《模电第三章课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模电第三章课件（92页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、3.二极管及其基本电路,3.1半导体的基本知识,3.2PN结的形成及特性,3.3二极管,3.5特殊二极管,3.4二极管的基本电路及其分析方法,3.1.1半导体材料,半导体的特点：,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。常用材料的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,3.1 半导体的基本知识,返回,原子按一定规律排列，形成晶体点阵后：,3.1.2半导体的共价键结构,用得最多的半导体材料是硅（Si)和锗（Ge)，它们都是四价元素，简化原子结构为：,共价键,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作
2、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载流子数有关，载流子浓度越高，电导率越高,返回,T0K（K=273+oC)时，本征半导体的价电子被共价键束缚，无载流子，不导电，相当于绝缘体。,T300K（室温)或有外界刺激时，本征半导体的价电子获得足够能量挣脱共价键的束缚，成为自由电子本征激发,本征激发,电子空穴对,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。,自由电子,因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。,本征激发 或热激发,动画1-1,空穴,电子与空穴的移动,所以晶体中的载流子有两
3、种：自由电子、空穴,空穴是带正电的粒子，与电子的电量相等符号相反。,本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，任何时刻浓度相等，ni=Pi，只与温度有关。,返回,复合自由电子可以与空穴复合形成新的填充的共价键,温度一定时，载流子的复合率等于产生率动态平衡,3.1.4 杂质半导体,1.N型半导体（电子型半导体）,在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 ),失去电子成为 稳定的正离子,易成为自由电子,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。,返回,1.空穴数=本征激发的空穴数 2.所掺杂质称为施主
4、杂质（或N型杂质、施主原子) 3.自由电子浓度（n）=本征激发的自由电子浓度（p)+施主杂质自由电子浓度（ND） 4.自由电子为多数载流子（多子）；空穴为少数载流子(少子） 在无外电场时，呈电中性,N型半导体的特点,2.P型半导体（空穴型半导体）,在本征半导体中掺入三价的元素（硼）,得到电子成为不能 移动的负离子,返回,硅或锗原子的共价键缺 少一个电子形成了空穴,电子数=本征激发电子数； 所掺杂质称为受主杂质（或P型杂质、受主原子）； 总空穴浓度（p)=本征激发的空穴浓度（n)+受主杂质的浓度（NA）； 空穴为多数载流子（多子）， 电子为少数载流子(少子）； 在无外电场时，呈电中性,P型半导体
5、的特点,注意：在本征半导体中掺入杂质（例如N型杂质），可提高多子（电子）的浓度，也使电子与空穴的复合几率增加，这样少子（空穴）的浓度会降低。,一定温度下，掺杂前后的电子空穴浓度的乘积为常数，即,因为,所以,例：纯净硅，室温下，ni=Pi=1010/cm3数量级,硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级,掺入百万分之一（10-6）的杂质，即杂质浓度为：10221061016/cm3,若每个杂质给出一个载流子，则掺杂后的载流子浓度为：10161010 1016/cm3数量级,比掺杂前增加106倍，即一百万倍！,掺入微量杂质，导电能力将很大提高,3.2 PN结的形成及特性,3.2.1 载流子的漂移与
6、扩散 3.2.2 PN结的形成 3.2.3 PN结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容效应,返回,3.2.1 载流子的漂移与扩散,漂移运动：在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。,扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。,3.2.2 PN结的形成,3.2.2 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。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差,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,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离
7、子形成空间电荷区,返回,PN结的几种叫法：,留下的是不能运动的离子空间电荷区。,多子都扩散到对方被复合掉了耗尽层。,形成的内电场阻止扩散运动阻挡层。,形成的内电场具有电位梯度，称接触电位差（很小）势垒区。,3.2.3 PN结的单向导电性,1. PN结加正向电压正偏置,动画,返回,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。,返回,PN结加正向电压正偏置,形成正向电流,多子向PN结移动,空间电荷变窄内电场减弱,扩散运动大于漂移运动,PN结在外加正向电压时的情况,外加电场与内电场方向相反，削减内电场的作用,外加电压变化一点，势垒（电流）变化
8、很多,低电阻特性大的正向扩散电流,PN结正偏时的势垒情况,2.PN结加反向电压反偏置,形成反向电流,多子背离PN结移动,空间电荷区变宽,内电场增强,漂移运动大于扩散运动,PN结的外加反向电压时的情况,外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用,高电阻很小的反向漂移电流,PN结反偏时的势垒情况,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。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,3. PN结伏安特性的表达式,PN结V-I 特性表达式,iDPN结电流,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,在常温下（T=300K）,n 发射系数
