半導(dǎo)體二極管及其電路分析.ppt

1、,模擬電子技術(shù)第1章 半導(dǎo)體二極管及其電路分析,范立南 恩莉 代紅艷 李雪飛 中國水利水電出版社,第1章 半導(dǎo)體二極管及其電路分析,1.1 本征半導(dǎo)體 1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體 1.3 PN結(jié) 1.4 半導(dǎo)體二極管 1.5 穩(wěn)壓管,導(dǎo)體的導(dǎo)電能力最強，金、銀、銅等金屬均為導(dǎo)體； 絕緣體的導(dǎo)電能力最弱，塑料、橡膠等均為絕緣體； 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，常用的半導(dǎo)體材料為硅(Si)、鍺(Ge)，化合物半導(dǎo)體為砷化鎵（GaAs）。 半導(dǎo)體具有光敏、熱敏和摻雜特性：即半導(dǎo)體在受到光照、加熱或摻入微量雜質(zhì)時，其導(dǎo)電性能會大大提高。,1.1 本征半導(dǎo)體,純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

2、現(xiàn)以硅原子為例：每個硅原子最外層的4個價電子分別和周圍4個硅原子的價電子形成共用電子對，構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)，如圖1-1所示。,圖1-1 本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu),本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子載流子和空穴載流 子。 本征半導(dǎo)體中的共價鍵具有很強的結(jié)合力，常溫時僅有極少 數(shù)價電子由于熱運動獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛成 為自由電子；同時在共價鍵相應(yīng)位置處留下一個空位，稱為 空穴。如圖1-2所示。,圖1-2 本征半導(dǎo)體的兩種載流子,本征激發(fā)：半導(dǎo)體由于熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子空穴對的現(xiàn)象。 本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，二者數(shù)量 相等。 本征半導(dǎo)體中的電流等于自由電子電流和空穴電流之和。

3、 復(fù)合：自由電子在運動過程中，如果與空穴相遇，就會填補 空穴，使自由電子和空穴成對消失。 在一定溫度下，自由電子、空穴的產(chǎn)生與復(fù)合會達到動態(tài)平 衡。,1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)元素，其導(dǎo)電 性能會得到改善。 按照摻入元素的不同可分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入+5價元素，如磷（P）等 P型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入+3價元素，如硼（B）等,1.2.1 N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入+5價元素，如磷（P）等所得到的雜質(zhì) 半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體，如圖1-3所示。,圖1-3 N型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體仍然有兩種載流子：自由電子和空穴。 空穴載流

4、子是本征激發(fā)產(chǎn)生的。 自由電子載流子除了本征激發(fā)產(chǎn)生以外，還有一部分是由雜 質(zhì)提供的， N型半導(dǎo)體的多子：自由電子 N型半導(dǎo)體的少子：空穴,1.2.2 P型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入+3價元素，如磷（B）等所得到的雜質(zhì) 半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體，如圖1-4所示。,圖1-4 P型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體仍然有兩種載流子：自由電子和空穴。 自由電子載流子是本征激發(fā)產(chǎn)生的。 空穴載流子除了本征激發(fā)產(chǎn)生以外，還有一部分是由雜 質(zhì)提供的， P型半導(dǎo)體的多子：空穴 P型半導(dǎo)體的少子：自由電子,1.3 PN結(jié)1.3.1 PN結(jié)的形成,利用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同 一個半導(dǎo)體硅片上，在P型半導(dǎo)體和

5、N型半導(dǎo)體的交界面就 形成了PN結(jié)。 PN結(jié)的形成過程如圖1-5：,(a)多子擴散運動 (b)動態(tài)平衡時的PN結(jié) 圖1-5 PN結(jié)的形成,1.3.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵府?dāng)PN結(jié)外加正向電壓時導(dǎo)通，有較 大的正向電流流過；當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時截止，僅有較 小的反向電流流過。 所謂PN結(jié)外加正向電壓是指PN結(jié)的P區(qū)接電源的正極，N區(qū) 接電源的負(fù)極，通常稱作PN結(jié)正向偏置，如圖1-6所示。,圖1-6 PN結(jié)外加正向電壓的情況,1.3.3 PN結(jié)的伏安特性,所謂PN結(jié)外加反向電壓是指PN結(jié)的N區(qū)接電源的正極，P區(qū) 接電源的負(fù)極，通常稱作PN結(jié)反向偏置，如圖1-7所示。,圖1-

6、7 PN結(jié)外加反向電壓的情況,PN結(jié)兩端所加電壓與流過該PN結(jié)的電流之間的關(guān)系為：,PN結(jié)的伏安特性曲線如圖1-8所示。,圖1-8 PN結(jié)的伏安特性曲線,PN結(jié)的伏安特性曲線分為3部分： （1）正向特性。 （2）反向截止特性。 （3）反向擊穿特性。 當(dāng)PN結(jié)兩端外加的反向電壓增加至一定值后，流過PN結(jié)的 反向電流急劇增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。PN結(jié)的 反向擊穿按照其擊穿機理的不同，可分為雪崩擊穿和齊納擊 穿兩種。,1.3.4 PN結(jié)的電容效應(yīng),PN結(jié)的電容效應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生機理不同可分為：勢壘電容和擴 散電容。 PN結(jié)的結(jié)電容為勢壘電容和擴散電容之和。,1.4 半導(dǎo)體二極管,半導(dǎo)體二極管是由

