《模拟电子技术基础第2、3、4讲 《模拟电子技术基础》2 半导体二极管及其及本电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术基础第2、3、4讲 《模拟电子技术基础》2 半导体二极管及其及本电路（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,2.1 半导体的基本知识,2.3 半导体二极管,2.4 二极管基本电路及其分析方法,2.5 特殊二极管,2.2 PN结的形成及特性,2 半导体二极管及其基本电路,小结,2.6 二极管的应用,学习指导,作业,学习指导,电子技术是当代高新技术的龙头。 半导体器件是现代电子技术的重要组成部分。 PN结是半导体器件的核心环节。 半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路有广泛的应用。 主要内容: 1、半导体的基本知识; 2、PN结的形成及特点; 3、半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电路。,学习目标： 1、掌握以下基本概念：半导体材料的特点、空穴、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、
2、PN结反偏； 2、了解PN结的形成过程及半导体二极管的单向导电性； 3、掌握半导体二极管的伏安特性及其电路的分析方法； 4、正确理解半导体二极管的主要参数； 5、掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项，了解选管的一般原则。,2.1 半导体的基本知识,2.1.1 半导体特性,2.1.2 半导体的共价键结构,2.1.3 本征半导体,2.1.4 杂质半导体,2.1.1 半导体特性,物体分类,导体,如：金属,绝缘体,如：橡胶、云母、塑料等。, 导电能力介于导体和绝缘体之间。,半导体, 半导体特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,热敏特性,热敏器件,光照不仅使导
3、电率大为增加还可以产生电动势,光敏特性,常用的半导体材料有： 元素半导体：硅（Si）、锗（Ge） 化合物半导体：砷化镓（GaAs） 掺杂材料：硼(B)、铟(In)；磷(P)、锑(Sb)。,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,价电子是我们要研究的对象,2.1.2 半导体的共价键结构,硅晶体的空间排列,硅和锗都是四价元素，它们的原子结构外层电子(价电子)数均为4个，价电子受原子核的束缚力最小，决定其化学性质和导电性能,共价键表示两个共有价电子所形成的束缚作用。,为了保持原子的电中性，原子核用带圆圈的+4符号表示,T=0K 且无外界激发，只有束缚电子，没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体；T=300
4、K，本征激发，少量束缚电子摆脱共价键成为自由电子，这种现象称为本征激发。,2.1.3 本征半导体,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,Si,+14,Ge,+32,+4,共价键内的电子 称为束缚电子,挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子,价带中留下的空位 称为空穴,外电场E,自由电子定向移动 形成电子流,束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流,本征半导体,两种载流子 动画一,1. 本征半导体中有两种载流子, 自由电子和空穴,2. 在外电场的作用下，产生电流, 电子流和空穴流,电子流,自由电子作定向运
5、动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动,本征半导体,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流,电子浓度ni = 空穴浓度pi,2.1.4 杂质半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体,掺入五价元素如P、Sb等， 形成N型半导体，也称电子型半导体,杂质半导体,P型半导体,+3,+3,在本征半导体中掺入三价元素如B。,自由电子是少子,空穴是多子,杂质原子提供,由热激发形
6、成,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,杂质半导体,N型半导体,+5,+5,在本征半导体中掺入五价元素如P。,自由电子是多子,空穴是少子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,本征半导体、杂质半导体,本节中的有关概念,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,2.2 PN结的形成及特性,2.2.1 PN结的形成,2.2.2 PN结的单向导电性,2.2.3 PN结的反向击穿,2.2.4 PN结的电容效应,2.2.1 PN结的形
7、成,P型半导体中含有受主杂质，在常温下，受主杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子。 N型半导体中含有施主杂质，在常温下，施主杂质电离为带负电的电子和带正电的施主离子。 除此之外，P型和N型半导体中还有少数受本征激发产生的电子-空穴对，通常本征激发产生的载流子要比掺杂产生的载流子少得多。,半导体中的正负电荷数相等,保持电中性,2.2.1 PN结的形成,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动,扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡,空间电荷区：由不能移
8、动的带电粒子组成，集中在P区和N区的交界处,内电场阻止多子扩散,因浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动 扩散运动产生扩散电流,漂移运动,少子向对方漂移,称漂移运动 漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。,PN 结,稳定的空间电荷区,又称高阻区,也称耗尽层,PN结的形成 动画二,空间电荷区变窄，内电场减弱,扩散运动加强,相等,动态平衡,PN结的接触电位,内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V,接触电位V决定于材料及掺杂浓度 硅： V=0.
