第三章 二極管及其基本電路人文科技

第三章二極管及其基本電路人文科技2023/9/81第1頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/82第2頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/83第3頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第3章二極管及其基本電路

3.1半導(dǎo)體的基本知識3.1.1半導(dǎo)體材料3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)3.1.3本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體2023/9/84第4頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.1.1半導(dǎo)體材料根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體的特點(diǎn)：1）導(dǎo)電能力不同于導(dǎo)體、絕緣體；2）受外界光和熱刺激時電導(dǎo)率發(fā)生很大變化——光敏元件、熱敏元件；3）摻進(jìn)微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力顯著增加——半導(dǎo)體。2023/9/85第5頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。原子按一定規(guī)律整齊排列，形成晶體點(diǎn)陣后，結(jié)構(gòu)圖為：(實際為三維立體結(jié)構(gòu))+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+42023/9/86第6頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月３.1.３本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體——完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。載流子——可以自由移動的帶電粒子。（電子和空穴）電導(dǎo)率——電阻率的倒數(shù)，與材料單位體積中所含載流子數(shù)有關(guān)，載流子濃度越高，電導(dǎo)率越高。2023/9/87第7頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月本征激發(fā)、電子空穴對

當(dāng)T=0K和無外界激發(fā)時，導(dǎo)體中沒有載流子，不導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子——本征激發(fā)。

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，這個空位為空穴?？昭ǖ囊苿邮强肯嗯R共價鍵中的價電子依次填充空穴實現(xiàn)+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子

因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對，二者濃度相等。ni=pi本征激發(fā)動畫1-1空穴返回2023/9/88第8頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月載流子的產(chǎn)生和復(fù)合在熱能激勵下，共價鍵被打破，以某速度產(chǎn)生自由電子和空穴，T越高，速度越快。自由電子與另一空穴相遇時，會結(jié)合而形成新的共價鍵。當(dāng)溫度一定時，產(chǎn)生率和復(fù)合率相等，動態(tài)平衡。載流子濃度高，導(dǎo)電能力強(qiáng)，即：溫度高，導(dǎo)電能力強(qiáng)。2023/9/89第9頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）在本征半導(dǎo)體中摻入五價的元素(磷、砷、銻：施主雜質(zhì)：在N型半導(dǎo)體中，磷原子由于在四價晶體中提供自由電子。）多余電子，成為自由電子+5

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。返回+52023/9/810第10頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）在本征半導(dǎo)體中摻入三價的元素（硼：受主雜質(zhì)：在P型半導(dǎo)體中，硼原子由于在四價晶體中接受自由電子。）+3空穴空穴返回2023/9/811第11頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為電子，少數(shù)載流子是空穴；P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為空穴，少數(shù)載流子是電子。返回電荷濃度：雜質(zhì)濃度＋少子濃度＝多子濃度由于電子與空穴的復(fù)合，在一定溫度下，空穴濃度與電子濃度的乘積等于常數(shù)np=nipi=ni2（本

征半導(dǎo)體的電子濃度ni與空穴濃度pi）2023/9/812第12頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月問題：溫度變化，載流子濃度變化嗎？多數(shù)載流子與少數(shù)載流子數(shù)目變化相同嗎？多數(shù)載流子濃度變化的百分比與少數(shù)載流子濃度變化的百分比相同嗎？影響反向飽和電流的主要因素是溫度的變化！2023/9/813第13頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月例：純凈硅晶體中硅原子數(shù)為1022/cm3數(shù)量級，在室溫下，載流子濃度為ni=pi=1010數(shù)量級，摻入百萬分之一的雜質(zhì)（1/106），即雜質(zhì)濃度為1022*（1/106）=1016數(shù)量級，則摻雜后載流子濃度為1016+1010，約為1016數(shù)量級，比摻雜前載流子增加106倍，即一百萬倍。返回2023/9/814第14頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2PN結(jié)的形成及特性

