《半导体二极管及其电路分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体二极管及其电路分析（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,模拟电子技术 第1章 半导体二极管及其电路分析,范立南 恩莉 代红艳 李雪飞 中国水利水电出版社,第1章 半导体二极管及其电路分析,1.1 本征半导体 1.2 杂质半导体 1.3 PN结 1.4 半导体二极管 1.5 稳压管,导体的导电能力最强，金、银、铜等金属均为导体； 绝缘体的导电能力最弱，塑料、橡胶等均为绝缘体； 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，常用的半导体材料为硅(Si)、锗(Ge)，化合物半导体为砷化镓（GaAs）。 半导体具有光敏、热敏和掺杂特性：即半导体在受到光照、加热或掺入微量杂质时，其导电性能会大大提高。,1.1 本征半导体,纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
2、 现以硅原子为例：每个硅原子最外层的4个价电子分别和周围4个硅原子的价电子形成共用电子对，构成共价键结构，如图1-1所示。,图1-1 本征半导体的共价键结构,本征半导体中有两种载流子：自由电子载流子和空穴载流 子。 本征半导体中的共价键具有很强的结合力，常温时仅有极少 数价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成 为自由电子；同时在共价键相应位置处留下一个空位，称为 空穴。如图1-2所示。,图1-2 本征半导体的两种载流子,本征激发：半导体由于热激发产生自由电子空穴对的现象。 本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的，二者数量 相等。 本征半导体中的电流等于自由电子电流和空穴电流之和
3、。 复合：自由电子在运动过程中，如果与空穴相遇，就会填补 空穴，使自由电子和空穴成对消失。 在一定温度下，自由电子、空穴的产生与复合会达到动态平 衡。,1.2 杂质半导体,杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的杂质元素，其导电 性能会得到改善。 按照掺入元素的不同可分为：N型半导体和P型半导体。 N型半导体：在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等 P型半导体：在本征半导体中掺入+3价元素，如硼（B）等,1.2.1 N型半导体,在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等所得到的杂质 半导体为N型半导体，如图1-3所示。,图1-3 N型半导体,N型半导体仍然有两种载流子：自由电子和空穴。 空穴载
4、流子是本征激发产生的。 自由电子载流子除了本征激发产生以外，还有一部分是由杂 质提供的， N型半导体的多子：自由电子 N型半导体的少子：空穴,1.2.2 P型半导体,在本征半导体中掺入+3价元素，如磷（B）等所得到的杂质 半导体为P型半导体，如图1-4所示。,图1-4 P型半导体,P型半导体仍然有两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子载流子是本征激发产生的。 空穴载流子除了本征激发产生以外，还有一部分是由杂 质提供的， P型半导体的多子：空穴 P型半导体的少子：自由电子,1.3 PN结 1.3.1 PN结的形成,利用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同 一个半导体硅片上，在P型半导
5、体和N型半导体的交界面就 形成了PN结。 PN结的形成过程如图1-5：,(a)多子扩散运动 (b)动态平衡时的PN结 图1-5 PN结的形成,1.3.2 PN结的单向导电性,PN结的单向导电性是指当PN结外加正向电压时导通，有较 大的正向电流流过；当PN结外加反向电压时截止，仅有较 小的反向电流流过。 所谓PN结外加正向电压是指PN结的P区接电源的正极，N区 接电源的负极，通常称作PN结正向偏置，如图1-6所示。,图1-6 PN结外加正向电压的情况,1.3.3 PN结的伏安特性,所谓PN结外加反向电压是指PN结的N区接电源的正极，P区 接电源的负极，通常称作PN结反向偏置，如图1-7所示。,图
6、1-7 PN结外加反向电压的情况,PN结两端所加电压与流过该PN结的电流之间的关系为：,PN结的伏安特性曲线如图1-8所示。,图1-8 PN结的伏安特性曲线,PN结的伏安特性曲线分为3部分： （1）正向特性。 （2）反向截止特性。 （3）反向击穿特性。 当PN结两端外加的反向电压增加至一定值后，流过PN结的 反向电流急剧增加，此现象称为PN结的反向击穿。PN结的 反向击穿按照其击穿机理的不同，可分为雪崩击穿和齐纳击 穿两种。,1.3.4 PN结的电容效应,PN结的电容效应根据产生机理不同可分为：势垒电容和扩 散电容。 PN结的结电容为势垒电容和扩散电容之和。,1.4 半导体二极管,半导体二极管
