模拟电子技术（张学军）第1章 晶体二极管及其基本电路.ppt

1,第0章 绪 论,电子技术包括模拟电子技术和数字电子技术两大分支，缺一不可。,2,一、什么是电子技术？其发展概况如何？,2、发展概况： 1）真空管或电子管时代 2）晶体管时代 3）集成电路时代 4）超导材料、纳米材料 （纳米电子学为十大科技之首）,1、 定义： 又名电子学，它是一门研究各种电子器件、电子电路及其应用的学科。是当代发展最迅速的学科之一。,3,1、掌握各种功能电路的组成原理及其性能特点，具有集成器件应用的设计能力。 2、掌握电子技术的基本概念、基本知识、基本分析方法（“三基”），为后续课程打好基础。 3、培养三个能力：综合应用能力，创新能力和电子电路的分析、设计能力。 4、研究内容是电子器件（包括组件）、基本电子电路及其构成的应用系统。 5、器件 电路 应用系统,二、本课程的任务、研究内容,4,电子技术基础是一门技术基础课，应有工程的观点，采用工程近似的方法简化实际问题。 接近工程实际，认真对待模拟电子技术实验课程，巩固理论知识，掌握基本实验技能。,三、课程的特点与学习方法,5,第1章 半导体二极管及其基本电路,11 半导体物理基础知识 12 PN结 13 半导体二极管及其基本电路 14 特殊二极管 ,6,11 半导体物理基础知识,1.半导体材料： 主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。 它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。,按导电性能的不同，物质可分为：,7,图11 原子的简化模型,2.半导体的原子结构：,8,纯净的单晶半导体称为本征半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。 在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵(称为晶格)。四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。 共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引，是不能在晶体中自由移动的，所以是束缚电子，不能参与导电。,9,图12单晶硅和锗的共价键结构示意图,10,一、半导体中的载流子自由电子和空穴,在常温下，或者受到光照时，半导体中将同时激发出两种载流子自由电子（带单位负电荷）和空穴（带单位正电荷），它们总是成对地出现，通常称之为电子空穴对。 如图1-3,本征半导体受外界能量（热、电、光等能量）激发，同时产生电子、空穴对的过程称为本征激发。,二、本征载流子浓度,1复合：在本征半导体中，由于本征激发，不断产生电子、空穴对，使载流子密度增加。与此同时，又会有相反的过程发生。由于正负电荷相吸引，电子会填入空穴成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合。,11,图13本征激发产生电子和空穴,动画,12,2载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。理论分析表明，本征载流子的浓度为：,(11),式中ni,pi分别表示电子和空穴的浓度(cm3 )；T为热力学温度(K)；EG0为T=0K时的禁带宽度(硅为1.21eV,锗为0.78eV)；k为玻尔兹曼常数(8.63106 V/K)；A0是与半导体材料有关的常数(硅为3.871016cm-3K-3/2，锗为1.761016cm-3K-3/2)。,13,3.结论：,本征半导体的导电能力是很弱的； 本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大（由式1-1可知），所以其导电性能对温度的变化很敏感。,112杂质半导体 在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。,14,一、N型半导体 在本征硅(或锗)中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等，就得到N型半导体。这时，杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键，而多出一个价电子只能位于共价键之外，如图14所示。,这种杂质原子能“施舍”出一个电子，所以称为施主原子（杂质）。,在N型半导体中，电子浓度远大于空穴浓度。故称电子为多数载流子，简称多子；而空穴称为少数载流子，简称少子。因此N型半导体主要靠电子导电，所以也称为电子型半导体。,15,图14N型半导体原子结构示意图,16,二、P型半导体 在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如图1-5所示。,这种杂质能接受价电子，所以称为受主原子（杂质）,在P型半导体中，空穴浓度远大于电子浓度。故称空穴为多数载流子，简称多子；而电子称为少数载流子，简称少子。因此P型半导体主要靠空穴导电所以也称为空穴型半导体。,17,图15 P型半导体原子结构示意图,注意：N型半导体和P型半导体仍然是电中性的。,18,三、杂质半导体的载流子浓度 在杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。因此，在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要由掺杂浓度决定。 杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。即 对N型半导体，多子nn与少子pn有,19,对P型半导体，多子pp与少子np有,(12a),(12b),(13a),(13b),N型半导体，施主浓度,P型半导体，受主浓度,20,结论： 本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，而另一种载流子少。 