7、PN結(jié)的P區(qū)和N區(qū)分別引出兩根電極引 線，并加上管殼封裝而成，簡稱為二極管。二極管的外形、 結(jié)構(gòu)、符號如圖1-9所示。,圖1-9 二極管的外形、結(jié)構(gòu)及符號,按構(gòu)成二極管的材料劃分：硅二極管、鍺二極管和砷化鎵二 極管等。 按照結(jié)構(gòu)劃分：點接觸型二極管、面接觸型二極管和平面 型二極管。 按照用途劃分：整流二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管 等。 按照功率劃分：大功率二極管、中功率二極管和小功率二 極管。,1.4.1 二極管的伏安特性及主要參數(shù),1二極管的伏安特性,圖1-10 二極管的伏安特性曲線,二極管的伏安特性曲線分為3部分： （1）正向特性。 （2）反向截止特性。 （3）反向擊穿特性。 隨著環(huán)境溫

8、度的增加，二極管的正向特性曲線將左移，反向 特性曲線將下移。溫度升高時，二極管的反向電流將增大， 溫度每增加10，反向電流增加一倍；溫度升高時，二極管 的正向壓降將減小，溫度每增加1，正向壓降將減小 22.5mV。,2二極管的主要參數(shù) （1）最大整流電流：指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流，該值與PN結(jié)面積和散熱條件有關(guān)。使用時正向平均電流不能超過此值，否則會燒壞二極管。 （2）最大反向工作電壓：指二極管正常工作時所能承受的最大反向電壓，超過此值時，二極管有可能因反向擊穿而被損壞。通常規(guī)定最大反向工作電壓為擊穿電壓的一半。,（3）反向電流：指二極管未發(fā)生擊穿時的反向電流。其值 越小，

9、說明二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩?（4）最高工作頻率：指二極管正常工作時的上限頻率值， 它的大小與二極管的結(jié)電容有關(guān)，若超過此值，二極管的單 向?qū)щ娦詴艿接绊憽?1.4.2 二極管電路的分析,1二極管的等效電路 （1）理想模型：其伏安特性曲線和等效電路分別如圖1- 11(a)、(b)所示。,(a)伏安特性曲線 (b)等效電路 圖1-11 理想模型,（2）恒壓降模型：伏安特性曲線和等效電路分別如圖1- 12(a)、(b)所示。,(a)伏安特性曲線 (b)等效電路 圖1-12恒壓降模型,（3）折線模型：伏安特性曲線和等效電路分別如圖1-13 (a)、(b)所示。,(a)伏安特性曲線 (b)等效電路

10、圖1-13折線模型,（4）小信號模型 二極管小信號模型的伏安特性曲線和等效電路分別如圖1-14(a)、(b)所示。,(a)伏安特性曲線 (b)等效電路 圖1-14小信號模型,2二極管電路分析舉例 【例1-1】電路如圖1-15所示，假設(shè)圖中的二極管是理想的， 試判斷二極管是否導(dǎo)通，并求出相應(yīng)的輸出電壓。,（a） (b) 圖1-15 例1-1的電路圖,解：二極管D導(dǎo)通，輸出電壓 。 二極管D截止，輸出電壓 。 【例1-2】電路如圖1-16所示，二極管的正向?qū)▔航禐?0.7V，試分析電路的工作原理，并畫出 和 的波形。,圖1-16 例1-2的電路圖,解：,【例1-3】電路如圖1-18所示， ， 。

11、試分 別用理想模型和恒壓降模型，求解電路的 和 的 值。,圖1-18 例1-3的電路圖,解： 理想模型： ，加在二極管陽極的電位高于加在二極管 陰極的電位，二極管導(dǎo)通。,解：恒壓降模型： ，加在二極管陽極的電位高于加在二極管 陰極的電位，二極管導(dǎo)通。,1.5 穩(wěn)壓管1.5.1 穩(wěn)壓管的伏安特性,穩(wěn)壓管又稱齊納二極管，是一種工作在反向擊穿狀態(tài)下的面 接觸型硅半導(dǎo)體二極管。 穩(wěn)壓管的伏安特性、符號及等效電路如圖1-19(a)，(b)，(c) 所示。,(a)伏安特性 (b)符號 (c)等效電路 圖1-19 穩(wěn)壓管的伏安特性、符號及等效電路,1.5.2 穩(wěn)壓管的主要參數(shù),（1）穩(wěn)定電壓：指在規(guī)定電流下，穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓。 （2）穩(wěn)定電流：指穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時的參考電流，通常也記作。穩(wěn)壓管工作時，電流低于此值時，穩(wěn)壓效果將變壞，甚至不能穩(wěn)壓。在保證不超過穩(wěn)壓管的額定功率前提下，電流越大，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓效果越好。 （3）額定功耗：為穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓與最大穩(wěn)定電流之積。 （4）動態(tài)電阻：指當(dāng)穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時，穩(wěn)