模拟电子技术2

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1、模拟电子技术模拟电子技术 2 2本文由 ljf04053213 贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。半导体二极管及基本电路半导体的基本知识 PN 结的形成及特性 半导体二极管二极管基本电路分析特殊二极管半导体的基本知识 半导体的基本知识根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘 体和半导体。 半导体的电阻率为 10-3109 ?cm。典型的半导体有硅 Si和锗 Ge 以及砷化镓 GaAs 等。 半导体的特点：1）导电能力不同于导体、绝缘体； 2）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化光敏元件、 热敏元件； 3）掺进微量杂质，导电

2、能力显著增加半导体。本征半导体、空穴及其导电作用 杂质半导体半导体的共价键结构硅 和锗 是四价元素，在原子最外层轨道上的四 锗 个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的 价电子形成共价键。 原子按一定规律整齐排列，形成晶体点阵后， 结构图为：+4 +4 +4+4 +4 +4+4 +4 +4+4 +4 +4 返回本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 载流子可以自由移动的带电粒子。电导率与材料单位体积中所含载流子数 有关，载流子浓度越高，电导率越高。返回电子空穴对当 T=0K 和无外界激发时，导体中没有栽流子，不导电。当 温度升高或受到光的照射时，价电子能量

3、增高，有的价电子 可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子本 证激发。本征激发+4空穴+4 +4+4 +4 +4+4 +4 +4动画 1-1+4 +4 +4自由电子自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，这个空位为空穴。 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电 返回 子空穴对。杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导 体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元 素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N 型半导体（电子型半导体）多余电子， 在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 ) 多余电子， 成为自由电子 自由电子 +4 +

4、4 +4 +4 +4 +5 +4 +4 +4 +5 +4 +4 返回 +4 +4P 型半导体（空穴型半导体） 型半导体在本征半导体中掺入三价的元素（硼）空穴 空穴+4 +4 +4+4 +3 +4 +4+4 +3 +4 +4+4 +4 +4返回N 型半导体的多数载流子为电子，少数载流子是空穴； P 型半导体的多数载流子为空穴，少数载流子是电子。 例：纯净硅晶体中硅原子数为 1022/cm3 数量级，10 在室稳下，载流子浓度为 ni=pi=1010 数量级，掺入百万分之一的杂质（1/10-6） ，即杂质浓度 为1022*（1/106）=1016 数量级， 则掺杂后载流子浓度为1016+1010，

5、约为 1016 数量级， 比掺杂前载流子增加 106，即一百万倍。返回PN 结的形成及特性 PN 结的形成及特性PN 结的形成 PN 结的单向导电性PN 结的形成在一块本征半导体 两侧通过扩散不同的杂 质,分别形成 N 型半导体 和 P 型半导体。 因浓度差 多子的扩散运动+ 三价的元素产生多余空穴+ 五价的元素产生多余电子动画由杂质离子形成空间电荷区 杂质离子 空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散PN 结的单向导电性(1) PN 结加正向电压外加的正向电压，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

6、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。动画（2）PN 结加反向电压 ） 结加反向电压外加反向电压,方向与 PN 结内电场方向相同，加强 了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散 电流大大减小。此时 PN结区的少子在内电场的作用下 形成的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 区的电位低于 N 区的电位，称为加反 向电压，简称反偏。在一定的温度条件下，由本 征激发决定的少子浓度是一定 的，故少子形成的漂移电流是 恒定的，基本上与所加反向电 压的大小无关，这个电流也称 为反向饱和电流

7、。动画总之：PN 结正向电阻小，反向电阻 大单向导电性。返回半导体二极管 半导体二极管二极管 ：一个 PN 结就是一个二极管。 单向导电： 单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负 极时电流可以通过。反之电流不能通过。 符号：半导体二极管的结构二极管按结构分有点接触型、面接触型二大类。 PN 结面积小，结电容小， (1) 点接触型二极管用于检波和变频等高频电路。(2) 面接触型二极管PN 结面积大，用 于大电流整流电路。半导体二极管的伏安特性曲线第一象限的是正 向伏安特性曲线， 第三象限的是反向 伏安特性曲线。I = I S (eVDVT1)式中 IS 为反向饱和电流，VD 为二极管两端的

8、 电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k 为玻耳 兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对 于室温（相当 T=300 K） ，则有 VT=26 mV。(1) 正向特性正向区分为两段： 当 0VVth 时，正 向电流为零，Vth 称死 区电压或开启电压。 当 V Vth 时，开始 出现正向电流，并按 指数规律增长。硅二极管的死区电压 Vth=0.50.8V 左右， 锗二极管的死区电压 Vth=0.20.3 V 左右。(2) 反向特性 反向区也分两个区域： 当 VBRV0 时， 反向电流很小，且基 本不随反向电压的变 化而变化，此时的反 向电流也称反向饱和 电流 IS 。 当 V

