模拟电子康5版课件第二、三讲 3 二极管及其基本电路.ppt

2 1半导体的基本知识 2 3半导体二极管 2 4二极管基本电路及其分析方法 2 5特殊二极管 2 2PN结的形成及特性 2半导体二极管及其基本电路 小结 2 6二极管的应用 学习指导 作业 学习指导 电子技术是当代高新技术的龙头 半导体器件是现代电子技术的重要组成部分 PN结是半导体器件的核心环节 半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件 在电子电路有广泛的应用 主要内容 1 半导体的基本知识 2 PN结的形成及特点 3 半导体二极管的结构 特性 参数 模型及应用电路 学习目标 1 掌握以下基本概念 半导体材料的特点 空穴 扩散运动 漂移运动 PN结正偏 PN结反偏 2 了解PN结的形成过程及半导体二极管的单向导电性 3 掌握半导体二极管的伏安特性及其电路的分析方法 4 正确理解半导体二极管的主要参数 5 掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项 了解选管的一般原则 2 1半导体的基本知识 2 1 1半导体特性 2 1 2半导体的共价键结构 2 1 3本征半导体 2 1 4杂质半导体 2 1 1半导体特性 物体分类 导体 如 金属 绝缘体 如 橡胶 云母 塑料等 导电能力介于导体和绝缘体之间 半导体 半导体特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 掺杂特性 半导体器件 温度增加使导电率大为增加 热敏特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势 光敏特性 常用的半导体材料有 元素半导体 硅 Si 锗 Ge 化合物半导体 砷化镓 GaAs 掺杂材料 硼 B 铟 In 磷 P 锑 Sb 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 价电子是我们要研究的对象 2 1 2半导体的共价键结构 硅晶体的空间排列 硅和锗都是四价元素 它们的原子结构外层电子 价电子 数均为4个 价电子受原子核的束缚力最小 决定其化学性质和导电性能 共价键表示两个共有价电子所形成的束缚作用 为了保持原子的电中性 原子核用带圆圈的 4符号表示 T 0K且无外界激发 只有束缚电子 没有自由电子 本征半导体相当于绝缘体 T 300K 本征激发 少量束缚电子摆脱共价键成为自由电子 这种现象称为本征激发 2 1 3本征半导体 本征半导体 完全纯净 结构完整的半导体晶体 纯度 99 9999999 九个9 它在物理结构上呈单晶体形态 常用的本征半导体 Si 14 Ge 32 4 共价键内的电子称为束缚电子 挣脱原子核束缚的电子称为自由电子 价带中留下的空位称为空穴 外电场E 自由电子定向移动形成电子流 束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流 本征半导体 两种载流子动画一 1 本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴 2 在外电场的作用下 产生电流 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动 空穴流 价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动 本征半导体 空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点 用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流 电子浓度ni 空穴浓度pi 2 1 4杂质半导体 杂质半导体 掺入杂质的本征半导体 掺杂后半导体的导电率大为提高 掺入三价元素如B Al In等 形成P型半导体 也称空穴型半导体 掺入五价元素如P Sb等 形成N型半导体 也称电子型半导体 杂质半导体 P型半导体 3 3 在本征半导体中掺入三价元素如B 自由电子是少子 空穴是多子 杂质原子提供 由热激发形成 因留下的空穴很容易俘获电子 使杂质原子成为负离子 三价杂质因而也称为受主杂质 杂质半导体 N型半导体 5 5 在本征半导体中掺入五价元素如P 自由电子是多子 空穴是少子 杂质原子提供 由热激发形成 由于五价元素很容易贡献电子 因此将其称为施主杂质 施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子 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 施主杂质 受主杂质 2 2PN结的形成及特性 2 2 1PN结的形成 2 2 2PN结的单向导电性 2 2 3PN结的反向击穿 2 2 4PN结的电容效应 2 2 1PN结的形成 P型半导体中含有受主杂质 在常温下 受主杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子 