是41頁\一共有52頁\編輯于星期二

2.動態(tài)電阻rz

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ｒｚ＝ΔＵ／ΔＩ。ｒｚ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,ｒｚ值越小。通常手冊上給出的ｒｚ值是在規(guī)定的穩(wěn)定電流之下測得的?，F(xiàn)在是42頁\一共有52頁\編輯于星期二3.額定功耗Pz由于穩(wěn)壓管兩端的電壓值為Ｕｚ,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。Ｐｚ取決于穩(wěn)壓管允許的溫升。表１-２給出幾種穩(wěn)壓管的典型參數(shù)。其中２DW7系列的穩(wěn)壓管是一種具有溫度補償效應的穩(wěn)壓管,用于電子設備的精密穩(wěn)壓源中。管子內(nèi)部實際上包含兩個溫度系數(shù)相反的二極管對接在一起。當溫度變化時,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)為負值,二者互相補償,使１、２兩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２DW7C,α=0.005%/℃?，F(xiàn)在是43頁\一共有52頁\編輯于星期二

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Izmax=Pz/Uz?，F(xiàn)在是44頁\一共有52頁\編輯于星期二5.電壓溫度系數(shù)α

α指穩(wěn)壓管溫度變化１℃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７V的穩(wěn)壓管,α為正值,即當溫度升高時,穩(wěn)定電壓值增大。如２CW１７,Ｕｚ＝９～10.5V,α＝０.０９%/℃,說明當溫度升高１℃時,穩(wěn)定電壓增大0.09%。而穩(wěn)定電壓小于４V的穩(wěn)壓管,α為負