9、VBR 时，反向 电流急剧增加，VBR称 为反向击穿电压 。(3) 反向击穿特性 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反 向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比 较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。若|VBR|7V 时, 主要是雪崩击穿；若 |VBR|4V 时, 则主要 是齐纳击穿。半导体二极管的参数(1) 最大整流电流 F 最大整流电流 I二极管连续工作时，允许流过的最大整流电流的平均值。(2) 反向击穿电压 BR 反向击穿电压 V二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击 穿电压 VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电 压 VRM 一般只按反向击穿电压 VBR 的一

10、半计算。(3) 反向电流 IR在室温，规定的反向电压下，最大反向工作电压下的反向 电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极 管在微安(A)级。(4) 正向压降 F 正向压降 V在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。硅二极管约 0.60.8V；锗二极管约 0.20.3V。二极管基本电路分析二极管基本电路分析二极管模型1. 理想模型 正向偏置时： 管压降为 0，电阻也为 0。 反向偏置时： 电流为 0，电阻为。 2. 恒压降模型 当 iD1mA 时，vD=0.7V。3. 折线模型（实际模型）rD =V D ? V th 0 . 7 V ? 0 . 5V = = 200 ? iD 1

11、 mA4. 小信号模型V D = Vth + i D rDrD =v Di DQ26( mV ) = I D (mA)二极管电路分析1.静态分析 静态分析 例 1：求 VDD=10V 时，二极 ： 管的 电流 ID、电压 VD 值。 正向偏置时： 当 iD1mA 时， VD = 0V I = VDD = 10V = 1mA 管压降为 0，电阻也为 0。 D R 10 K? vD=0.7V。 反向偏置时： 2. 恒压降模型 电流为 0，电阻为。 3. 实际模型 1. 解： 理想模型VDD ? VD 10V ? 0.7V VD = 0.7V I D = = 0.93mA = 10 K? RVDD

12、? Vth 10V ? 0.5V ID = = = 0.931mA R + rD 10 K? + 0.2 K?VD ? Vth 0.7V ? 0.5V VD = 0.5V + I D rD = 0.5V + 0.931mA 0.2 K= 0.69V rD = = 200? iD 1mA2.限幅电路 限幅电路 例 2：理想二极管电路中 vi= Vm sint V，求输出波形 v0。 ：viVm VR解： Vi VR 时，二极管导通，vo=vi。 Vi 3V 时，D 导通，vo = 3V例 6： 理想二极管电路中 vi=V m sint V，求输出波形 v0。 ：viVm V1 0 V2tViV1

13、 时，D1 导通、D2 截止，Vo=V1。 Vi25V ，D1 导通，D2 截止。2 25 VO = V I + 3 3VI137.5V，D1、D2 均导通。 VO=100VVO100V 75V 50V(V I ? 25 ) 200 VO = + 25 30025V025V50V75V100V125V 150V 137.5VI例 8：画出理想二极管电路的传输特性（VoVI） 。VO当 VI0 时 1 D1 截止 VO = VI 2 D2 导通- 5V+5V +2.5V0-2.5V+5VVI- 5V例 10： 已知二极管 D 的正向导通管压降 VD=0.6V，C 为隔 直电容，vi(t)为小信号

14、交流信号源。 1. 试求二极管的静态工作电流IDQ，以及二极管的直流导 通电阻 R 直。 2. 求在室温 300K 时，D的小信号交流等效电阻 r 交 。C + vi(t) R 1K E 1.5V 解： + VD I DQR 直1.5 ? VD = = 0.9mA 1K0 .6 = = 0 .67 ( k ? ) 0 .9VT 26 r 交 = 28 . 89 ( ? ) IQ 0 .9例 3： 二极管限幅电路:已知电路的输入波形为 v i ,二 ：极管的 VD 为 0.6 伏，试画出其输出波形。解：Vi 3.6V 时，二极管导通，vo=3.6V。 Vi VT 几倍以上，上式可改写为：I IS

15、eV 26 mV即 I 随 V 按指数规律变化。 PN 结反偏时，如果V VT 几倍以上，上 式可改写为： I ? IS其中负号表示为反向。4. PN 结的击穿特性 结的击穿特性如图所示，当加在 PN 结上的反向电压增加到一定数值 时，反向电流突然急剧增大，PN 结产生电击穿 电击穿这就是 PN 电击穿 结的击穿特性。 发生击穿时的反偏电压称为 PN 结的反向击穿电压VBR。VBRIFOPN 结被击穿后，PN 结上的 VF 压降高，电流大，功率大。当PN 结上的功耗使 PN 结发热，并超过 它的耗散功率时，PN 结将发生热 热 击穿。这时 PN 结的电流和温度之 击穿 间出现恶性循环，最终将导

16、致 PN 结烧毁。热击穿不可逆 不可逆 热击穿雪崩击穿 齐纳击穿电击穿可逆 可逆 电击穿5 . PN 结的电容效应 结的电容效应PN 结除了具有单向导电性外，还有一定的 电容效应。按产生电容的原因可分为： 势垒电容 CB ， 势垒电容 扩散电容 CD 。 扩散电容(1) 势垒电容 B 势垒电容 C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，犹如电容的充放电。势垒电容的示 意图如下图。势垒电容示意图(2) 扩散电容 CD 扩散电容 电容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。扩散电容示意图反之，由 P 区扩散到 N 区的空穴，在 N