N型半导体中含有施主杂质 在常温下 施主杂质电离为带负电的电子和带正电的施主离子 除此之外 P型和N型半导体中还有少数受本征激发产生的电子 空穴对 通常本征激发产生的载流子要比掺杂产生的载流子少得多 半导体中的正负电荷数相等 保持电中性 2 2 1PN结的形成 P区 N区 扩散运动 载流子从浓度大向浓度小的区域扩散 称扩散运动形成的电流成为扩散电流 内电场 内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动 扩散运动 漂移运动时达到动态平衡 空间电荷区 由不能移动的带电粒子组成 集中在P区和N区的交界处 内电场阻止多子扩散 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 扩散运动 多子从浓度大向浓度小的区域扩散 称扩散运动扩散运动产生扩散电流 漂移运动 少子向对方漂移 称漂移运动漂移运动产生漂移电流 动态平衡 扩散电流 漂移电流 PN结内总电流 0 PN结 稳定的空间电荷区 又称高阻区 也称耗尽层 PN结的形成动画二 空间电荷区变窄 内电场减弱 扩散运动加强 相等 动态平衡 PN结的接触电位 内电场的建立 使PN结中产生电位差 从而形成接触电位V 接触电位V 决定于材料及掺杂浓度硅 V 0 7锗 V 0 2 内电场 2 2 2PN结的单向导电性 1 PN结加正向电压时的导电情况 外电场方向与PN结内电场方向相反 削弱了内电场 于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱 扩散电流加大 扩散电流远大于漂移电流 可忽略漂移电流的影响 PN结呈现低阻性 P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 内 外 PN结的单向导电性 2 PN结加反向电压时的导电情况 外电场与PN结内电场方向相同 增强内电场 内电场对多子扩散运动阻碍增强 扩散电流大大减小 少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大 此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流 可忽略扩散电流 PN结呈现高阻性 P区的电位低于N区的电位 称为加反向电压 简称反偏 内 外 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 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 PN结的单向导电性动画三 式中Is 饱和电流 UT kT q 等效电压k 波尔兹曼常数 T 300k 室温 时UT 26mv PN结电流方程 由半导体物理可推出 当加反向电压时 当加正向电压时 U UT PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式 2 2 3PN结的反向击穿 反向击穿 PN结上所加的反向电压达到某一数值时 反向电流激增的现象 雪崩击穿 当反向电压增高时 少子获得能量高速运动 在空间电荷区与原子发生碰撞 产生碰撞电离 形成连锁反应 象雪崩一样 使反向电流激增 齐纳击穿 当反向电压较大时 强电场直接从共价键中将电子拉出来 形成大量载流子 使反向电流激增 击穿是可逆 掺杂浓度小的二极管容易发生 击穿是可逆 掺杂浓度大的二极管容易发生 不可逆击穿 热击穿 PN结的电流或电压较大 使PN结耗散功率超过极限值 使结温升高 导致PN结过热而烧毁 VBR反向击穿电压 势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的 当外加电压使PN结上压降发生变化时 离子薄层的厚度也相应地随之改变 这相当PN结中存储的电荷量也随之变化 犹如电容的充放电 2 2 4PN结的电容效应 动画 高频应用 2 2 4PN结的电容效应 高频应用 CB大小与PN结面积成正比 与耗尽区厚度成反比 而耗尽区厚度随外加电压的改变而改变 从电路上来看 CB与结电阻并联 反偏时 结电阻大 CB小 二者在同一个数量级 正偏时 结电阻小 CB大 二者不在同一个数量级 结电阻起主要作用 扩散电容是由多子扩散后 在PN结的另一侧面积累而形成的 因PN结正偏时 由N区扩散到P区的电子 与外电源提供的空穴相复合 形成正向电流 刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近 形成一定的多子浓度梯度分布曲线 扩散电容CD PN结电容效应 当外加正向电压不同时 扩散电流即外电路电流的大小也就不同 所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同 这就相当电容的充放电过程 势垒电容和扩散电容均是非线性电容 2 3半导体二极管 2 3 1半导体二极管的结构 2 3 2二极管的伏安特性 2 3 3二极管的参数 实物图片 2 3 1半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装 