9、，与PN结尺寸、材料等有关，12，一般取1,vDPN结外加电压,当二极管的PN结两端加反向电压时，VD为负值，VD 比 nVT大几倍，,当二极管的PN结两端加正向电压时，VD为正值，VD 比VT大几倍， ， iD与VD成指数关系。,3.2.4 PN结的反向击穿,当外加的反向电压大于一定的数值（VBR：击穿电压）时，反向电流急剧增加 ，称为击穿。,雪崩击穿：,雪崩击穿和齐纳击穿,形成电子空穴对（碰撞电离）,通过PN结的少子获得能量大,与晶体中原子碰撞使共价键的束缚 电荷挣脱共价键,PN结反向高场强,载流子倍增效应,齐纳击穿：,形成电子空穴对,直接将PN结中的束缚电荷从共价键中拉出来,PN结电场很
10、大,很大反向电流,齐纳击穿需要很高的场强：2105 V/cm,只有杂质浓度高，PN结窄时才能达到此条件齐纳二极管（稳压管）,电击穿:当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率时,称为电击穿，是可逆的。即反压降低时,管子可恢复原来的状态。,热击穿:若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散功率,则管子会因为过热而烧毁,形成热击穿不可逆。,热击穿和电击穿,雪崩击穿、齐纳击穿可逆,电容：可存储、释放电荷（电场能量）的电器元件,PN结具有电容效应，耗尽层电导率低，相当于介质；P、N型区相对来说电导率较高，相当于金属板,3.2.5 PN结的电容效应,1. 扩散电容CD,扩散电容是由多子扩散后，在PN结
11、的另一侧面积累而形成的。当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容充放电过程。,2 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，犹如电容的充放电。,考虑PN结的电容效应后，高频或开关状态时，等效为：,3.3 二极管,3.3.1 二极管的结构,3.3.2 二极管的伏安特性,3.3.3 二极管的主要参数,3.3.1 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。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积
12、小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于低频、大电流整流电路。,无论是点接触型、面接触型二极管，电路符号皆为：,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,二极管符号：,D代表P型Ge,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,3.3.2 二极管的V-I 特性,二极管的V-I 特性曲线可用下式表示,锗二极管2AP15的V-I 特性,硅二极管2CP10的V-I 特性,硅管的Vth=0.5V左右 锗管的Vth=0.1V左右,当0VVth时，正向电流为零，Vth称死区
13、电压或开启电压或门坎电压。,1.正向特性-分为两段：,当V Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,Si管与Ge管V-I特性的差异,硅管正向导通压降约为0.7V 锗管正向导通压降约为0.2V,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 。,2.反向特性,反向饱和电流： 硅管为纳安（109）级 锗管为微安（106）级,当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。,反向特性,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。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
14、软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|7V时,主要是雪崩击穿；若|VBR|4V时, 则主要是齐纳击穿。当在4V7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。,管子反向击穿时的电压值。,管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流,(1) 最大整流电流IF,(2) 反向击穿电压VBR,(3) 反向电流IR,二极管未击穿时的反向电流。,IR越小，管子的单向导电性越好。,特性：IR与温度有关，T,3.3.3 二极管的主要参数,表3.3.1,由于PN结的电容效应，当二极管外加电压极性变化时，特别是由正偏变为反偏时，其状态由正偏变为反偏，但翻转瞬间会有很大反向电流，需
15、要恢复时间，才能达到反向截止状态。,图3.3.4,(5) 反向恢复时间TRR,二极管的参数是正确使用二极管的依据，工程使用中，应特别注意最大整流电流和反向击穿电压这两个参数。,3.4 二极管的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,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,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3.4.1 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,也可联解方程组：,复杂！,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,（1）理想模型,正偏时：管压降为0，电阻也为0。,反偏时：电流为0，电阻为。,又称开关模型,（2）恒压降模型（iD1mA时）,0.7V 硅管 0.2V 锗管,正偏时：,反偏时:,放大电路多用此模型,（3）折线模型,（硅二极管）,折线段：,正偏时：,反偏时:,例 二极管加正向电压,1.理想模型,2.恒压模型,
