模拟电路第一章二极管

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1、第一章 常用半导体器件,第一章 常用 器件,半导体,金属,惰性气体,硅、锗,4,4,=4,小,易,大,二者之间,不易,二者之间,半导体,1.1.1 本征半导体,1.1 半导体基础知识,纯净的晶体结构的半导体,无杂质,?,半导体硅和锗的最外层电子（价电子）都是四个。,结构特点,通过一定的工艺过程，可将其制成晶体。,即为本征半导体,本征半导体的结构示意图,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共用电子,常温下价电子 很难脱离共价键 成为自由电子,导电能力很弱,+4,+4,+4,+4,热和光的作用,自由电子,空穴,一些价电子获得足够的 能量而脱离共价键束缚,电子空穴对,本征激发,

2、（热激发）,带正电,带负电,游离的部分自由电子 也可能回到空穴中去， 称为复合,+4,+4,+4,+4,在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移。,空穴的迁移相当于正 电荷的移动，因此可 以认为空穴是载流子。,本征半导体的两种载流子,温度越高，载流子的浓度越高，导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,在本征半导体中掺入少量合适的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,1.1.2 杂质

3、半导体,N 型半导体,磷原子,多余 电子,掺入少量的五价元素磷（或锑）,取代，形成共价键,多出一个电子,磷原子成为不能移动 的正离子,施主 原子,N 型半导体中的载流子是什么？,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）。,Negative,空位,硼原子,空穴,P 型半导体,掺入少量的三价元素硼（或铟）,取代，形成共价键,产生一个空位,吸引束缚电子来填补,受主 原子,硼原子成为不能移动 的负离子,空穴是多子，电子是少子,

4、Positive,(3)、杂质半导体的示意表示法,P 型半导体,N 型半导体,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。,小结,4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。 N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。,5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度 和材料性质有关。,1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。,2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由 电子和空穴对，故其有一定的导电能力。,3、本征半导体的导电能力主要由温度决定； 杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。,一、PN 结的形成,利用掺杂

5、工艺，将P 型半导体和N 型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成了PN 结。,1.1.3 PN结,N 型半导体,P 型半导体,PN结,物质因浓度差会产生扩散运动,N区自由电子浓度远高于P区。,P区空穴浓度远高于N区。,自由电子,空穴,空间电荷区， 也称耗尽层。,扩散的结果是产生空间电荷区。,内电场E,+,-,在电场力作用下，载流子产生的运动称为漂移运动,自由电子,空穴,最终扩散和漂移这一对相反的运动达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,多子的扩散运动,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,总结,因浓度差,由杂质离子形成空间电荷区

6、,达到平衡，空间电荷区宽度固定不变,二、 PN结的单向导电性,PN 结正向偏置,P,N,+,_,外加电源将使扩散运动源源不断的进行，形成正向电流，PN结导通,PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。PN结截止,R,E,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,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结截止。,总结,三、PN结VCR方程,PN结两端的外电压u与流过PN结的电流i之间的关系,UT: 温度电压当量， = kT/q，一般取值

7、为26mv； k为玻耳曼常数 T为热力学温度 q为电子电荷量,IS：反向饱和电流,A,B,C,四、PN结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,1.2 半导体二极管,阴极引线,阳极引线,1.2.1 半导体二极管的结构类型,按结构分类,点接触型,面接触型,平面型,

8、(1) 点接触型二极管,PN结面积小,不能通过较大的电流,结电容小,工作频率高,适用于 高频电路 和小功率整流,(2) 面接触型二极管,PN结面积大,能通过较大的电流,结电容大,能在低频下工作,一般仅作为 整流管使用,合金法,PN结面积可大可小,视结面积的大小 用于大功率整流 和开关电路中,二极管的电路符号,阳极,阴极,二端无源元件,(3) 平面型二极管,扩散法,半导体二极管图片,1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线,二极管,近似分析时：,(1) 二极管和PN结伏安特性的区别,二极管存在半导体体电阻和引线电阻,二极管表面 漏电流,单向导电性,几点说明,二极管的正向特性,u0,0uUon,Uo

9、n,开启电压,正向电流为零,uUon,开始出现正向电流，并按指数规律增长。,二极管的反向特性,u0,U(BR) u0,反向电流很小,u U(BR),反向电流急剧增加,反向 饱和电流,反向 击穿电压,基本不随反向电压的变化而变化,二极管发生击穿,(2) 不同材料二极管伏安特性的区别,u/V,i,锗材料,硅材料,硅材料PN结平衡时的耗尽层电势比锗材料的大,0.5,1.0,硅管0.60.8V,导通压降,硅管0.1A,反向饱和电流,-10A,锗管0.10.3V,锗管 几十A,(3) 温度对二极管伏安特性的影响,u,i,80,20,正向区：温度升高，曲线左移,反向区：温度升高，曲线下移,1.2.3 半导