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的形成載流子的漂移和擴(kuò)散PN結(jié)的反向擊穿PN結(jié)的電容效應(yīng)2023/9/815第15頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1載流子的漂移和擴(kuò)散載流子漂移電場加到晶體上，電子做定向移動，由于電場的作用而導(dǎo)致的載流子的運(yùn)動稱為漂移。其平均漂移速度與E成正比?？昭ㄒ苿臃较蚺cE一致，電子的方向與E相反。其中：V為電子的漂移速度矢量，u為比例系數(shù)，稱為電子的遷移率。2023/9/816第16頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月載流子擴(kuò)散在半導(dǎo)體內(nèi)，由于工藝等，使得某一特定區(qū)域內(nèi)的空穴或電子的濃度高于正常值，基于這種載流子的濃度差異和熱運(yùn)動，載流子由高濃度向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流稱為載流子的擴(kuò)散。沒有外來的作用，擴(kuò)散至濃度均勻而止。2023/9/817第17頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2PN結(jié)的形成2023/9/818第18頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/819第19頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過摻入不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

動畫+五價的元素+三價的元素產(chǎn)生多余電子產(chǎn)生多余空穴2023/9/820第20頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子，N區(qū)積累正離子，且都不能任意移動，不導(dǎo)電。在P和N半導(dǎo)體交界面附近形成一個空間電荷區(qū)即PN結(jié)。在此區(qū)域，多數(shù)的載流子由于復(fù)合而銳減，又稱為耗盡區(qū)。離子帶電，會形成電場，且電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。這個電場稱為內(nèi)電場。內(nèi)電場阻止了多子的擴(kuò)散運(yùn)動。在PN結(jié)內(nèi)，內(nèi)電場又使得各區(qū)內(nèi)的少子在電場的作用下向?qū)Ψ狡?。漂移使得PN結(jié)區(qū)變窄。擴(kuò)散使PN結(jié)加寬，電場增強(qiáng)，對多數(shù)載流子擴(kuò)散阻力增大，少子的漂移增強(qiáng)；漂移使PN結(jié)變窄，電場減弱，使得擴(kuò)散容易進(jìn)行。當(dāng)二者相等時，PN結(jié)內(nèi)動態(tài)平衡。2023/9/821第21頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月外加正向電壓PN結(jié)外加一個電壓V，使得V的正端接P區(qū)，負(fù)端接N區(qū)，外加電場與內(nèi)電場相反，平衡打破，且PN結(jié)變窄，PN結(jié)電場減小，有利于多子擴(kuò)散。這個電壓為正向偏置電壓。V提供一個流入P的電流，為正向電流，在PN結(jié)內(nèi)為擴(kuò)散電流。（不考慮漂移電流)(P區(qū)空穴進(jìn)入PN結(jié),和原來的一部分負(fù)離子中和,使P區(qū)的空間電荷量減少.同樣N區(qū)電子使N區(qū)空間電荷量減少,PN結(jié)變窄）

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?023/9/822第22頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月外加反向電壓V加在PN結(jié)上且正端接N端。外加電場與內(nèi)電場方向一致，使得P中的空穴和N中的電子遠(yuǎn)離PN結(jié)，加寬耗盡區(qū)。此為反向偏置。內(nèi)電場加強(qiáng)，阻礙多子的擴(kuò)散，但是利于少子的漂移，所以PN結(jié)中的電流由漂移電流決定，此時的電流Ｉ很弱，PN結(jié)表現(xiàn)為一個很大的電阻，PN結(jié)截止。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。2023/9/823第23頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月單向?qū)щ姷年P(guān)鍵：PN結(jié)有耗盡區(qū)的存在，且其寬度隨外加電壓變化。溫度一定時，少數(shù)載流子的數(shù)量一定，電流也趨于恒定，此時電流為反向飽和電流。2023/9/824第24頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月波爾茲曼常數(shù)當(dāng)PN結(jié)加正壓時：括號中的1可以忽略。加反向電壓時，括號內(nèi)第一項基本為0，不考慮。室溫時n=12023/9/825第25頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/826第26頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月雪崩擊穿：在反向電壓加強(qiáng)時，外加電場加大，耗盡層加寬，少子獲更多能量運(yùn)動而與晶體原子碰撞，打破共價鍵，形成更多的電子－空穴對。（碰撞電離現(xiàn)象）。新的電子空穴也加入了新的碰撞，產(chǎn)生倍增效果。電壓到達(dá)某個值時，載流子的倍增效果如同雪崩，反向電流急劇增大，PN結(jié)被擊穿。2023/9/827第27頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月齊納擊穿:較高反向電壓作用下，PN結(jié)區(qū)有強(qiáng)電場，可以破壞共價鍵，將電子分離出來產(chǎn)生電子－空穴對，在電場的作用下，電子移向N區(qū)，空穴移向P區(qū)，從而形成較大電流。齊納擊穿的發(fā)生的條件稍高。齊納擊穿與雪崩擊穿過程是可逆的。條件是，擊穿時的反向電壓電流乘積要小于PN結(jié)的耗散功率。如果擊穿時反向電壓電流乘積要大于PN結(jié)的耗散功率，會因溫度過高導(dǎo)致PN結(jié)燒毀－－熱擊穿。2023/9/828第28頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)擴(kuò)散電容：正偏情形時，有利多子擴(kuò)散(P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散,結(jié)果在N區(qū)使靠近結(jié)的邊緣有高于正常時的空穴濃度,同樣,N區(qū)…..)，這樣使靠近結(jié)的邊緣處有高于正常時的多子濃度，這種多子濃度,可視為電荷存儲在PN結(jié)的邊緣，且離結(jié)越遠(yuǎn)，濃度也越低。這種現(xiàn)象即為電容存儲電荷現(xiàn)象。2023/9/829第29頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月勢壘電容：反偏時，外加電壓增加，則勢壘電位增加，結(jié)電場增強(qiáng)，多子被拉離PN結(jié)，勢壘加寬，外加電壓減小，勢壘區(qū)變窄。類似于電容兩極板上電荷的變化，稱為勢壘電容。高頻信號時，電容是導(dǎo)通的，所以高頻時必須考慮PN結(jié)的電容效應(yīng)，所以PN結(jié)工作有最高頻率限制2023/9/830第30頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3二極管2023/9/831第31頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/832第32頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/833第33頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/834第34頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中IS為反向飽和電流，VD為二極管兩端的電壓降，VT=kT/q稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q為電子電荷量，T為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當(dāng)T=300K），則有VT=26mV。n=1.

