2.二极管及其基本电路.ppt

1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4双极结型三极管及放大电路基础5场效应管放大电路6模拟集成电路7反馈放大电路8功率放大电路9信号处理与信号产生电路10直流稳压电源 第3章二极管及其基本电路 3 1半导体的基本知识 3 2PN结的形成及特性 3 3二极管 3 4二极管的基本电路及其分析方法 3 5特殊二极管 一导体 半导体和绝缘体 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 3 1半导体的基本知识 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 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 往纯净的半导体中掺入某些杂质 会使它的导电能力明显改变 二 本征半导体 1 本征半导体的结构特点 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 1 硅 Si 锗 Ge 原子的结构 在硅和锗晶体中 原子按四角形系统组成晶体点阵 每个原子都处在正四面体的中心 而四个其它原子位于四面体的顶点 每个原子与其相邻的原子之间形成共价键 共用一对价电子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 导电能力很弱 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 它的导电能力为0 相当于绝缘体 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 使原子规则排列 形成晶体 二 本征半导体 1 本征半导体的结构特点 2 硅 锗原子的共价键结构 共价键共用电子对 自由电子 空穴 一种带正电荷的粒子 电子和空穴统称为载流子 二 本征半导体 2 本征半导体的导电机理 1 载流子 自由电子和空穴 在常温下 由于热激发 使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为自由电子 电子和空穴在外电场的作用下都将作定向运动 这种作定向运动电子和空穴 载流子 参与导电 形成本征半导体中的电流 2 导电情况 二 本征半导体 2 本征半导体的导电机理 空穴运动的实质是共有电子依次填补空位的运动 电子和空穴总是成对出现的 本征激发 电子和空穴也可以复合而消失 本征半导体在外电场的作用下 形成两种电流 空穴电流和电子电流 外电路的总电流等于两种电流的代数和 电子 空穴对的数目对温度 光照十分敏感 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 3 结论 温度越高 载流子的浓度越高 本征半导体的导电能力越强 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素 这是半导体的一大特点 二 本征半导体 2 本征半导体的导电机理 三 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 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 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 1 N型半导体 多余电子 施主原子 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素的原子 磷或锑 施主原子 取代晶体点阵中的某些半导体原子 每个施主原子提供一个自由电子 三 杂质半导体 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 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 N型半导体中的载流子包括 N型半导体的模型 三 杂质半导体 1 N型半导体 1 在本征半导体中掺入三价元素的原子 受主杂质 而形成的半导体 2 每一个三价元素的原子提供一个空穴作为载流子 空穴 硼原子 3 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 2 P型半导体 4 P型半导体的模型 三 杂质半导体 1 杂质半导体就整体来说还是呈电中性的 2 杂质半导体中的少数载流子虽然浓度不高 但对温度 光照十分敏感 3 杂质半导体中的少数载流子浓度比相同温度下的本征半导体中载流子浓度小得多 3 说明 三 杂质半导体 1 漂移电流载流子在电场作用下有规则的运动 漂移运动形成的电流 漂移电流2 扩散电流载流子由于浓度的不均匀而从浓度大的地方向浓度小的地方扩散所形成的电流 3 2PN结的形成及特性漂移电流与扩散电流 一 PN结的形成 3 2PN结的形成及特性 1 PN结的形成 在同一半导体基片上 形成P和N型半导体 载流子浓度差 2 说明 1 空间电荷区 耗尽层 势垒区 高阻区 内几乎没有载流子 其厚度约为0 5 2 内电场的大小 对硅半导体 VD 0 6 0 8V 对锗半导体 VD 0 2 0 4V 3 当两边的掺杂浓度相等时 