多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的大小与温度有十分密切的关系。,21,113半导体中的电流 在半导体中有两种电流：漂移电流（漂移运动）和扩散电流（扩散运动）。 ,一、漂移电流（漂移运动） 定义：在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流。 形成：当外加电场时，电子逆电场方向作定向运动，形成电子电流In，而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流Ip。In和Ip的方向是一致的，均为空穴流动的方向。因此，半导体中的总电流为两者之和，即 I=In+Ip 漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。,22,二、扩散电流（扩散运动） 1定义：因某种原因使半导体中的载流子的浓度分布不均匀时，载流子从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动，形成的电流。 2扩散电流主要取决于载流子的浓度差（即浓度梯度）。浓度差越大，扩散电流越大，而与浓度值无关。 反映在浓度分布曲线上(见图16)，即扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率dn(x)/dx(dp(x)/dx)。,23,图16半导体中载流子的浓度分布,24,12 PN结,通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为PN结。 PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。因此，讨论PN结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性。,25,121 PN结的形成 P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，,P区空穴多，N区电子多,交界处存在空穴和电子的浓度差,P区空穴向N区扩散，并与N区电子复合；而N区电子向P区扩散，并与P区空穴复合,P区和N区分别留下不能移动的受主负离子和施主正离子,在界面两侧形成了等量正、负离子组成的空间电荷区（如图1-7）,形成一个方向由N区指向P区的内电场，该内电场阻止多子扩散、引起少子漂移,少子漂移使界面两侧的正负离子对相对减少,因此只有当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内电场的大小才能相对稳定下来,动画,26,图17 PN结的形成,27,开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，空间电荷区展宽，使内电场不断，漂移运动随之 ，而扩散运动相对。最后，使扩散和漂移运动达到动态平衡。平衡时，空间电荷区的宽度一定，UB也保持一定，如图17(b)所示。,由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。,28,对称PN结：如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结。见图17(b) 不对称PN结：如果一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如图1-8(a),(b)所示。,29,图18不对称PN结,30,122 PN结的单向导电特性 一、PN结加正向电压 forward bias ,内电场,外电场,外电场使多子向 PN 结移动, 中和部分离子使空间电荷区变窄。,扩散运动加强形成正向电流 IF 。,IF = I多子 I少子 I多子,31,二、PN结加反向电压 reverse bias,动画,外电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。,结论： PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,漂移运动加强形成反向电流 IR,IR = I少子 0,32,上次课内容复习：,1.什么是本征半导体、杂质半导体？ 2.杂质半导体有哪些类型？分别如何得到？ 3.杂质半导体的多子浓度和少子浓度分别由什么决定的？ 4.为什么杂质半导体是呈现电中性的？ 5.“当PN结正偏时，正向电压有微小变化时，也会引起正向电流较大的变化；PN结反偏时，反向电流几乎不随外加电压的增大而增大”的说法是否正确。 6.PN结电流与外加电压之间的关系。,33,三、PN结电流方程 理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为 (14) 式中， IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时， UT =26mV。,34,由式(14)可知： PN结正偏，且u大于UT几倍以上，则有，iIseu/UT，即i随u呈指数规律变化； PN结反偏，且|u|大于UT几倍以上，则iIS(负号表示与正向参考电流方向相反)。 由式(14)可画出PN结的伏安特性曲线，如图111所示。,35,123 PN结的击穿特性 由图111看出，当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。,36,图111 PN结的伏安特性,正向特性,反向击穿,37,一、雪崩击穿,条件：1. PN结反偏； 2. PN结轻掺杂；,过程：耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能，被加速的少子与中性原子的价电子相碰撞，产生新的空穴、电子对。