极管及其基本电路初.ppt

第2章半导体二极管及其基本电路,2.1半导体基本知识2.2PN结2.3半导体二极管2.4二极管基本电路的分析方法2.5稳压二极管2.6其它类型二极管2.7二极管的选择与简易检测2.8*二极管特性的Multisim10仿真,本章学习目的和要求1.了解半导体的导电特性；2.熟悉PN结的形成及其单向导电性；3.掌握半导体二极管的伏安特性及主要参数；4.学会在实际中判断、测试和选择二极管；5.熟悉半导体二极管的基本应用，能用理想二极管模型分析二极管电路；6.熟悉常用的一些特殊二极管的特性及应用。,2.1半导体基本知识,2.1.1本征半导体2.1.2杂质半导体,物体按其导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，其电阻率在(10-2109)cm范围内。典型半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电特性：热敏特性半导体的温度升高时，其导电能力显著增强。光敏特性半导体受到光照射时，其导电能力显著增强。掺杂特性纯净的半导体中掺入微量杂质，半导体的导电能力将大大增强,图2.1.1硅和锗的原子结构模型,2.1.1本征半导体,纯净而且结构完整的单晶半导体称为本征半导体。,1.本征半导体中的共价键结构,图2.1.2硅晶体的空间排列,图2.1.3硅共价键结构平面示意图,运载电荷的粒子称为载流子。半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。,2.本征半导体中的两种载流子,空穴共价键中的空位。,电子-空穴对由于热激发而产生的自由电子和空穴对。,半导体在外部能量激励下(主要是热激发)，产生电子空穴对的现象称为本征激发。,图2.1.4本征半导体中的电子-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充填空穴来实现的。,在外电场力作用下，带负电的自由电子和带正电的空穴，由于所带电荷极性不同，它们的运动方向相反，因此本征半导体中的电流是电子电流和空穴电流之和。,自由电子在运动过程中与空穴相遇时就会填补空穴，这种现象称为复合。,图2.1.5载流子在电场力作用下的运动,2.1.2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。,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。,掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,1.N型半导体（电子型半导体）,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。,N型半导体中自由电子是多数载流子，主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。,五价杂质原子可以提供自由电子，称为施主原子。因带正电荷而成为正离子。,图2.1.6N型半导体,2.P型半导体（空穴型半导体）,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。,由于三价原子中的空位吸引电子，起着接受电子的作用，使杂质原子成为负离子，故称三价杂质原子为受主原子。,图2.1.7P型半导体,3.杂质对半导体导电性的影响,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106倍/cm3。,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,施主原子、受主原子,2.2PN结,2.2.1PN结的形成2.2.2PN结的单向导电性2.2.3PN结的伏安特性2.2.4PN结的反向击穿2.2.5PN结的电容效应,采用掺杂工艺，通过扩散作用，将一块N型(P型)半导体(通常是硅或锗)的局部掺入浓度较大的三价(五价)元素，使其局部成为P型(N型)半导体。P型半导体和N型半导体的交界面将形成一个空间电荷区，称为PN结。PN结具有单向导电特性和电容效应。,2.2.1PN结的形成,漂移运动在电场作用引起的载流子的运动。载流子作漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,扩散运动由载流子浓度差引起的载流子的运动。载流子作扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,图2.2.1PN结的形成,因浓度差,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,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,2.2.2PN结的单向导电性,当外加电使压PN结中P区电位高于N区电位，称为加正向电压（PN结正向偏置）；反之称为加反向电压（PN结反向偏置）。,1.外加正向电压，PN结导通,低电阻大的正向扩散电流,高电阻有很小的反向漂移电流,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流，用Is表示。,2.外加反向电压，PN结截止,PN结加正向电压时，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。,2.2.3PN结的伏安特性,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）,2.2.4PN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,1.势垒电容CB,2.2.5PN结的电容效应,电荷的空间积累和消散就是电容效应。PN结的电容效应直接影响半导体器件的高频特性和开关特性。,2.扩散电容CD,图2.2.5PN结的扩散电容,PN结的结电容是扩散电容CD和势垒电容CB的综合反映。,2.3半导体二极管,2.3.1二极管的常见结构2.3.2二极管的伏安特性2.3.3二极管的主要参数,将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。由P区引出的电极称为正极或阳极，用字母A表示；由N区引出的电极称为负极或阴极，用字母K表示。,2.3.1二极管的常见结构,适用于低频整流电路,集成电路,图2.3.2半导体二极管的结构,适用于高频电路和数字电路,图2.3.5二极管正向特性测试电路,图2.3.6二极管反向特性测试电路,2.3.2二极管的伏安特性,二极管伏安特性的测试电路：,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：,图2.3.3硅二极管2CP10的伏安特性,图2.3.4锗二极管2AP15的伏安特性,2.3.2二极管的伏安特性,图2.3.4锗二极管2AP15的伏安特性,1.正向特性（右图第段）门坎电压（开启电压或死区电压）：硅二极管Vth=0.5V;锗二极管Vth=0.1V正向导通电压：硅二极管VD=0.7V；锗二极管VD=0.2V2.反向特性（右图第段）反向饱和电流IS3.反向击穿特性（右图第段）反向电压增加到一定值VBR时，反向电流剧增，二极管反向击穿。,在室温附近，温度每升高1，正向压降VD减小22.5mV；温度每升高10，反向电流约增大一倍。,2.3.3二极管的主要参数,1直流参数最大整流电流IF最高反向工作电压VRM反向电流IR直流电阻RD正向电压降VF,2交流参数(1)交流电阻rdrd是指在Q点附近电压变化量VD与电流变化量ID之比，即(2)极间电容CdCd=CD+CB(3)最高工作频率fM,2.3.3二极管的主要参数,2.4二极管基本电路的分析方法,2.4.1二极管电路的图解分析法2.4.2二极管电路的简化模型分析法,二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂。常用的是较为简单的图解分析法和简化模型分析法。每一种分析法都有其优缺点，都有其相应的适用条件和适用范围。,2.4.1二极管电路的图解分析法,图解分析法比较简单，但是必须已知二极管的V-I特性曲线。,例2.4.1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。,解：由电路的KVL方程，可得,即,是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线,交点Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点,1.二极管的简化模型,将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。,（1）理想模型,2.4.2二极管电路的简化模型分析法,（2）恒压降模型,（3）折线模型,（4）小信号模型,vs=0时,Q点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。,vs=Vmsint时（VmVT时，可以利用小信号模型分析二极管电路。但要特别注意微变电阻rd与静态工作点Q有关。一般首先分析电路的静态工作情况，求得静态工作点Q；其次，根据Q点算出微变电阻rd；然后，根据小信号模型交流电路模型，求出小信号作用下电路的交流电压、电流；最后与静态值叠加，得到完整的结果。,例2.4.6在图2.4.15(a)所示的二极管电路中，VDD=5V，R=5k,恒压降模型的VD=0.7V，交流信号vS=0.1sint(V)。试求：1)输出电压vO的交流量和总量；2)绘出vO的波形。,例2.4.6在图2.4.15(a)所示的二极管电路中，VDD=5V，R=5k,恒压降模型的VD=0.7V，交流信号vS=0.1sint(V)。试求：1)输出电压vO的交流量和总量；2)绘出vO的波形。,解：1)根据叠加原理，将两个电压源VDD和vS的作用分别单独考虑，得到相应的电路模型如图2.4.15(b)和(c)。图2.4.15(b)中只有直流分量，称为直流通路，它反映了电路的直流工作情况即静态情况。,(c)称为交流通路，电路中只有交流分量，只反映电路的交流(动态)工