10、体二极管的参数,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,二极管工作时允许外加的最大反向电压,(1)最大整流电流 IF,与PN结结面积和散热条件有关,(2)最高反向工作电压UR,通常为击穿电压U(BR)的一半,(3)反向电流IR,二极管未被击穿时的反向电流,一般是指最大反向工作电压下的反向电流值。,反向电流越小越好。,UR,1.2.4 二极管的等效电路,二极管是非线性器件，,由二极管构成电路是非线性电路。,分析困难,用线性元件构成的电路来近似模拟二极管的特性,二极管的等效电路,多种等效电路， 根据应用要求进行选择,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。,rd =uD /iD,ID,U

11、D,uD,iD,rd与工作状态有关,二极管的 微变等效电路,Q2,Q1,1.微变等效电路,2.由伏安特性折线化得到的等效电路,正向压降为0,反向电流为0,正向压降为U,反向电流为0,直线斜率为1/rd,反向电流为0,U,U,U,rd,理想二极管,U,例1 电路如图所示，试判断二极管是导通还是 截止，并求出AO两端电压UAO, 设二极管是理想的。,解：,假设不成立，所以D导通，,相当于导线，,UAO= - 6V,B,C,VB=-6V,VC=-12V,假设二极管不导通,例2 电路如图所示，试判断二极管是导通还是截 止，并求出AO两端电压UAO, 设二极管是理想的。,解：,D1导通，,短路,D2截止

12、，,断路,UAO= 0V,假设二极管不导通,VB=-12V,B,C,VC=-15V,D,VD=0V,例3 电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压uo 的波形，设D为理想二极管。,解：,ui3V,D截止,uo=ui,ui3V,D导通,uo=3V,单向限幅,A,B,假设二极管不导通,VA=3V,VB= ui,例4 电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压 uo的波形，设D为理想二极管。,解：,ui 3V,D1导通、,D2截止,uo=3V,ui-2V,D1截止 、,D2导通,uo=-2V,ui3V,-2V,D1截止,D2截止,uo=ui,双向限幅,A,B,C,VA=3V,V

13、B=-2V,VC= ui,练习 二极管开关电路如图所示，求输出电压VO的值。设 D为硅二极管，导通压降为0.7V。,解：,D1导通，,D2截止，,VO=0.7,+0,=0.7V,共阳极，阴极谁低谁导通,共阴极，阳极谁低谁导通,例6 电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压 uo的波形，设D为硅二极管，导通压降为0.7V。,解：,ui3.7V,D截止,uo=ui,ui3.7V,D导通,uo=3.7V,VA= ui,VB=3.7V,例7 电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压 uo的波形，设D为硅二极管，开启电压Uon=0.5V，电阻 rd=200。,解：,ui3.5V,

14、D截止,uo=ui,ui3.5V,D导通,uo=,0.5,+3,ui,-0.5,-3,800,+200,200,=0.2ui +2.8,B,A,VA= ui,VB=3.5V,1.2.5 稳压二极管,稳压二极管是硅材料制成的面接触型晶体二极管。,u,i,曲线越陡，电压越稳定。,UZ,1、稳压管的伏安特性,uUZ时作用同二极管,u增加到UZ 时，稳压管击穿,(a),2、稳压管的主要参数,规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,(1)稳定电压 UZ,稳压管低于此值稳压情况变坏，常记作IZmin,(2)稳定电流 IZ,工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比,(3)动态电阻rZ,

15、rZ =UZ /IZ,(4)额定功耗PZM,PZM= UZ IZmax,最大稳定电流,(5)温度系数,表示温度每变化1稳压值的变化量,例1 电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压uo的波形。设DZ为硅稳压二极管，稳定电压为5V, 正向导通压降忽略不计。,解：,ui-3V,D导通,uo= -3V,ui-3V,D截止,uo= ui,2V,2Vui,D反向击穿,uo= 2V,A,B,VB= ui,VA= -3V,例2 稳压管的稳定电UZ=6V, 最小稳定电流IZmin=5mA, 最大稳定电流IZmax=25mA, 负载电阻RL=600。 求限流电阻R的取值范围。,解：,UO=UZ,=6V,IL=,UO,RL,6,600,=0.01A,=10mA,当IDZ=IZmin=5mA时,IR=IDZ+IL,=5+10,=15mA,R=,UI,-UO,IR,10,-6,15,10-3,=227,当IDZ=IZmax=25mA时,IR=,25+10,=35mA,10,-6,35,10-3,=114,R=114227,