第一象限的是正向伏安特性曲線，第三象限的是反向伏安特性曲線。3.3.2二極管的伏安特性曲線(1)正向特性2023/9/835第35頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月反向區(qū)也分兩個區(qū)域：

當(dāng)VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS。

當(dāng)V≦VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。(2)反向特性2023/9/836第36頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。(3)反向擊穿特性2023/9/837第37頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR(3)反向電流IR(4)正向壓降VF在室溫，規(guī)定的反向電壓下，最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(

A)級。在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。硅二極管約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。二極管連續(xù)工作時，允許流過的最大整流電流的平均值。二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。2023/9/838第38頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.3.3二極管的參數(shù)(5)極間電容Cd(6)反向恢復(fù)時間TRR極間電容反映PN結(jié)的電容效應(yīng)的參數(shù)，包括擴(kuò)散電容CD和勢壘電容CB的和。二極管外加電壓極性反轉(zhuǎn)時，工作狀態(tài)不能瞬間到位。特別：在外加正向電壓到外加反向電壓瞬間，有較大的反向電流（最大反向恢復(fù)電流），而后過一段時間后，反向電流變的很小這段時間稱為反向恢復(fù)時間TRR。主要由擴(kuò)散電容影響。2023/9/839第39頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/840第40頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2023/9/841第41頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1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(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。2023/9/842第42頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月例3.4.1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。

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)2023/9/843第43頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模

將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型（等效電路）。（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2023/9/844第44頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（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

2023/9/845第45頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型vs=0時,Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsin

t時（Vm<<VDD）,將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，得到小信號模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線。2023/9/846第46頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型

過Q點(diǎn)的切線斜率倒數(shù)可以等效成一微變電阻（交流電阻）即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)(Q點(diǎn)切線斜率）則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型2023/9/847第47頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。盡管交流與直流是不同的兩個量，但是一定要注意它們的內(nèi)在的聯(lián)系該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT(溫度電壓當(dāng)量,常溫26mv)。（a）V-I特性（b）電路模型交流電阻不能用萬用表測量，測量的是直流電阻2023/9/848第48頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2二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(理想模型)2023/9/849第49頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2．模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析(當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)大于管壓降時,恒壓降模型結(jié)果較合理)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)當(dāng)VDD=1V時，（自看P80正確選擇模型）（a）簡單二極管電路（b）習(xí)慣畫法2023/9/850第50頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2．模型分析法應(yīng)用舉例（3）限幅電路

電路如圖a，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型b和恒壓降模型c求解，當(dāng)vI=6sin

tV時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。2023/9/851第51頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月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)?。?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。2023/9/852第52頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/853第53頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/854第54頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5特殊二極管**

3.5.1齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)P851.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)。2023/9/855第55頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動態(tài)電阻rZ