新的空穴、电子对被电场加速后，又会撞出新的空穴、电子对，这些新的空穴、电子对又被电场加速，形成连锁反应，使耗尽区内的载流子数剧增，从而引起反向电流急剧增大。其现象类似于雪崩，所以称为雪崩击穿。,38,二、齐纳击穿,条件：1. PN结反偏； 2. PN结重掺杂；,过程：耗尽区很窄，不大的反向电压就可能在耗尽区内形成很强的电场（2106V/以上），它足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出来，产生大量的空穴电子对，使反向电流剧增，这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。,说明： 1对硅材料PN结：UBR7V为雪崩击穿；UBR5V为齐纳击穿；UBR介于57V时，两种击穿都有。 2只要限制击穿时流过PN结的电流，击穿并不损坏PN结。,39,124 PN结的电容特性 PN结具有电容效应，它由势垒电容和扩散电容两部分组成。,一、势垒电容,当外加电压 多子被推向耗尽区 正、负离子 相当于存贮的电荷量 当外加电压 多子被推离耗尽区 正、负离子 相当于存贮的电荷量,40,因此，耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，用CT表示。经推导，CT可表示为,(15),式中：CT0为外加电压u=0时的CT值，它由PN结的结构、掺杂浓度等决定；UB为内建电位差；n为变容指数，与PN结的制作工艺有关，一般在1/36之间。,41,二、扩散电容 正向偏置的PN结，由于多子扩散，P区的空穴和N区的电子大量向对方扩散，分别成为对方区域内的非平衡载流子（非平衡少子），它们在扩散过程中，不断与对方半导体中的多子相复合。因此，靠近结区处浓度最高，以后逐渐衰减，直至达到热平衡值，形成如图1-12所示的浓度分布曲线。扩散电流的大小就取决于分布曲线的斜率。,同理，在N区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化。 这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的特性，就是电容效应，称为扩散电容，用CD表示。,42,图112 P区少子浓度分布曲线,43,由式(15)、(16)可知，CT、CD都随外加电压的变化而变化，所以势垒电容和扩散电容都是非线性电容。 PN结上的总电容Cj为两者之和，即Cj= CT + CD 。 正偏时以CD为主， Cj CD ，其值通常为几十至几百pF； 反偏时以CT为主， Cj CT,其值通常为几至几十pF。 因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。,44,125 PN结的温度特性 PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移。具体变化规律是：保持正向电流不变时，温度每升高1，结电压减小约22.5mV，即 u/T-(22.5)mV/ (17) 温度每升高10，反向饱和电流IS增大一倍。如果温度为T1时， IS =IS1；温度为T2时， IS =IS2，则,(18),45,当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂浓度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作温度有一个限制，对硅材料约为(150200)，对锗材料约为(75100)。,正向特性,反向击穿,46,13 半导体二极管及其基本电路,如图1-13(a),(b)所示,接到P型区的引线称为正极(或阳极)，接到N型区的引线称为负极(或阴极)。,本节主要讨论普通二极管及其基本应用电路。另外，简要介绍稳压二极管及其稳压电路。,构成：,PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode),47,48,图113 晶体二极管结构示意图及电路符号 (a)结构示意图；(b)电路符号,49,131二极管特性曲线 普通二极管的典型伏安特性曲线如图114所示。实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N区体电阻以及表面漏电流等影响，其伏安特性与PN结的伏安特性略有差异。由图可以看出，实际二极管的伏安特性有如下特点。,50,正向特性,UD(on),导通 电压,iD = 0,U UD(on),iD 急剧上升,0 U UD(on),UD(on) = (0.6 0.8) V,硅管 0.7 V,(0.1 0.3) V,锗管 0.3 V,反向特性,IS,U (BR),反向击穿,U(BR) U 0,iD = IS, 0.1 A(硅),几十 A (锗),U U(BR),反向电流急剧增大,(反向击穿),51,一、正向特性 导通电压（死区电压）：用UD(on)表示。室温下，硅管的UD(on) =(0.60.8)V，锗管UD(on) =(0.10.3)V。 正向特性在小电流时，按指数变化规律，电流较大以后近似按直线上升。,二、反向特性 由于表面漏电流影响，二极管的反向电流要比理想PN结的IS大得多。且反向电压反向电流略有，但反向电流仍很小，硅管一般小于0.1A，锗管小于几十mA。,52,132 二极管的主要参数 一、直流电阻RD 定义：二极管两端所加直流电压UD与流过它的直流电流ID之比，即,几何意义：二极管伏安特性曲线上某一点Q(ID,UD)到原点直线斜率的倒数即为该点的RD。RD不是恒定值。如图1-15（a),53,图115二极管电阻的几何意义 (a)直流电阻RD； (b)交流电阻rD,54,二、交流电阻rD 定义：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即,(110),几何意义：二极管伏安特性曲线上Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。