PN结是对称的 当两边的掺杂浓度不等时 PN结不对称 4 从宏观上看 自由状态下 PN结中无电流 一 PN结的形成 1 PN结正向偏置 二 PN结的单向导电性 多子的扩散加强 能够形成较大的扩散电流 P区加正 N区加负电压 2 PN结反向偏置 二 PN结的单向导电性 P区加负 N区加电压正 多子的扩散受抑制 少子的漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的反向电流 3 小结 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 二 PN结的单向导电性 4 PN结伏安特性 二 PN结的单向导电性 其中 PN结的伏安特性 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 且在常温下 T 300K 4 PN结伏安特性 二 PN结的单向导电性 如果加到PN结两端的反向电压增加到一定数值时 反向电流突然增加 这个现象就称为PN结的反向击穿 电击穿 1 雪崩击穿随着反向电压的增大 阻挡层内部的电场增强 阻挡层中载流子的漂移速度相应加快 致使动能加大 当反向电压增大到一定数值时 载流子获得的动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来 产生自由电子 空穴对 新产生的载流子在强电场作用下 再去碰撞其它中性原子 又产生新的自由电子 空穴对 如此连锁反应使得阻挡层中载流子的数量急剧增多 因而流过PN结的反向电流也就急剧增大 因增长速度极快 象雪崩一样 所以将这种碰撞电离称为雪崩击穿 AvalancheMultiplication 三 PN结的反向击穿 2 齐纳击穿 三 PN结的反向击穿 当PN结两边的掺杂浓度很高时 阻挡层将变得很薄 在这种阻挡层内 载流子与中性原子相碰撞的机会极小 因而不容易发生碰撞电离 但是 在这种阻挡层内 加上不大的反向电压 就能建立很强的电场 例如加上1V反向电压时 阻挡层内的场强可达2 5X105V cm 足以把阻挡层内中性原子的价电子直接从共价键中拉出来 产生自由电子 空穴对 这个过程称为场致激发 场致激发能够产生大量的载流子 使PN结的反向电流剧增 呈现反向击穿现象 这种击穿称为齐纳击穿 ZenerBreakdown 一般而言 击穿电压在6V以下的属于齐纳击穿 6V以上的主要是雪崩击穿 热击穿 如果反向电流和反向电压的乘积超过了PN结容许的耗散功率 则PN结会因为热量散不出去而造成温度上升 直到过热而烧毁 这种现象就是热击穿 三 PN结的反向击穿 热击穿 不可逆 1 扩散电容CD 扩散电容示意图 四 PN结的电容效应 2 势垒电容CB 四 PN结的电容效应 3 3二极管 1 基本结构 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 1 二极管的电路符号 按用途分 整流二极管 检波二极管 稳压二极管 按材料分 硅二极管 锗二极管 2 分类 按结构分 点接触型 面结合型 平面型 1 基本结构 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 1 二极管的电路符号 按用途分 整流二极管 检波二极管 稳压二极管 按材料分 硅二极管 锗二极管 2 分类 按结构分 点接触型 面结合型 平面型 面接触型 PN结面积大 用于工频大电流整流 3 3二极管 1 基本结构 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 1 二极管的电路符号 按用途分 整流二极管 检波二极管 稳压二极管 按材料分 硅二极管 锗二极管 2 分类 按结构分 点接触型 面结合型 平面型 平面型 用于集成电路制造艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 3 3二极管 3 半导体二极管图片 1 基本结构 3 3二极管 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 锗二极管2AP15的V I特性 硅二极管2CP10的V I特性 3 3二极管 2 二极管的V I特性 2 二极管的V I特性 1 正向特性此时加于二极管的正向电压不大 流过管子的电流相对来说却很大 因此管子呈现的正向电阻很小 门坎电压Vth 在正向电压的起始部分 由于正向电压较小 外电场还不足以克服PN结的内电场 因而这时的正向电压几乎为零 二极管呈现出一个大电阻 好像有一个门坎 硅管的Vth约为0 5V 锗管的Vth约为0 1V当正向电压大于Vth时 内电场大为削弱 电流因而迅速增长 二极管正向导通 硅管的正向导通压降约为0 7V 锗管约为0 2V 3 3二极管 正向偏置电压需要达到一定的数值电流才开始显著上升 这个电压称为门限电压或接通电压 硅管的Vth约为0 5V 锗管的Vth约为0 1V 2 二极管的V I特性 2 反向特性P型半导体中的少数载流子 电子 和N型半导体的少数载流子 空穴 在反向电压的作用下很容易通过PN结 形成反向饱和电流 但由于少数载流子的数目很少 所以反向电流是很小的 一般硅管的反向电流比锗管的小得多 温度升高时 半导体受热激发 少数载流子数目增加 反向电流将随之明显增加 3 3二极管 