模拟电路第3章二极管及其基本电路3概要

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1、第3章 二极管及其基本电路,物体导电性能分类： 导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,3.1 半导体的基本知识,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变

2、化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,3.1.1 半导体材料,共价键共 用电子对 （束缚电子）,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，绝对零度时束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,3.1.2 半导体 (硅和锗)的共价键结构,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。（本征激发）,1) 载流子：(自由电子和空穴),自由电子,空穴,束缚电子

3、,3.1.3 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,2) 本征半导体的导电机理,* 空穴吸引附近的电子来填补, 相当于空穴的迁移，可以认为空穴是载流子。空穴带正电荷，空穴移动形成电流。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,* 电子带负电荷，电子移动形成电流（和电流规定的方向相反）。,* 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强,本征半导体导电能力很弱,且随环境温度而变化。,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，

4、也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,3.1.4 杂质半导体,多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子：,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,在本征半导体中掺入少量的五价元素磷（或锑），外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子五价元素磷称为施主原子。,一、N 型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如 硼（或铟），晶

5、体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价 键时，产生一个空穴。 这个空穴可能吸引束 缚电子来填补， 使得 硼原子成为不能移动 的带负电的离子。 由于硼原子接受电 子，所以称为受主原子。,空穴,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,二、P 型半导体,三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,3.2 PN结的形成及特性,PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区

6、也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,1. PN 结加正向电压（即正偏）,PN 结变窄,P区接正极、N区接负 极,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。, PN结的单向导电性,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,2、温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,1、PN

7、 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻很大，PN结处于截止状态， IR0 。,正向电流是否也随温度变化？, PN结单向导电性在半导体器件中的重要性：,二极管、三极管、场效应管、可控硅 管等元器件的特性都与此有关。,电子电路必须具有直流电源才能工作。,图 3.3.1 半导体二极管的结构和符号,3.3.1 二极管的结构,3.3 二极管,2.3.2 二极管的 V - I特性,硅管0.5V, 锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，（雪崩击穿、齐纳击穿）失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V 锗0.20.3

8、V,死区电压,反向电流在一 定电压范围内 保持常数。,1. 最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。,3.3.3 二极管的参数,3. 反向电流 IR,指二极管未击穿时的反向电流。反向电流越小，单向导电性越好。温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流大。,4. 二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电

9、荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,4. 二极管的极间电容,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,势垒电容CB： 在正向和反向偏置时均不能忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,扩散电容CD： 在反向偏置时，由于载流子数目很少，可以忽略。,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法,二极管是一种非线

10、性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线。,例4.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。,解：由电路的KVL方程，可得,即,是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线,Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点,3.4.2 二极管V-I 特性的建模（四种）：,理想模型：正向看成短路(导通）VD0，反向看成 开路（截止）。,恒压降模型：正向导通压降取定值（ VD 0.7v) ， 反向看成开路（截止）。,折线模型：正向导通

11、看成一个电池和一个电阻串联， 反向看成开路（截止）。,小信号模型：在正向特性的工作点附近将其等效为 一个交流电阻（用于动态分析）。,3.4.2 二极管V- I 特性的建模,1. 理想模型,2. 恒压降模型,3.4.2 二极管V- I 特性的建模,4. 小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,3.4.2 二极管V- I 特性的建模,例1：二极管半波整流,判断二极管导通与否的方法： 假想断开二极管，再分析二极管阳极和阴极的电位,实际二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(锗管0.2V)

12、; 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0 。,3.4.3二极管的应用举例,两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,分析：U1阳 =6 V，U2阳=0 V，U1阴 = U2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V,D1承受反向电压为6 V,根据所给电路,求UAB的值,在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,习题3.4.5和本例类似,例2,当D2 优先导通时，则 D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V。,例3,根据所给电路及输入电压波形,画出输出电压的波形，设uC（0）= 0V。,ui 8V，二极管导通，可看

13、作短路 uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,二极管的用途： 整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、 温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,动画,例4,例5(略),电路如图所示， 二极管D为理想元件，ui=6sint V， U=3V, 所给输出电压uO 的波形对否？,又电路如下图所示，R = 5k，二极管D为理想元件，电压表的读数约为几伏？。,10V,例6 (略),如图所示， D1、D2 均为理想二极管， 设 U1 =6V U2=8v,则 uO=？若U2=5v 呢?,解： D1D2都导通 u0=6v,

14、只有D1导通， uo=5V,3.5 特殊二极管,3.5.1 稳压二极管,当稳压二极管工作在 反向击穿状态下,当工 作电流IZ在Izmax和 Izmin 之间时,其两端电压近 似为常数。,稳定电流,正向同二极管,稳定电压,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,例1,稳压管的稳压过程。,VI,Vo,IZ,Vo,VO能够稳定,IR,VR,例2,（1）稳压管电路如图所示，U Z1=12V，UZ2= 6V，则电压UO等于？（2）当U S10V， UO 等于？,Us,（1） UO= 126 = 6V,（

15、2）Uo=(106) R/(R1R),稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。,方程1,稳压二极管的应用举例（略）,负载电阻RL=2k，要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,用于光电信号转换，构成光伏电源。,符号,2. 发光二极管:,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几 几十mA,光电二极管,发光二极管,1. 光电二极管：反向电流随光照强度的增加而上升。,3.5.3 光电子器件,用于光电信号转换，显示器件。,半导体器件命名方法,第三章 二极管及其电路小结,本征半导体,导电机理、载流子,温度、载流子浓度、导电能力,1.半导体,杂质半导体,N 型半导体：,P 型半导体：,多子,少子,本征半导体掺杂,空穴,电子,电子,空穴,2.PN结,PN结的形成,多子的扩散运动,内电场,少子的漂移运动