7、是由PN结的P区和N区分别引出两根电极引 线，并加上管壳封装而成，简称为二极管。二极管的外形、 结构、符号如图1-9所示。,图1-9 二极管的外形、结构及符号,按构成二极管的材料划分：硅二极管、锗二极管和砷化镓二 极管等。 按照结构划分：点接触型二极管、面接触型二极管和平面 型二极管。 按照用途划分：整流二极管、稳压二极管、发光二极管 等。 按照功率划分：大功率二极管、中功率二极管和小功率二 极管。,1.4.1 二极管的伏安特性及主要参数,1二极管的伏安特性,图1-10 二极管的伏安特性曲线,二极管的伏安特性曲线分为3部分： （1）正向特性。 （2）反向截止特性。 （3）反向击穿特性。 随着环
8、境温度的增加，二极管的正向特性曲线将左移，反向 特性曲线将下移。温度升高时，二极管的反向电流将增大， 温度每增加10，反向电流增加一倍；温度升高时，二极管 的正向压降将减小，温度每增加1，正向压降将减小 22.5mV。,2二极管的主要参数 （1）最大整流电流：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流，该值与PN结面积和散热条件有关。使用时正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。 （2）最大反向工作电压：指二极管正常工作时所能承受的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因反向击穿而被损坏。通常规定最大反向工作电压为击穿电压的一半。,（3）反向电流：指二极管未发生击穿时的反向电流。其值 越
9、小，说明二极管的单向导电性越好。 （4）最高工作频率：指二极管正常工作时的上限频率值， 它的大小与二极管的结电容有关，若超过此值，二极管的单 向导电性会受到影响。,1.4.2 二极管电路的分析,1二极管的等效电路 （1）理想模型：其伏安特性曲线和等效电路分别如图1- 11(a)、(b)所示。,(a)伏安特性曲线 (b)等效电路 图1-11 理想模型,（2）恒压降模型：伏安特性曲线和等效电路分别如图1- 12(a)、(b)所示。,(a)伏安特性曲线 (b)等效电路 图1-12恒压降模型,（3）折线模型：伏安特性曲线和等效电路分别如图1-13 (a)、(b)所示。,(a)伏安特性曲线 (b)等效电
10、路 图1-13折线模型,（4）小信号模型 二极管小信号模型的伏安特性曲线和等效电路分别如图1-14(a)、(b)所示。,(a)伏安特性曲线 (b)等效电路 图1-14小信号模型,2二极管电路分析举例 【例1-1】电路如图1-15所示，假设图中的二极管是理想的， 试判断二极管是否导通，并求出相应的输出电压。,（a） (b) 图1-15 例1-1的电路图,解：二极管D导通，输出电压 。 二极管D截止，输出电压 。 【例1-2】电路如图1-16所示，二极管的正向导通压降为 0.7V，试分析电路的工作原理，并画出 和 的波形。,图1-16 例1-2的电路图,解：,【例1-3】电路如图1-18所示， ，
11、 。试分 别用理想模型和恒压降模型，求解电路的 和 的 值。,图1-18 例1-3的电路图,解： 理想模型： ，加在二极管阳极的电位高于加在二极管 阴极的电位，二极管导通。,解：恒压降模型： ，加在二极管阳极的电位高于加在二极管 阴极的电位，二极管导通。,1.5 稳压管 1.5.1 稳压管的伏安特性,稳压管又称齐纳二极管，是一种工作在反向击穿状态下的面 接触型硅半导体二极管。 稳压管的伏安特性、符号及等效电路如图1-19(a)，(b)，(c) 所示。,(a)伏安特性 (b)符号 (c)等效电路 图1-19 稳压管的伏安特性、符号及等效电路,1.5.2 稳压管的主要参数,（1）稳定电压：指在规定
12、电流下，稳压管的反向击穿电压。 （2）稳定电流：指稳压管工作在稳压状态时的参考电流，通常也记作。稳压管工作时，电流低于此值时，稳压效果将变坏，甚至不能稳压。在保证不超过稳压管的额定功率前提下，电流越大，稳压管稳压效果越好。 （3）额定功耗：为稳压管的稳定电压与最大稳定电流之积。 （4）动态电阻：指当稳压管工作在稳压状态时，稳压管两端电压的变化量与流过稳压管电流的变化量之比。越小，稳压管稳压效果越好。 （5）温度系数：用于反映温度变化对稳定电压的影响，是指温度每变化1所引起的稳定电压的变化量。,1.5.3 稳压电路,图1-20所示为稳压管稳压电路，其中为稳压管，电阻为负载 电阻，电阻为限流电阻。当电网电压波动或者负载电阻变化 时，都能够引起输出电压变化。,图1-20 稳压管稳压电路,
