模拟电子技术华中理工版第二章学习

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1、2 半导体二极管及其基本电路,重点：晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。 难点：1.两种载流子 2.PN结的形成 3.单向导电性 4.载流子的运动,重点难点,2 半导体二极管及其基本电路,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,2.1 半导体的基本知识,2.1.1 半导体材料,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 半导体材料,一、物体的导电特性 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 半导体：介于导体与绝缘体之间，如：,典型

2、的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,二、半导体的特点,1、光敏性和热敏性:,2、掺杂性：,2.1.3 本征半导体,一、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束

3、缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,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。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,二、本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。这种现象称为本征激发。,1.载流子、自由电子和空穴,自由电子,空穴,束缚电子,2.本

4、征半导体的导电机理,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，而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。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,2.1.3 本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构 上呈单晶体形态。,空穴共价键中的空位。,电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。,空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。,空穴的移动,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，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

5、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。,2.1.4 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型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,1. N型半导体,因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成

6、。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,2. P型半导体,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。,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。,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

7、.1 PN结的形成,图2.2.1 PN结的形成,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,3,在一块本征半导体在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,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区 ,2.2.2 PN结的单向导电性,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位

8、，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时,低电阻 大的正向扩散电流,（1）PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,I,扩散运动漂移运动,（2）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。,R,E,I0,扩散运动 漂移运动,2.2.2 PN结的单向导电性,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。 (2) PN结加反向电压时,高电阻 很小的反向漂移电流,小结： PN结

9、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。,2.2.2 PN结的单向导电性,(3) PN结V- I 特性表达式,其中,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,2.2.3 PN结的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿不可逆,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,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

10、为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、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艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(4) 二极管的代表符号,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,2.3.2 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,反向特性,反向击穿特性,2.3.3 二极管的参数,二极管电路分析,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管

11、两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,2.4.2 应用举例,二极管的应用,应用一、箝制电位的作用：将电路某点的电位箝制在某一数值。,例1：已知：DA和DB为硅二极管，求下列情况下输出端电位VF的值。（1）,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例2：,取 B 点作参考

12、点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起箝位作用。,例3:电 路 如 图 所 示，设 二 极 管 D1，D2，D3 的 正 向 压 降 忽 略 不 计，求 输 出 电 压 uO。,两个二极管的阴极接在一起 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例4:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里， D2 起箝位作用， D1起隔离作

13、用。,应用二、隔离的作用：二极管截止时相当于开路，可用来隔断电路或信号之间的联系。,ui 2V，二极管导通，可看作短路 uo = 2V ui 2V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,2V,例5：,参考点,二极管阴极电位为 2 V,应用三、限幅的作用：将输出电压的幅值限制在某一数值。,思考：当Us 分别为 2 V、4 V，而 ui 分别为3 V、 3sint V 时，uo 的波形又将如何？,（1）单相半波整流,利用二极管的单向导电性将交流电变换为脉动的直流电。,特点：只利用了半个周期。,应用四、整流的作用,本课小结,二极管的应用,应用一、箝制电位作用,应用二、隔离作用,二极管的特性：单向导

14、电性,正向导通，反向截止。,应用三、限幅作用,应用四、整流作用,2.5 特殊体二极管,2.5.1 稳压二极管,2.5.2 变容二极管,2.5.3 光电子器件,1. 光电二极管,2. 发光二极管,3. 激光二极管,2.5.1 稳压二极管,1. 符号及稳压特性,(a)符号,(1) 稳定电压VZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,(2)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,2. 稳压二极管主要参数,2.5.1 稳压二极管,(1) 当输入电压变化时如何稳压,根据电路图可知,输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使V

15、R增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程可概括如下：,这里VO减小应理解为，由于输入电压VI的增加，在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。,VIVOVZIZIRVRVO,图10.02 硅稳压二极管稳压电路,(2) 当负载电流变化时如何稳压,负载电流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=VO减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。这一稳压过程可概括如下：,ILIRVRVZ（VO）IZIRVRVO,2.5.1 稳压二极管,3. 稳压电路,正常稳压时 VO =VZ,# 不加R可以吗？,# 上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎样的？,特殊类型的二极管, 变容二极管,利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。,符号：,注意：使用时，应加反向电压,光 电 二 极 管, 定义：,有光照射时，将有电流产生的二极管, 类型：,PIN型、,PN型、,雪崩型, 结构：,和普通的二极管基本相同, 工作原理：,利用光电导效应工作，PN结工作在反偏态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，形成光生电子空穴对，在外电场的作用下形成光生电流,IP,注意：应在反压状态工作,发 光 二 极 管, 定义：,将电能转换成光能的特殊