第 1 章晶体二极管.doc

第一章 晶体二极管教学重点：PN结与晶体二极管电路的分析方法教学难点：PN结的形成过程教学时数：10学时教学内容：半导体物理基础知识，PN结，晶体二极管电路的分析方法，晶体二极管的应用教学方式：课堂讲授教学要求：（1） 掌握PN节的基本特性。（2） 熟悉晶体二极管的数学模型、曲线模型、简化电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合。（3） 熟悉晶体二极管电路的三种分析方法:图解法、简化分析法、小信号分析法，能熟练利用简化分析法分析各种功能电路。主要教学内容与课时分配主 要 教 学 内 容时间分配1.0概述1.1半导体物理基础知识1.2PN 结1.3晶体二极管电路分析方法1.4晶体二极管的应用0.5课时1.5课时2课时4课时2课时概 述晶体二极管结构及电路符号：正极P 负极N晶体二极管的主要特性：单方向导电特性即: PN 结正偏(P 接 +、N 接 -)，D 导通。 PN 结反偏(N 接 +、P 接 -)，D 截止。主要用途：用于整流、开关、检波电路中。1.1半导体物理基础知识半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。一半导体材料的基本性质在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。 导体. 1010cm半导体 10-4cm UT， I随U按指数规律变化；当PN结外加反向电压（U为负），且|U|UT时，eU/UT0，则I-IS。即反向电流与反向电压大小无关。PN结的反向饱和电流IS一般很小（硅PN结的IS为毫微安量级，锗PN结的IS为微安量级），所以PN结反向特性曲线几乎接近于横坐标。I与U的关系曲线如图1-6所示。图 1-6 PN结伏安特性曲线实际上，当PN结处于正向偏置，且外加正向电压不太大时，IS很小，所以I仍是很小的数值，PN结几乎不导通。只有当外加正向电压较大时，电流I才会有明显的增加。工程上定义正向电压需达到一定的电压值，正向电流才开始显著上升， 该电压为导通电压, 用Uon表示。通常硅管的Uon0.60.8 V，锗管的Uon0.10.3 V。1.2.3PN 结的击穿特性当PN结外加反向电压时，流过PN结的反向电流很小，但是当反向电压不断增大，超过某一电压值时， 反向电流将急剧增加，这种现象称为PN结的反向击穿。反向电流急剧增加时所对应的反向电压U(BR)称为反向击穿电压。（1） 雪崩击穿在掺杂浓度较低的PN结中，随着反向电压逐渐增大，空间电荷区（即阻挡层）变宽，内电场加强，使参加漂移运动的载流子加速，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，产生电子-空穴对。新产生的载流子被电场加速后，又碰撞其它中性原子，又产生新的电子-空穴对。 如此连锁反应，造成载流子急剧增多，使反向电流“滚雪球”般地骤增，通常将这种反向击穿称为雪崩击穿。雪崩击穿的击穿电压较高，其值随掺杂浓度的降低而增大。（2） 齐纳击穿当PN结两边的掺杂浓度很高时，阻挡层将变得很薄。这时只要加上不大的反向电压（如4 V以下），阻挡层就可能获得2106 V/cm以上的电场强度，该场强足以直接破坏共价键，把价电子从共价键中拉出来，从而获得大量的电子-空穴对，引起PN结中的反向电流急剧增大，这种反向击穿现象称为齐纳击穿。齐纳击穿的反向击穿电压较低，且随着掺杂浓度的增高而减小。通常情况下，反向击穿电压在7 V以上属于雪崩击穿，4V以下属于齐纳击穿，在47 V之间的击穿则两种情况都有。无论哪种击穿，只要PN结不因电流过大而产生过热损坏，当反向电压降到击穿电压以下（均指绝对值）时，其性能又可恢复到击穿前的情况。稳压二极管利用 PN 结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。要求：IZmin IZ CT ，则 Cj CD故：PN 结正偏时，以 CD 为主。 通常：CD 几十 pF 几千 pF。PN 结反偏时，CT CD ，则 Cj CT故：PN 结反偏时，以 CT 为主。通常：CT 几 pF 几十 pF。1.3晶体二极管电路分析方法晶体二极管的内部结构就是一个 PN 结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型： 便于计算机辅助分析的数学模型 适于任一工作状态的通用曲线模型 电路分析时采用的：直流简化电路模型 交流小信号电路模型1.3.1晶体二极管的模型数学模型伏安特性方程式理想模型：修正模型：其中：n 非理想化因子 ：I 正常时：n 1 I 过小或过大时：n 2rS 体电阻 + 引线接触电阻 + 引线电阻注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际 IS 理想 IS。曲线模型伏安特性曲线晶体二极管的伏安特性曲线，通常由实测得到。当 V VD(on) 时，二极管导通当 V 0 V 时，D 导通，则 vO = vi当 vi 0 V 时，D 截止，则 vO = 0 V由此，利用二极管的单向导电性，实现了半波整流。 平均值：二稳压电路稳压二极管又称齐纳二极管，简称稳压管，它是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管。（1）稳压管的伏安特性图 1-14 稳压管的伏安特性和符号(a) 伏安特性； (b) 符号 稳压管的伏安特性与普通二极管类似。如前所述，二极管处于反向击穿区时，并不一定意味着管子损坏，只要限制流过管子的反向电流， 二极管就不会因过热而烧毁。而且在反向击穿状态下，管子两端电压变化很小，具有恒压性能，利用二极管的这一特点可实现稳压作用，制成稳压管。稳压管在工作时，流过它的电流在IZminIZmax之间变化，在这个范围内，稳压管两端的反向电压变化很小，且工作安全。稳压管的伏安特性和符号如图1-14所示。（2） 稳压管的主要参数（1）稳定电压UZ： 稳压管反向击穿后的稳定电压值。由于制造工艺的分散性，即使同一型号的稳压管，各个不同的管子稳压值UZ也有些差别。例如型号为2CW13的稳压管，稳定电压为5.55.6 V。但对同一只管子，稳定电压UZ应是确定的。（2）稳定电流IDZ： 稳压管正常工作时的参考电流。电流低于此值，稳压效果变差，甚至不起稳压作用；电流高于此值，只要不超过稳压管的额定功耗，稳压管可以正常工作，故也将IDZ记作IZmin。（3）额定功耗PZM： 稳压管允许的最大稳定电流IZM（或记作IZmax）和稳定电压UZ的乘积。稳压管的功耗超过此值，会因结温过高而烧毁。对给定的PZM，可以根据IZM = PZM/UZ求得IZM。（4）动态电阻rz: 稳压管工作在稳压区时，其端电压变化量与端电流变化量之比，即rz=UZ/IDZ。r-z越小，稳压性能越好。对于同一个稳压管，工作电流越大，rz越小。常用的稳压管稳压电路如图1-15所示。由图可见，稳压管并联在负载RL的图 1-15 稳压管稳压电路两端，以使负载两端电压在Ui和RL变化时保持稳定。 此外，为了保证稳压管正常工作时的反向电流在IZminIZmax之间， 在电路中串联一个限