模拟电路第2章半导体二极管及其基本电路.ppt

第二章、半导体二极管及其基本电路,2-1 半导体的基本知识,导体：铜，银，铝，铁,绝缘体：云母，陶瓷，塑料，橡胶,半导体：硅，锗,半导体得以广泛应用，是因为其导电性能会随外界条件的变化而产生很大的变化。,2-1-1 半导体材料,温度：温度上升，电阻率下降。 锗由20上升到30，电阻率降低一半。,掺杂：掺入少量的杂质，会使电阻率大大降低。 纯硅中掺入百万分之一的硼，电阻率由 2.3105cm降至0.4 cm。,光照：光照使电阻率降低。,利用半导体的这些特性制成了各种各样的半导体器件。,引起导电性能产生很大变化的外界条件有：,2-1-2 锗、硅晶体的共价键结构,1、原子结构,硅,+14,锗,+32,共同特点： 最外层具有4个价电子。,2 晶格与共价键,半导体的共价键结构,处于共价键中的电子称为束缚电子，能量小，不能参与导电。,2-1-3 本征半导体与本征激发,本征半导体：高度纯净，结构完整的半导体。,本征激发：束缚电子获得一定的能量，脱离共价键的束缚而成为自由电子的现象。 (锗 0.67ev 硅 1.1ev),认为空穴带正电荷，电荷量等于电子电荷量。,自由电子失去能量，重新回到共价键上，称为复合。,本征激发后，共价键中留下的空位叫空穴。 本征激发产生自由电子和空穴对。,空穴的运动,半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。,半导体中的电流是电子流和空穴流之和。,在本征半导体中自由电子数总等于空穴数，且浓度很低，导电能力差。 本征激发产生的载流子浓度随温度增加急剧增大。,束缚电子填补空穴的运动称空穴的运动。,硅原子外层电子比锗离核近，受原子核束缚力大，在同样温度下本征激发小，温度稳定性好。,2-1-4 杂质半导体,P型半导体,在本征半导体中掺入微量 3价元素（如硼）形成 。,空穴-多数载流子（多子） 电子-少数载流子（少子）,本征激发产生电子-空穴对。,每一个三价杂质原子产生一个空穴-负离子对。,杂质元素使共价键上缺少1个电子,三价杂质称为受主杂质。,杂质原子获得一个电子成为负离子。 硅原子的共价键上缺少一个电子形成空穴,2 N型半导体,在本征半导体中掺入少量的 五价元素（如磷）形成。,杂质原子多余的一个价电子容易挣脱原子核的 束缚变成自由电子。,每一个5价杂质原子 产生一个电子-正离子对。,本征激发：电子-空穴对。,杂质原子失去一个电子成为正离子。,5价杂质-施主杂质,电子-多子载流子 空穴-少子载流子,结论,掺杂会大大提高半导体中载流子浓度，使导电性能大增。 掺入五价杂质产生N型半导体（电子型半导体）。 多子电子、少子空穴。 掺入三价杂质产生P型半导体（空穴型半导体）。 多子空穴、少子电子。 多子浓度近似等于杂质浓度， 少子浓度与温度密切相关。,2-2 PN结的形成及特性,1、 PN结的形成,浓度差产生多子的扩散运动， 扩散破坏了原来的电中性, P区失去空穴，留下负离子。 N区失去电子，留下正离子。 正负离子的数量相等。,在P区和N区交界面附近，形成由不能移动的正负离子组成的区间称空间电荷区，也称PN结区。,PN 结区,空间电荷区宽度与杂质浓度成反比。,内建电场 由空间电荷形成的电场。内建电场阻止多子的扩散运动。,耗尽层 PN结内由于扩散与复合，使载流子几乎被耗尽，是高阻区。 也称为阻挡层。,结区,E,漂移运动 载流子在电场作用下产生的运动。 内建电场有利于少子的漂移运动。,扩散与漂移达到动态平衡时，形成PN结。 动态平衡时流过PN结的总电流为0。,Vo: 硅 0.60.8V 锗 0.10.3V,电位 分布图,电子势能分布图,势垒区 空间电荷在结区内形成电位差， 称接触电位差或结电压,2.2.2 PN结的单向导电性,(1) 外加正向电压,正向偏置: P区接电源端 N区接电源端,在外电场的作用下 P区空穴向结区运动，中和部分负离子。 N区自由电子向结区运动，中和部分正离子。 空间电荷减少， 结区变窄。,原来的动态平衡被打破,多子的扩散电流远大于少子的漂移电流， 产生较大的正向电流IF。,P区、N区为低阻区，结区为高阻区，所以外加电压主要加在结区，抵消内电场的作用。 结内电位差减小，势垒减小。,外加电压很小变化，将引起电流的较大变化。,PN结正向导通，其正向导通电阻很小。,(2) 外加反向电压,反向偏置 : P区接电源端， N区接电源端。, 结内电位差增加， 势垒提高。, P区的空穴，N区的自由电子，均背离结区运动，致使： 空间电荷增加， 结区变宽。,多子的扩散电流趋于0， 由少子的漂移电流产生反向电流。 