第三章 二极管及其基本电路 备课笔记.doc

第三章：二极管及其基本电路4学时 基本要求：了解半导体的基本知识，理解半导体器件的核心环节PN结，掌握半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管等基本电路及其分析方法和应用。重点：半导体器件的核心环节PN结，半导体二极管的工作原理、二极管等基本电路及其分析方法和应用。难点：二极管等基本电路及其分析方法和应用。教学过程3.1 半导体的基本知识导体：电阻率小于104cm的物质称为导体 ，载流子为自由电子。绝缘体：电阻率大于109cm的物质称为绝缘体 ，基本无自由电子。半导体：电阻率介于导体、绝缘体之间的物质称为半导体，主要有硅、锗等（4价元素）材料。其电阻率在各种因素（掺杂、光照、电场、磁场）作用下变化巨大，电阻率且随温度增加而减小（负温度系数）。 3.1.1 半导体材料 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：1. 热敏性 所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。 例如纯净的锗从20 升高到30 时，它的电阻率几乎减小为原来的1/2。2. 光敏性 半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。 一种硫化镉薄膜， 在暗处其电阻为几十兆欧姆， 受光照后， 电阻可以下降到几十千欧姆， 只有原来的1%。 自动控制中用的光电二极管和光敏电阻， 就是利用光敏特性制成的。 而金属导体在阳光下或在暗处， 其电阻率一般没有什么变化。 3. 杂敏性 所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。所以，利用这一特性，可以制造出不同性能、不同用途的半导体器件，而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。半导体之所以具有上述特性， 根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。 3.1.2 半导体的共价键结构现代电子学中，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。在实际应用中，必须将半导体提炼成单晶体使它的原子排列由杂乱无章的状态变成有一定规律、整齐地排列的晶体结构，如图所示，称为单晶。硅和锗等半导体都是晶体，所以半导体管又称晶体管。通常把纯净的不含任何杂质的半导体称为本征半导体。 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用纯净的不含其它杂质的半导体称为本征半导体。（结构完整）T = 0K时，它同绝缘体，无自由电子。温度升高，热运动使本征半导体的价电子脱离共价键成为自由电子，且在共价键处留下“空穴”。电子带负电，空穴带正电，是两种载流子。产生电子空穴对的过程称为激发，电子空穴对成对消失的过程称为复合。本征半导体电子浓度ni和空穴浓度np相等，且随温度增高而增大。一定温度下ni和np达到动态平衡。空穴的导电作用n 空穴的导电作用实际上是束缚电子的移动形成的。n 空穴的运动是人们根据共价键中出现空位的移动虚拟出来的。n 分析时，用空穴运动来代替共价键中电子的运动比较方便。n 空穴和自由电子总是成对产生的，都叫做载流子。3.1.4 杂质半导体 由于半导体具有杂敏性，因此利用掺杂可以制造出不同导电能力、不同用途的半导体器件。根据掺入杂质的不同，又可分为N型（电子型）半导体和P型（空穴型）半导体。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。1、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。在加入的受主杂质产生空穴的同时，并不产生新的自由电子，但是原来本征晶体由于本征激发仍产生少量的电子-空穴对。P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。若用NA表示受主原子的浓度，n表示少子电子的浓度，p表示总空穴的浓度，则有下列关系:2、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。提问：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）。若用ND表示施主原子的浓度，p表示少子空穴的浓度，n表示总自由电子的浓度，则有下列关系:3.1.4 杂质半导体1.半导体掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。受主杂质产生一个空穴，施主杂质产生一个自由电子，尽管含量很小，但对导电能力有很大的影响。2.无论是P型还是N型半导体，由于电子和空穴的复合，在一定温度下，空穴浓度p和自由电子浓度n的乘积为以常数，即:pi和ni为本征半导体中的空穴和自由电子浓度。对本征半导体pi=ni , 于是有:3.2.1 载流子的漂移和扩散1 载流子的漂移由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移。电子的漂移速度:空穴的漂移速度:在数字电路或高频模拟电路中，电子导电器件优于空穴导电器件。2 扩散在半导体中，某一区域内，若空穴或电子浓度高于正常值，基于载流子的浓度差异和随机热运动速度，载流子由高浓度区域向低浓度区域的扩散，从而形成扩散电流。3.2.2 PN结的形成（难点）（a） 多子的扩散运动由于P区的多子是空穴， N区的多子是自由电子，因此在P区和N区的交界处自由电子和空穴都要从高浓度处向低浓度处扩散。这种载流子在浓度差作用下的定向运动，叫做扩散运动。 多子扩散到对方区域后，使对方区域的多子因复合而耗尽，所以P区和N区的交界处就仅剩下了不能移动的带电施主和受主离子，N区形成正离子区，P区形成负离子区。