就成为一个二极管 二极管按结构分为点接触型 面接触型和平面型三大类 1 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 3 平面型二极管 往往用于集成电路制造工艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 b 面接触型 4 二极管的代表符号 晶体二极管 1 正向起始部分存在一个死区或门坎 称为门限电压 硅 Vr 0 5 0 6v 锗 Vr 0 1 0 2v2 加反向电压时 反向电流很小即Is硅 nA Is锗 A 硅管比锗管稳定3 当反压增大VB时再增加 反向电流激增 发生反向击穿 VB称为反向击穿电压 二极管的伏安特性可用下式表示 2 3 2二极管的伏安特性 当温度升高时特性曲线左移 注意参考方向问题 晶体二极管 晶体二极管的电阻 非线性电阻 直流电阻R 也称静态电阻 交流电阻r 又称动态电阻或微变电阻 一 直流电阻 定义 二极管两端的直流电压UD与电流ID之比 D 晶体二极管 二 交流电阻r 或 实质是特性曲线静态工作点处的斜率 交流电导 g dI dU I UT交流电阻 r 1 g UT I室温下 UT 26mv交流电阻 r 26mv ID mA 晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出 由此可得 晶体二极管的电阻 2 3 3二极管的参数 二极管的型号命名 2 4二极管基本电路及其分析方法 2 4 1二极管V I特性的建模 2 4 2应用举例 直流模型 理想模型恒压降模型折线模型指数模型 模型越来越准确 但是计算越来越复杂 直流模型用在直流电源作用的电路中 交流模型用在交流电源作用的电路中 交流模型 小信号模型 2 4 1二极管V I特性的建模 1 理想模型 3 折线模型 2 恒压降模型 正偏时导通 管压降为0V 反偏时截止 电流为0 管子导通后 管压降认为是恒定的 典型值为0 7V 管压降不是恒定的 而是随电流的增加而增加 5 小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时 其正向特性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 2 4 1二极管V I特性的建模 4 指数模型 较完整且较准确 2 4 2应用举例 二极管在某个电路中可以这样来使用 1 当作非线性电阻来使用 即所有时间内全部在正向导通区2 当作开关来使用 即某段时间内导通 某段时间内截止3 当作开关来使用 即在所有时间内均导通4 当作开关来使用 即在所有时间内均截止5 当作小电压稳压器件来使用 即所有时间内全部在正向导通区6 当作大电压稳压器件来使用 即所有时间内全部在反向击穿区 一 用二极管直流模型来分析电路 二 用二极管交流模型来分析电路 2 4 2应用举例 一 用二极管直流模型来分析电路 已知R 10K 在VDD 10V VDD 1V两种情况下 求电路的ID和VD 例1二极管电路的静态工作情况分析 2 4 2应用举例 1 理想模型 因为只有直流电压源作用 所以使用直流模型 首先 将原始电路中的二极管用它的理想模型代替 得到右侧的电路 然后 判断理想二极管的状态 导通或截止 方法 将理想二极管断开 求阳极和阴极的电位差 若 0 则理想二极管正向导通 若 0 则理想二极管反向截止 在本题目中理想二极管正向导通 用理想的导线代替二极管 解 2 4 2应用举例 2 恒压降模型 硅二极管典型值 首先 将原始电路中的二极管用它的理想模型代替 得到右侧的电路 然后 判断理想二极管的状态 导通或截止 方法 将理想二极管断开 求阳极和阴极的电位差 若 0 则理想二极管正向导通 若 0 则理想二极管反向截止 在本题目中理想二极管正向导通 用理想的导线代替二极管 2 4 2应用举例 3 折线模型 硅二极管典型值 设 首先 将原始电路中的二极管用它的理想模型代替 得到右侧的电路 然后 判断理想二极管的状态 导通或截止 方法 将理想二极管断开 求阳极和阴极的电位差 若 0 则理想二极管正向导通 若 0 则理想二极管反向截止 在本题目中理想二极管正向导通 用理想的导线代替二极管 2 4 2应用举例 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 2 4 2应用举例 VDD 10V时 VDD 1V时 二极管使用直流理想模型理想模型 2 二极管使用直流恒压降模型 VDD 10V时 VDD 1V时 硅二极管典型值 硅二极管典型值 二极管使用直流折线模型 VDD 10V时 VDD 1V时 当电源电压远大于二极管管压降的情况下 恒压降模型就可以取得比较合理的结果 当电源电压较低时 就必须使用折线模型才可以取得比较合理的结果 理想模型计算最简单 但是误差最大 本题目中 二极管当作开关来使用 即在所有时间内均导通 电路如图 R 1K VREF 3V 输入正弦波 分析输出信号波形 求 2 4 2应用举例 例2 限幅电路 一 用二极管直流模型来分析电路 2 当时输出电压的波形 1 当 0V 4V 6V时 