少子浓度很小，所以反向电流很小。 PN结反向截止，反向截止电阻很大。,少子由本征激发产生，其浓度与材料及温度有关， 所以反向电流几乎与反向电压的大小无关，而随温度增加急剧增大,结论: 加正向电压，很小的电压能产生较大的 电流，外加电压很小变化，将引起电流的较大变化。 加反向电压，只能产生微小的反向电流，且反向电流的大小几乎与反向电压无关。 PN结正向电阻小，反向电阻大，具有单向导电性。,(3) PN 结的V-I特性,IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 VT =kT /q K=1.3810-23（J/K） q=1.610-19C T 绝对温度 当T=300K时 VT26mV,加正向电压 vD0,几乎与反向电压的大小无关,加反向电压 vD0,3、PN 结的反向击穿,反向电压增加到一定数值时， 反向电流剧增， 这种现象称为反向击穿。（电击穿) 击穿时的反向电压称为反向击穿电压VBR,电击穿,PN 结电击穿的原因： 强电场使自由电子和空穴的数目大大增加，从而使反向电流急剧增加。,反向击穿,热击穿 PN 结温度过高，将结烧坏。, 雪崩击穿： 发生在搀杂浓度较小的PN结。 少子在高反压作用下，以很大能量碰撞束缚电子而形成的连锁反应。 特点：击穿电压较大，（6V) 反向击穿电压随温度上升而增加(正温度系数)。,PN 结电击穿的形式：,齐纳击穿 （场致击穿） 发生在搀杂浓度较高的PN结。 反压虽不太大，但结区窄，结内有很强的电场，将共价键的电子直接大量吸引出来而产生的。 特点：击穿电压较小(6V)， 反向击穿电压随温度上升而减小(负温度系数)。,2-3 半导体二极管,2.3.1 半导体二极管的结构,半导体二极管是由PN结加电极引线封装而成的，其结构有： 点接触型 ，PN结面积小，极间电容小，高频特性好，但反向耐压较低，正向电流较小。用于高频检波、开关器件等。 面接触型，PN结面积大，反向耐压较高，正向电流较大，用于整流。,二极管的符号,正极 (P),负极 (N),1、正向特性： 存在门坎电压Vth （死区电压） 硅0.5V 锗0.1V 正向导通时压降很小，硅 0.60.8V（估算值0.7V) 锗0.20.3V（估算值0.2V),2.3.2 二极管的V-I特性,实际二极管的V-I特性与PN结特性基本相同。,理想PN结的特性：,2、反向特性 电压小于反向击穿电压时，反向电流很小， 硅管 ：1A 、 锗管：几十几百A 反向电流几乎不随反向电压变化，但随温度增加急剧增大。,3、反向击穿特性 当反向电压达到反向击穿电压时反向电流迅速增大，产生反向击穿。,思考题:,如何用模拟式万用表判别二极管正负极,测量正反向电阻？,内阻Ro随量程正比例增加。 1， 10， 100， 1K, 10K,模拟式万用表测电阻的等效电路：,万用表测电阻时： 黑表笔连接电池正极性 红表笔连接电池负极性,测量正向电阻时，量程档位增加，电阻值会怎样变化？为什么与测线性电阻不同？,正向导通还是反向截止？,1. 最大整流电流IF 管子长期运行允许通过的最大正向平均电流。 2. 反向击穿电压VBR 反向电流急剧增加时所加的反向电压。 （参数表中一般规定反向电流所达到的值） 最高反向工作电压一般取击穿电压的一半。 3. 反向电流IR 管子未发生电击穿时的反向电流。 （参数表中一般规定所应加的反向电压）,2.3.3 二极管的参数,4、PN结的电容 在电路理论中定义：一个二端器件，可存储电荷，且存储的电荷与两端电压相关，则该器件为电容。 PN结具有电容效应，主要表现在两方面： 势垒电容CB 描述PN结内空间电荷随外加电压变化产生的电容效应。,反向电压增加,空间电荷区宽度增加,空间电荷增加(正负离子),外加电压的变化会引起空间电荷的变化,势垒电容的特点: 存储的电荷是正负离子，不是载流子，“充、放”电是由载流子与离子的中和或取出产生的。 非线性电容，电容值随外加电压而变化 。,变容二极管：,利用势垒电容特性而制作的特殊二极管。 工作时必须加反偏电压， 反偏电压增大，电容C减小。,用于自动调谐电路，调频振荡器，自动频率微调,PN结正偏时： P区空穴到达N区成为非平衡少子，一面扩散，一面与电子复合，浓度逐渐下降，在结的边缘处有空穴的积累； 同样，N区的电子到达P区，在结的边缘处也有积累。 正向电压越大，正向电流加大，积累的非平衡少子越多，扩散电容加大。, 扩散电容CD,描述PN结正偏时，注入的非平衡少子在扩散过程中因积累产生的电容效应。