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 2 109 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2 2 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 Vmsin t时 Vm VDD 将Q点附近小范围内的V I特性线性化 得到小信号模型 即以Q点为切点的一条直线 过Q点的切线可以等效成一个微变电阻 即 根据 得Q点处的微变电导 则 常温下 T 300K 4 小信号模型 4 小信号模型 2 二极管基本电路分析示例 1 整流电路利用二极管的单向导电性 将正 负交替变的交流电变换成单向脉动的直流电 这一过程称为整流 常见的整流电路有单相半波 全波 桥式和倍压整流电路 在整流电路中 输入交流电压的峰值一般比二极管的导通电压大得多 二极管常常可以看做是理想二极管 例2 4 2由二极管构成的单向半波整流电路如图2 4 9 a 所示 D为理想二极管 设输入为工频交流电 电源变压器副边电压有效值V2 20V 频率f 50Hz 试画出输出电压的波形 并计算输出电压的平均值 例2 4 2由二极管构成的单向半波整流电路如图2 4 9 a 所示 D为理想二极管 设输入为工频交流电 电源变压器副边电压有效值V2 20V 频率f 50Hz 试画出输出电压的波形 并计算输出电压的平均值 解 采用二极管的理想模型 在v2的正半周 二极管D导通 相当于短路 输出电压vO v2 在v2负半周 二极管D截止 相当于开路 输出电压vO 0 变压器副边电压和输出电压如图2 4 9 b 所示 该电路输出只剩下输入信号的半个周期 因此称为半波整流电路 半波整流电路简单 输出电压低 输出波动大 整流效率低 损失半周期的信号 适用于小电流低要求场合 设输入电压v2 sin t 则输出电压在周期内平均值 2 限幅电路 限幅电路的作用是利用二极管在正向电压超过阈值电压Vth时导通 使信号的幅值电压限制在一定范围内 例2 4 3图2 4 10所示为二极管限幅电路 R 1k VREF 2V 二极管为硅二极管 输入信号为vI 1 若vI为5V的直流信号 分别采用理想模型 恒压降模型和折线模型计算电流ID和输出电压VO 2 若vI 10sin t V 分别采用理想模型 恒压降模型和折线模型求输出电压的波形 例2 4 3图2 4 10所示为二极管限幅电路 R 1k VREF 2V 二极管为硅二极管 输入信号为vI 1 若vI为5V的直流信号 分别采用理想模型 恒压降模型和折线模型计算电流ID和输出电压VO 2 若vI 10sin t V 分别采用理想模型 恒压降模型和折线模型求输出电压的波形 解 1 二极管采用理想模型 假设先断开二极管D 判断二极管阳极电位和阴极电位的大小 如果二极管阳极电位高于阴极电位 则二极管导通 反之 则二极管截止 断开二极管后 二极管阳极电位为5V 阴极电位为2V 二极管导通 输出电流为采用恒压降模型 由于VI VREF VD 二极管导通 VD 0 7V 则输出电压为 Vo VREF VD 2 0 7 2 7 V 输出电流为采用折线模型 VI VREF Vth 二极管导通 Vth 0 5V 设导通电流为2mA VD 0 7V 输出电流为 则 输出电压为VO VREF 2 V 输出电压为Vo VREF Vth IDrD 2 0 5 0 00227 100 2 727 V 2 采用理想模型 当VIVREF时 二极管导通 相当于短路 VO VREF 采用恒压降模型 当VI VREF VD时 二极管反偏截止 相当于开路 回路无电流 VO VI 当VI VREF VD时 二极管导通 相当于短路 VO VREF VD 输出电压被限制在VREF VD 波形上部被削去 采用折线模型 当VIVREF Vth时 二极管导通 VO VREF Vth IDrD 输出电压被限制在VREF Vth IDrD附近 本例说明 理想模型易得近似结果 电源电压不很大时 有可见误差 恒压降模型结果较为接近 误差比明显降低 而折线模型则能提供更为合理更为准确的结果 正确选择器件的模型 是电子电路工作者需要掌握的基本技能 3 钳位电路其作用是使整个信号电压进行直流平移 图 a 为一种简单的二极管钳位电路 若输入电压vi Vmsin t 波形如图 b 将二极管视为为理想二极管 电容初始电压为零 试画出电容C两端电压vC波形和输出电压vO的波形 4 低压稳压电路利用二极管的正向曲线很陡的伏安特性设计的稳压电路 可以获得较好的稳压性能 设低电压稳压电路如图 a 所示 合理选取电路参数 对于硅二极管 可以获得输出电压vO VD 近似等于0 7V 若采用几只二极管串联 则可获得1V以上的输出电压 5 开关电路 例2 4 5二极管开关电路如图 a 所示 利用二极管理想模型 求 当viA viB viC分别为0V或5V时 viA viB viC的值不同组合情况下 输出电压vO的值 解 当输入电压viA viB viC 5V时 二极管均截止 输出电压vO 5V 当viA viB viC中有一个为0V 其余都为5V时 输入电压为0V的那个二极管导通 其他二极管截止 输出vO 0 7V 利用二极管的单向导电可接通或断开电路 做成开关电路 这在数字电路中得到广泛的应用 电路只有输入全为高电平5V时 输出才为高电平5V 只要其中一个输入端输入为低电平 0V 输出就为低电平 0 7V 这就是数字电路中与门电路 6 小信号工作情况分析 二极管处于正向偏置且vD VT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