在这个区域内，多子已扩散到对方因复合而消耗殆尽，所以又称耗尽层。耗尽层的电阻率非常高。 内电场阻碍多子扩散、帮助少子漂移运动，形成平衡PN结由于内电场的方向是从N区指向P区，因此这个内电场的方向对多子产生的电场力正好与其扩散方向相反，对多子的扩散起了一个阻碍的作用，使多子扩散运动逐渐减弱。（b） PN结中的内电场与少子漂移 内电场对少子的运动起到了加速的作用。这种少数载流子在电场力作用下的定向移动，称为漂移运动3.2.3 PN结的单向导电性 未加外部电压时，PN结内无宏观电流，只有外加电压时，PN结才显示出单向导电性。 1 外加正偏电压 动画展示 将PN结的P区接较高电位（比如电源的正极），N区接较低电位（比如电源的负极），称为给PN结加正向偏置电压，简称正偏。 PN结正偏时，外加电场使PN结的平衡状态被打破，由于外电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，扩散增强，漂移几乎减弱为0，因此，PN结中形成了以扩散电流为主的正向电流IF。因为多子数量较多，所以IF较大。为了防止较大的IF将PN结烧坏，应串接限流电阻R。扩散电流随外加电压的增加而增加.当外加电压增加到一定值后，扩散电流随正偏电压的增大而呈指数上升。由于PN结对正向偏置呈现较小的电阻（理想状态下可以看成是短路情况），因此称之为PN结导通状态。 2 外加反向电压 动画展示将PN结的P区接较低电位（比如电源的负极）， N区接较高电位（比如电源的正极），称为给PN结加反向偏置电压， 简称反偏。PN结反偏时，外加电场方向与内电场方向相同，内电场增强，使多子扩散减弱到几乎为零。而漂移运动在内电场的作用下，有所增强，在PN结电路中形成了少子漂移电流。漂移电流和正向电流的方向相反， 称为反向电流IR。 PN结反偏时，呈现一个阻值很大的电阻，此时可以基本上认为它基本上是不导电的，称为PN结截止。小结:n PN结加正向电压时，电阻值很小，PN结导通；n PN结加反向电压时，电阻值很大，PN结截止；n PN结的单向导电性在于它的耗尽区的存在，且其宽度随外加电压而变化。3 PN结V-I 特性表达式iD为通过PN结的电流；vD为PN结两端的外加电压；n为发射系数，它和PN结的尺寸、材料及通过的电流有关，其值在12之间；VT为温度电压当量，VT=kT/q，k为波尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷。(1)vD比VT大几倍时，iD与vD成指数关系。(1) vD0, vD的绝对值比nVT大几倍时，iD=-IS3.2.4 PN结的反向击穿 1) 雪崩击穿：碰撞电离倍增效应雪崩击穿电击穿 2）齐纳击穿：强电场破坏共价键产生电子-空穴对产生较大的电流可逆的热击穿：超过最大耗散功率烧毁不可逆的3.2.5 PN结的电容效应二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。扩散电容：正向偏置时，形成正向电流（扩散电流），P区多子扩散到N区，P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。势垒电容：反向偏置时，势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。3.3 二极管3.3.1 二极管的结构半导体二极管的结构、外形与电路符号:(a)点接触型; (b)面接触型; (c) 平面型; (d) 电路符号; (e) 常见二极管的外形3.3.2 二极管的V-I特性导通压降: 硅管 0.7V、锗管 0.2V。死区电压Vth：硅管0.5V、锗管0.1V反向漏电流：(很小，mA级)反向击穿电压VBR：反向击穿，电流迅速增大，电压几乎不变3.3.3 二极管的主要参数1. 最大整流电流 IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2. 反向击穿电压VBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VRWM一般是VBR的一半。3. 反向峰值电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。 4.二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。5.反向恢复时间TRR二极管从正向导通到反向截止所用的时间。3.4 二极管的基本电路及其分析方法一、 二极管V- I 特性的建模 曲线方程iD=(VDD-vD)/R 回路方程方程的解即为图中的交点，交点的横坐标和纵坐标就是此时二极管的参数。1. 理想模型在正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析是可行的。 例、用理想模型求解：2. 恒压降（串联电压源）模型 当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，硅的典型值为0.7V。不过，这只有当二极管的电流近似等于或大于1 mA时才是正确的。该模型提供了合理的近似，因此应用也较广。导通压降：硅0.7V，锗0.2V例、用恒压降模型求解：3.折线模型直线斜率：1/ rDrD=V / II=(VVth)/( RrD)，考虑导通电压和斜率变化。 折线模型认为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，所以在模型中用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似。其中电池的电压为二极管的门坎电压Vth或者说导通电压VD(on)。rD的值，可以这样来确定，如当二极管的导通电流为1mA时，管压降为0.7V则： rD=(0.7 V-0.5 V)/1mA=200由于二极管特性的分散性，Vth和rD的值不是固定不变的。 用折线模型求解：4. 