反向电压大到一定值以后反向电流几乎不随电压的增加而增加 这时的电流 反向饱和电流 IS 它主要与环境温度有关 T IS 2 二极管的V I特性 3 反向击穿特性当增加反向电压时 因在一定温度条件下 少数载流子的数目有限 故起始一段反向电流没有多大的变化 当反向电压增加到一定大小 VBR 时 反向电流剧增 这叫做二极管的反向击穿 实际上就是PN结的反向击穿 3 3二极管 反向电压继续增加到一定值以后 反向电流开始剧烈增加 这时二管被击穿 雪崩击穿 通常发生在耗尽层的宽度较大的情况下 出现碰撞电离 产生电子的倍增效应 齐纳击穿 通常发生在耗尽层的宽度很小的情况下 出现场致激发 热击穿 4 温度对二极管特性的影响T 正向特性曲线左移 反向特性曲线下移 2 二极管的V I特性 3 3二极管 2 二极管的V I特性 死区电压硅管0 5V 锗管0 1V 导通压降 硅管约为0 7V 锗管约为0 2V 反向击穿电压UBR 3 3二极管 其中 IS 反向饱和电流 UT 温度的电压当量 且在常温下 T 300K 3 伏安公式 当二极管反偏时 U 26mv时I IS 反向饱和电流 当二极管零偏时 U 0I 0当二极管正偏时 U 26mv时 3 3二极管 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UBR 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UBRM一般是UBR的一半 4 主要参数 3 反向电流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 3 3二极管 4 交流电阻rD uD rD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比 显然 rD是对Q处切线斜率的倒数 即 根据 得Q点处的交流电导 则 常温下 T 300K 3 3二极管 4 主要参数 5 直流电阻RD 注意 工作点不同 直流电阻不同 3 3二极管 4 主要参数 6 二极管的极间电容 势垒电容CB 当电压变化时 引起积累在势垒区的空间电荷的变化 势垒电容 势垒电容CB大小与PN结的面积S成正比 与空间电荷区的宽度 成反比 与半导体材料的介电系数 有关 与外加电压的大小有关 大小 0 5 100PF 4 主要参数 3 3二极管 扩散电容CD 为了形成正向电流 扩散电流 注入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 6 二极管的极间电容 大小与正向电流I成正比 大约为几 PF 0 01 F 4 主要参数 3 3二极管 势垒电容CB在正向和反向偏置时均不能忽略 扩散电容CD在反向偏置时 由于载流子数目很少 因此反向偏置时扩散电容很小 一般可以忽略当PN结处于正向偏置时 结电容较大 主要决定于CD 当当PN结处于反向偏置时 此时结电容较小 主要决定于CB PN结的总电容 CJ CB CD 6 二极管的极间电容 4 主要参数 3 3二极管 7 反向恢复时间TRR 4 主要参数 3 3二极管 由于PN结电容的存在 当二极管外加电压极性翻转时 其原工作状态不能在瞬间完全随之变化 3 4二极管基本电路及其分析方法 3 4 1简单二极管电路的图解分析方法 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 3 4 1简单二极管电路的图解分析方法 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 而图解分析法则较简单 但前提条件是已知二极管的V I特性曲线 例3 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 Q的坐标值 VD ID 即为所求 Q点称为电路的工作点 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1 二极管V I特性的建模 将指数模型分段线性化 得到二极管特性的等效模型 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 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1 二极管V I特性的建模 当二极管导通后 其管压降认为是恒定的 且不随电流而变 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1mA时才是正确的 该模型提供了合理的近似 因此应用也较广 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 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 7V 0 5V 1mA 200 Vth和rD的值不是固定不变的 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1 二极管V I特性的建模 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 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1 