图115(b) 对式(14)求导可得rD，即,(111),55,可见rD与工作电流IDQ成反比，并与温度有关。室温条件下(T=300K):,(112),由于二极管的非线性伏安特性，所以交、直流电阻均是非线性电阻，即特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，同一点处交流和直流电阻也不相同。,56,三、最大整流电流IFM IFM指二极管允许通过的最大正向平均电流。 四、最大反向工作电压URM URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压。通常取UBR的一半作为URM 。 五、反向电流IR IR指二极管未击穿时的反向电流。 IR越小，单向导电性能越好。 六、最高工作频率fM fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。 ,57,133 半导体二极管的电路模型 ,二极管是一种非线性电阻(导)元件，在大信号工作时，其非线性主要表现为单向导电性，而导通后所呈现的非线性往往是次要的。,1.理想模型 在正向偏置时，其管压降 为 0V; 而在反向偏置时，认 为电阻无穷大。,58,2.恒压降模型 二极管导通后,其管压降认为是恒定的,且不随电流而变化,典型值是0.7V（或0.3V）。不过，这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才是正确的。,59,3.折线模型 二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加。损耗电阻rD(on)为斜线斜率的倒数。rD(on)一般为几十欧姆.,60,4. 小信号模型,61,例： 设简单二极管基本电路如图(a)所示， R=10k, 图(b)是它的习惯画法， rD(on)取0.2k。对于下列两种情况，求电路的 D和 UD的值： (1)UDD=10V; (2)UDD=1V。在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。,62,解：(1)UDD=10V a.使用理想模型得,b.使用恒压降模型得,c.使用折线模型得,63,(2)UDD=1V a.使用理想模型,b.使用恒压降模型,c.使用折线模型,64,1.3.4 二极管基本应用电路 利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限幅及开关电路等功能。 一、二极管整流电路 把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图1.3.9(a)所示。,ui0，V导通，uo=ui ui0，V截止，uo=0。 其输入、输出波形见图1.3.9(b)。,65,图1.3.9 二极管半波整流电路及波形 (a)电路； (b)输入、输出波形关系,66,二、二极管限幅电路 限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。限幅电路的传输特性如图1.3.10所示 . UIH：上门限电压 UIL：下门限电压 UIH uiUIL时，输出正比于输入； uiUIh时，uo=Uomax； uiUIL时，uo=Uomin,67,图1.3.10 限幅电路的传输特性,68,图1.3.12 二极管上限幅电路及波形 (a)电路； (b)输入、输出波形关系,69,三、二极管开关电路 从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称为开关电路。一种二极管与门电路如图1.3.14所示。,将图1.3.14电路中的V1,V2反接，将E改为负值，则变为二极管或门电路。,70,图1.3.14 二极管开关电路及波形 (a)电路； (b)输入、输出波形关系,71,1.4.1 稳压二极管及稳压电路 稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限幅电路之外，主要用于稳压电路。 一、稳压二极管的特性 电路符号及伏安特性曲线如图1.4.1所示。它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压几乎不变。,1.4 特殊二极管,72,稳压二极管反向击穿后特点： 电流在很大范围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压几乎不变； 能通过调整自身电流实现稳压。 注意：稳压二极管反向击穿后，电流急剧增大，使管耗相应增大。因此必须对击穿后的电流加以限制，以保证稳压二极管的安全。,73,二、稳压二极管的主要参数 1.稳定电压UZ UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。 2.耗散功耗PZ PZ是由管子结温限制所限定的参数。 PZ与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过此值。 3. 稳压电流IZ IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流大于IZ时，稳压效果好。但IZmax =PZ/UZ，工作电流不允许超过此值，否则会烧坏管子。另外，工作电流也有最小值IZmin的限制，小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。,74,4 动态电阻rZ rZ是稳压二极管在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。 几何意义：特性曲线上，工作点处切线斜率的倒数。rZ随工作电流增大而减小