小信号模型无信号(直流分析) 静态有小信号-vm vs vm 动态思考：动态时，斜率是变化的，即1/rd是变化的，求出了rd的表达式，也就表达出了动态特性。下面求rd的表达式：如果二极管在它的V-I特性的某一小范围内工作，例如在静态工作点Q(即V-I特性上的一个点，此时vD=VD, iD=ID)附近工作，则可把i-v特性看成为一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rd。也就是说，要分析动态时的rd，先要求出静态电流ID应用举例：在图示的二极管电路中，VDD=5V,R=5k,恒压降模型的VD=0.7V,vs=0.1sint(V)。 (1)求输出电压的交流量vo和总量vO ；(2)绘出vo的波形。1.先分析静态工作状态下(无输入信号)的输出电压VO2.求微变电阻rD3. 求小信号下电路的交流电压vo4.最后将静态和动态的叠加(2)绘出vo的波形。模型分析应用举例一、整流电路二、静态工作情况分析理想模型例3.4.3 设简单硅二极管基本电路如图所示，R=10k,图b是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值: (1)VDD=10V; (2)VDD=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。设折线模型中rD=0.2k（1）用理想模型分析当VDD=10VID=VDD/R=1mAvD=0V当VDD=1VID=VDD/R=0.1mAvD=0V恒压降模型（2）用恒压降模型分析当VDD=1VID=(VDD-VD)/R=0.1mAvD=0.7V当VDD=10VID=(VDD-VD)/R=0.93mAvD=0.7V折线模型（3）用折线模型分析当VDD=1VID=(VDD-0.5)/(R+rD)=0.49mAvD=0.5V+IDrD=0.51V当VDD=10VID=(VDD-0.5)/(R+rD)=0.931mAvD=0.5V+IDrD=0.69V我们比较一下刚才的结果当VDD=10V时当VDD=1V时VD(V)ID(mA)VD (V)ID(mA)理想模型0100.1恒压降模型0.70.930.70.03折线模型0.690.9310.510.049可以看出:(1)当电源电压远远大于二极管压降时，用恒压降模型与用折线模型得出的结果几乎相同，因此用恒压降模型就可以了。(2)当电源电压较低时，用更符合实际的折线模型得出的结果与其它模型得到的相差很大，这时应用折线模型更精确。三、限幅电路例3.4.4 一限幅电路如图所示，R=1k,VREF=3V,二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压模型求解:(1)当vI=0V,4V,6V时，求相应的电压输出vo的值。(2)当vI=6sint时，绘出输出电压的波形。(2)当vI=6sint时，绘出输出电压的波形。掌握判断二极管导通还是断开的方法举例 例. 如图 (a)(b)所示的电路中，设二极管导通时的正向电压降VD=0.7V。计算通过二极管的电流ID。方法：假设二极管断开，分析二极管两侧的压降四、开关电路例3.4.5 二极管开关电路如图所示，利用二极管理想模型求解：当vi1和vi2分别为0V和5V时，求vi1和vi2 的值不同的组合下，输出电压vo的值。五、低电压稳压电路在需要不高的稳定电压输出时，可以利用几个二极管的正向压降串联来实现。原理是:vD 随iD的波动很小。3.5 特殊二极管3.5.1 齐纳二极管(Zener Diodes)齐纳二极管(Zener Diodes)简称稳压管(Voltage Regulators) ，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管，可以稳定地工作于PN结的反向击穿区而不损坏。稳压二极管的外形、内部结构、伏安特性曲线均与普通二极管相似。 稳压二极管的参数:(1) 稳定电压VZ在特定的测试电流IZT下，所对应的反向工作电压值。(2) 动态电阻rZ rZ =DVZ /DIZ， rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 (3) 最大耗散功率 PZM 最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。(4) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin 最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。稳压管的等效模型分析1.稳压二极管工作在反向击穿区2.在通过小信号时，稳压二极管有一定的稳压误差。考虑以上两点:必须考虑动态电阻带来的误差。Vz较大时，rz较小时，可忽略rz的影响，即Vz为定值。3.5.2 变容二极管(Varactor Diode )变容二极管(Varactor Diode )又称可变电抗二极管 (Variable Capacitance Diode)。是一种利用PN结电容（势垒电容)与其反向偏置电压的依赖关系及原理制成的二极管。 原理: 二极管的PN结具有结电容，当加反向电压时，阻挡层加厚，结电容减小，所以改变反向电压的大小可以改变PN结的结电容大小，这样二极管就可以作为可变电容器用。 变容二极管是一种电抗可变的非线性电路元件。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。 3.5.3 肖特基(势垒)二极管(Schottky Barrier Diode )肖特基势垒二极管SBD（Schottky Barrier Diode，简称肖特基二极管）是近年来间世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒）。正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千安培。这些优良特性是快