二极管V I特性的建模 4 小信号模型 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 a V I特性 b 电路模型 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1 二极管V I特性的建模 4 小信号模型 a V I特性 b 电路模型 小信号电路模型受到 V足够小的限制 工程上 限定 V 5 2mV 由此产生的误差是可容许的 PN结高频小信号时的等效电路 势垒电容和扩散电容的综合效应 在频率较低时 Cj可以忽略 但是在高频信号工作时Cj在正向和反向偏置时均不能忽略 rs 3 3二极管 4 二极管V I特性的建模 4 小信号模型 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 2 模型分析法应用举例 1 整流电路 a 电路图 b vs和vo的波形 2 模型分析法应用举例 2 静态工作情况分析 理想模型 恒压模型 硅二极管典型值 折线模型 硅二极管典型值 设 a 简单二极管电路 b 习惯画法 2 模型分析法应用举例 2 静态工作情况分析 理想模型 恒压模型 折线模型 a 简单二极管电路 b 习惯画法 2 模型分析法应用举例 3 限幅电路 电路如图 R 1k VREF 3V 二极管为硅二极管 分别用理想模型和恒压降模型求解 当vI 6sin tV时 绘出相应的输出电压vO的波形 2 模型分析法应用举例 4 开关电路 电路如图所示 求AO的电压值 设二极管是理想的 解 先断开D 以O为基准电位 即O点为0V 则接D阳极的电位为 6V 接阴极的电位为 12V 阳极电位高于阴极电位 D接入时正向导通 导通后 D的压降等于零 即A点的电位就是D阳极的电位 所以 AO的电压值为 6V 2 模型分析法应用举例 6 小信号工作情况分析 图示电路中 VDD 5V R 5k 恒压降模型的VD 0 7V vs 0 1sinwtV 1 求输出电压vO的交流量和总量 2 绘出vO的波形 直流通路 交流通路 静态 动态等概念 在放大电路的分析中非常重要 例1 判断图中二极管是否导通 并求AB两端的电压 设二极管的导通电压为0 7v 判断二极管在电路中的工作状态 常用的方法是 首先假设二极管断开 然后求得正极和负极的电位及两端的电压 如果该电压大于导通电压 则该二极管处于正偏而导通 两端的实际电压为二极管的导通电压 如果该电压小于二极管的导通电压 则说明该二极管处于反偏而截止 导通 VAB 0 7v 5v 5 7v 课后例题 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 例2 判断图中二极管是否导通 并求AB两端的电压 设二极管的导通电压为0 7v 截止 VAB 5v D1导通 D2截止 VAB 0 7v D2优先导通 D1截止 VAB 9 3v 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 例3 设图中的二极管D为理想二极管 试通过计算 判断它是否导通 假设D断开 由左边的回路可知 B点对A点的电压为 4v由右边的回路可知 C点对地的电压为 10vA点对地的电压为 4v B点对地的电压为 4v 4v 8vB点对C的电压为 8v 10v 2v 故D为导通状态 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 3 5特殊二极管 3 5 1齐纳二极管 稳压二极管 1 符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压 稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态 特点 反向击穿区非常陡峭 正常工作时处于反向击穿状态 工作点设在陡峭曲线的中间部分 1 稳定电压VZ 2 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下 所对应的反向工作电压 rZ VZ IZ 3 最大耗散功率PZM 4 最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin 5 稳定电压温度系数 VZ 2 稳压二极管主要参数 3 5 1齐纳二极管 稳压值受温度变化影响的的系数 3 稳压电路 正常稳压时VO VZ 3 5 1齐纳二极管 例3 5 1稳压电路如图所示 设R 180 VI 10V RL 1k 稳压管的VZ 6 8V IZT 10mA rZ 20 IZ min 5mA 试分析当VI出现的的变化时 VO的变化是多少 解 由VZ 6 8V IZT 10mA rz 20 VZ VZ0 IZTrz VZ0 VZ IZTrz 6 8 0 01 20 6 6V当稳压管处于正常稳压状态 反向击穿 时 则将图3 5 2中稳压管用模型代替 得到如图3 5 3的电路模型 由电路列出如下方程 3 5 1齐纳二极管 由此可算出 当VI 10 1 9V时 IZ 5 95mA IZ min 能正常工作 当VI 10 1 11V时 IZ 15 78mA 稳压管的电流变化为输出电压变化为由此看出 输入电压VI变化2V 9 11V 时 输出电压Vo只变化了0 20V 稳压特性明显 3 5