9、7 锗： V=0.2,内电场,2.2.2 PN结的单向导电性,1. PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。 扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低阻性。,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,PN结的单向导电性,2. PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。 PN结呈现高阻性,P区的电位
10、低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,内,外,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散 电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,PN结的单向导电性 动画三,式中 Is 饱和电流; UT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数； T=300k（室温）时 UT= 26mv,PN结电流方程,由半导体物理可推出：, 当加反向电压时：, 当加正向电压时：,(UUT),PN结两端的电压与 流过PN结电流的关系式,2.2.3 PN结的反向击穿,反向击穿,PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象,雪崩击穿,当
11、反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿是可逆。 掺杂浓度小的 二极管容易发生,击穿是可逆。 掺杂浓度大的 二极管容易发生,不可逆击穿, 热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁,VBR反向击穿电压, 势垒电容CB,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹
12、如电容的充放电。,2.2.4 PN结的电容效应,动画,高频应用,2.2.4 PN结的电容效应,高频应用,CB大小与PN结面积成正比，与耗尽区厚度成反比，而耗尽区厚度随外加电压的改变而改变,从电路上来看，CB与结电阻并联,反偏时，结电阻大， CB小，二者在同一个数量级,正偏时，结电阻小， CB大，二者不在同一个数量级，结电阻起主要作用,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。, 扩散电容CD,PN结电容效应,当外加正向
13、电压不同 时，扩散电流即外电路电 流的大小也就不同。所以 PN结两侧堆积的多子的 浓度梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电过 程。势垒电容和扩散电容 均是非线性电容。,2.3 半导体二极管,2.3.1 半导体二极管的结构,2.3.2 二极管的伏安特性,2.3.3 二极管的参数,实物图片,2.3.1 半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2)
14、 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,(4) 二极管的代表符号,晶体二极管,1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。 硅：Vr=0.5-0.6v; 锗：Vr=0.1-0.2v 2.加反向电压时，反向电流很小 即Is硅(nA)Is锗(A) 硅管比锗管稳定 3.当反压增大VB时再增加，反向电流激增，发生反向击穿， VB称为反向击穿电压。,二极管的伏安特性可用下式表示,2.3.2 二极管的伏安特性,当温度升高时特性曲线左移,注意参考方向问题,晶体二极管,晶体二极管的电阻,非线性电阻,直流电阻R,(也称静态电阻）,交流电阻r,（又称动态电阻或微变电阻）,一
15、、直流电阻,定义,二极管两端的直流电压UD与电流ID之比,D,晶体二极管,二、交流电阻r,或,实质是特性曲线静态工作点处的斜率,交流电导： g=dI/dU=I/UT 交流电阻：r=1/g= UT/I 室温下：UT=26mv 交流电阻：r=26mv/ ID(mA),晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：,由此可得：,晶体二极管的电阻,2.3.3 二极管的参数,二极管的型号命名,2.4 二极管基本电路及其分析方法,2.4.1 二极管V- I 特性的建模,2.4.2 应用举例,直流模型：理想模型 恒压降模型 折线模型 指数模型,模型越来越准确，但是计算越来越复杂,直流模型用在直流电源作用的
16、电路中,交流模型用在交流电源作用的电路中,交流模型：小信号模型,2.4.1 二极管V- I 特性的建模,1. 理想模型,3. 折线模型,2. 恒压降模型,正偏时导通，管压降为0V;反偏时截止，电流为0。,管子导通后,管压降认为是恒定的,典型值为0.7V。,管压降不是恒定的,而是随电流的增加而增加。,5. 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）,2.4.1 二极管V- I 特性的建模,4. 指数模型,较完整且较准确,2.4.2 应用举例,二极管在某个电路中可以这样来使用： 1、当作非线性电阻来使用，即所有时间内全部在正向导通区 2、当作开关来使用，即某段时间内导通，某段时间内截止 3、当作开关来使用，即在所有时间内均导