求输出电压值 2 4 2应用举例 首先 考虑选用何种二极管的模型 因为只有直流电压源作用 所以使用直流模型 考虑到输入电压不高 且有VREF 3V 因此作用于二极管两端的电压不高 所以要选用折线模型才能满足题目的精度要求 将原始电路中的二极管用它的直流折线模型代替 得到右侧的电路 1 当 0V 4V 6V时 求输出电压值 解 然后 判断理想二极管的状态 导通或截止 方法 将理想二极管断开 求阳极和阴极的电位差 若 0 则理想二极管正向导通 若 0 则理想二极管反向截止 2 4 2应用举例 1 当 0V时 求输出电压值 理想二极管截止 支路断开 2 当 4V时 求输出电压值 理想二极管导通 用理想导线代替 解 1 当 0V 4V 6V时 求输出电压值 3 当 6V时 求输出电压值 理想二极管导通 用理想导线代替 2 4 2应用举例 2 当时输出电压的波形 虽然是一个交流电压源 但是对二极管来说 并不是小信号 所以二极管仍然采用直流模型 交流电压源可以看成为某个瞬时值的直流电压源 本题目中二极管当作开关来使用 即某段时间内导通 某段时间内截止 理想二极管导通 理想导线代替 理想二极管被反偏 处于截止状态 2 4 2应用举例 例3 开关电路 一 用二极管直流模型来分析电路 本题目中 二极管当作开关来使用 即在所有时间内均导通 或者在所有时间内均截止 若二极管为硅管 当Vi 0 4V Vo V 当Vi 1 5V Vo V 若二极管为锗管时 又分别是 V和 V 2 4 2应用举例 例3 开关电路 一 用二极管直流模型来分析电路 解 这类题目中含有一个二极管 可先将二极管断开 然后计算二极管阳 阴极间是正向电压还是负向电压 若为正向电压且差值大于或等于死区电压时 二极管导通 反之二极管截止 此题中 二极管实际上并非理想器件 正向导通时 对于硅管大约有0 7V的正向压降 对于锗管大约有0 3V的正向压降 所以对于硅二极管 当Vi 0 4V时 相当于截止 Vo 0 4V 而Vi 1 5V时 相当于导通 有0 7V的管压降 Vo 0 7V 对于锗二极管 无论Vi 0 4V或Vi 1 5V都相当于导通 有0 3V的管压降 所以都有Vo 0 3V 2 4 2应用举例 例4 有两个二极管的开关电路 一 用二极管直流模型来分析电路 设二极管是理想的 判断两个二极管的状态 并求输出电压Vo 2 4 2应用举例 解题思路 1 将二极管从电路中拿走 在此电路的基础上求两个二极管的阳极和阴极之间的电位差 2 两个二极管的阳极和阴极之间的电位差共有三种情况 1 均小于02 均大于03 一个为正 另一个为负3 根据不同的情况做出判断 1 均小于0 立即得出结论 两个二极管均截止2 均大于0 这其中会有一大一小 可以得出结论 大的那个二极管一定导通 小的那个状态不定 需要做进一步的判断 大的那个二极管导通后用理想的导线代替 这时整个电路就转化成了只有一个二极管的电路 按照例3的方法继续判断 从而得出最后的结论 3 一个为正 另一个为负 正的那个二极管一定导通 负的那个状态不定 需要做进一步的判断 正的那个二极管导通后用理想的导线代替 这时整个电路就转化成了只有一个二极管的电路 按照例3的方法继续判断 从而得出最后的结论 2 4 2应用举例 练习题 2 4 2应用举例 例5 低电压稳压电路 一 用二极管直流模型来分析电路 直流电压源VI的正常值为10V R 10K 若VI变化 1V时 问相应的硅二极管电压 即输出电压 的变化如何 解 1 求静态工作点 画出直流通路 二极管采用直流模型 2 画交流通路 二极管采用交流模型 这时的信号是小信号 2 5特殊二极管 2 5 1稳压二极管 2 5 2变容二极管 2 5 3光电子器件 1 光电二极管 2 发光二极管 2 5 1稳压二极管 稳压特性 稳压原理 在反向击穿时 电流在很大范围内变化时 只引起很小的电压变化 正向部分与普通二极管相同 当反向电压加到一定值时 反向电流急剧增加 产生反向击穿 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 特性参数 2 5 1稳压二极管 稳压管工作时应反接 并串入一只电阻 电阻的作用一是起限流作用 以保护稳压管 二是当输入电压或负载电流变化时 通过电阻上压降的变化 取出误差信号以调节稳压管的工作电流 从而起到稳压作用 应用方法 2 5 1稳压二极管 稳压电路 2 5 2变容二极管 变容二极管是利用结势垒电容C随外加电压V的变化而变化的特点制成的二极管 符号 注意 使用时应外加反向电压 1 光电二极管 光电二极管是有光照射时会产生电流的二极管 其结构和普通的二极管基本相同 它利用光电导效应工作 PN结工作在反偏状态 当光照射在PN结上时 束缚电子获得光能变成自由电子 产生电子 空穴对 在外电场的作用下形成光电流 2 5 3光电子器件 应在反压状态工作 2 发光二极管 发光二极管是将电能转换成光能的特殊半导体器件 它只有在加正向电压时才发光 一 整流电路 整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路 1 半波整流 iD uL 整流电路中的二极管是作为开关运用 具有单向导电