,PN结总的结电容 ：CJ=CB+CD,正向偏置：主要表现为扩散电容 CJCD,反向偏置：扩散电容CD=0 表现为势垒电容 CJCB,结电容是影响二极管高频特性的主要因素，将破坏二极管的单向导电性。,PN结高频等效电路,正向偏置，r小，结电容较大，但影响小。 反向偏置，r大，结电容较小，但影响大。,2.4 二极管基本电路及其分析方法,二极管是一种非线性器件，分析含二极管的电路一般采用图解法和模型分析法。 2.4.1 二极管正向 vi的建模 1、理想模型,正向偏置时，管压为0V， 反向偏置时，电流为0。 用于电源电压 管压降的情况 如开关电路,2、恒压降模型,二极管正向导通时，认为其管压降VF=常数 （硅管取0.7V)。 用于直流分析时，电源电压较大，工作电流较大， （1mA)，正向电压变化较小的情况。,3、折线模型,Vth:门坎电压 (硅管一般取0.5v),二极管的正向压降随流过二极管正向电流的增加而线性增加。一般用于电源电压较小，工作电流较小的场合。,根据二极管的电流ID和管压降VD可以求出rD,4、小信号模型,当输入变化的信号时，且信号幅度很小，二极管工作在静态工作点Q附近的小范围内, 则可以在小范围内把V-I特性曲线看成是过Q点的切线。其斜率的倒数称微变电阻rd （动态电阻）,小信号模型只用于动态分析， 方程中求解的变量是信号量。 （电压和电流瞬时值的变化量）,rd的计算,rd与静态工作电流有关。,2-4-2 二极管模型分析法,1、静态分析,图解法, 模型分析法,理想模型,VDD0: ID=VDD/R VD=0 VDD0: ID=0 VD=VDD,恒压降模型,VDDVF: VD=VF=0.7V ID=(VDD-0.7)/R,VDDVF: VD=VDD ID=0,折线模型,VDDVth: ID=(VDD-Vth)/(R+rD) VD=Vth+IDrD=VDD-IDR,VDDVth: ID=0 VD=VDD,2、限幅电路,设二极管为理想二极管 1)设Vi=0V、4V， 求Vo,二极管开路电压VDO=Vi-3 VDO0 Vi3V 二极管导通 VDO0 Vi3V 二极管截止,Vi=4V VDO=1V 二极管导通 Vo=VR=3V,Vi=0V VDO=-3V 二极管截止 Vo=Vi=0 V,2) 设vi=6sint, 画出vo的波形及传输特性,二极管开路电压VDO=Vi-3 VDO0 Vi3V 二极管导通 Vo=VR=3V VDO0 Vi3V 二极管截止 Vo=Vi,如二极管采用折线模型(Vth=0.5V,rD=200)，重作此题。,1)设Vi=0V，4V，,Vi=0，二极管截止，Vo=Vi=0,Vi=4V，二极管导通 I=(Vi-VR-Vth)/(R+rD)=0.417mA Vo=Vth+VR+IrD=3.583V,2) 设vi=6sint, 画出vo的波形及传输特性,当ViVth+VR=3.5V, 二极管截止 Vo=Vi,3 、开关电路 二极管在开关电路中一般采用理想模型。 关键是判别二极管是导通，还是截止,例1：试判断下图中二极管是导通还是截止，并求出输出端的电压Vo（设二极管是理想的）,Vo=0V,方法是：将二极管开路，计算两端的开路电压， 开路电压大于0，二极管正偏，将其看作短路。开路电压小于0，二极管反偏，将其看作开路。,D1导通，D2截止,例2：,如果多个二极管都有可能导通的话， 则先令正向电压较大的二极管先导通。 再重新计算其他二极管的开路电压， 重新考虑其状态。,此时VD1=6V， 所以D1 截止。 Vo= -6V,D2所加正向电压较大，所以先导通。,例2.4.3,D1导通， D2导通 Vo=0V,D1导通，D2截止 Vo=0V,D1截止，D2截止 Vo=5V,与门电路,Vi1=0 Vi2=0,Vi1=0，Vi2=5V,Vi1=5V，Vi2=5V,4、 低电压稳压,利用二极管的正向特性可以构成低电压的稳压电路,分析方法： 1）用恒压降模型进行静态分析，求IQ 2）根据静态工作点求出微变电阻。 3）建立二极管的小信号模型，此时只考虑交变分量。,例：在图所示电路中， 直流电压VDD=10V，R=10K， 若V=1V， 相应的硅二极管两端电压的变化量为多少？,解：求静态工作点 由于VDD=10V0.7V， 所以二极管采用恒压降模型。,计算二极管的微变电阻 rd= 26mV/ID= 28 欧姆,画微变等效电路：直流电源取零值，二极管用其微变电阻代替，电路中的变量是电压、电流的变化量。,VD=0.7V ID=（10-0.7）/10 =0.93mA,vD = vrd/(R+rd) = 2.79mV,2-5 特殊二极管,2.5.1 稳压管,1、原理：利用二极管反向击穿特性实现稳压。反向击穿后，电流急剧增加，