半导体二极管及其基本电路.ppt

3二极管及其基本电路 3 1半导体的基本知识 3 3半导体二极管 3 4二极管基本电路及其分析方法 3 5特殊二极管 3 2PN结的形成及特性 2 美国著名固体物理学家 微电子学家 诺贝尔物理学奖获得者肖克莱 肖克利 肖克莱毕业于美国加州理工学院物理系之后 进入美国麻省理工学院学习 获物理学博士学位 1936年进入美国贝尔实验室工作 1945年在贝尔实验室成立了一个由他领导 有著名物理学家布拉顿 巴丁参加的专门小组 开始研究半导体机理 探讨利用半导体来做放大器的可能性 著名科学家推荐 晶体管的发明 肖克莱 3 1947年12月23日 巴丁和巴拉顿把两根触丝放在锗半导体晶片表面上 并逐渐靠近 很近 时 放大作用发生了 肖克莱 巴丁 布拉顿三位科学家发明了PN结晶体管 开辟了电子器件的新纪元 成为电子技术革命的里程碑 他们三人因此获得了诺贝尔物理奖 著名科学家推荐 晶体管的发明 肖克莱 3 1半导体的基本知识 3 1 1半导体材料 3 1 2半导体的共价键结构 3 1 3本征半导体 3 1 4杂质半导体 5 3 1 1半导体材料 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 导电能力处于导体和绝缘体之间的物质 半导体的电阻率为 cm 锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 根据物体导电能力 电阻率 的不同 来划分导体 绝缘体和半导体 6 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 3 1 1半导体材料 7 3 1 2本征半导体 一 本征半导体的结构特点 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 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 8 本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 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 每个原子与其相临的原子之间形成共价键 共用一对价电子 3 1 2本征半导体 9 二 半导体的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 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 所以本征半导体的导电能力很弱 3 1 2本征半导体 10 自由电子 空穴 束缚电子 当温度升高或受到光的照射时 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 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 这一现象称为本征激发 也称热激发 三 半导体的导电机理 复合 自由电子填补空穴中的运动 称为复合 3 1 2本征半导体 11 自由电子 空穴 在其它力的作用下 空穴吸引附近的电子来填补 这样的结果相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于正电荷的移动 因此可以认为空穴是载流子 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即自由电子和空穴 3 1 2本征半导体 三 半导体的导电机理 空穴导电 动画 12 半导体导电特点 其能力容易受温度 光照等环境因素影响温度 载流子浓度 导电能力 本征半导体中电流由两部分组成 1 自由电子移动产生的电流 2 空穴移动产生的电流 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 13 3 1 4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 14 在本征半导体中掺入五价杂质元素 例如磷 可形成N型半导体 也称电子型半导体 在N型半导体中自由电子是多数载流子 它主要由杂质原子提供 空穴是少数载流子 由热激发形成 提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带正电荷成为正离子 因此 五价杂质原子也被称为施主原子 多余电子 磷原子 一 N型半导体 15 二 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 空穴 硼原子 在P型半导体中空穴是多数载流子 它主要由杂质原子提供 自由电子是少数载流子 由热激发形成 16 三 杂质半导体的示意表示法 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 近似认为多子与杂质浓度相等 17 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 cm3 杂质对半导体导电性的影响 18 本征半导体 本征激发 本节中的有关概念 自由电子空穴 N型半导体 施主杂质 5价 P型半导体 受主杂质 3价 多数载流子 少数载流子 杂质半导体 复合 半导体导电特点1 其能力容易受温度 光照等环境因素影响温度 载流子浓度 导电能力 半导体导电特点2 掺杂可以显著提高导电能力 3 2PN结的形成及特性 3 2 2PN结的形成 3 2 3PN结的单向导电性 3 2 4PN结的反向击穿 3 2 5PN结的电容效应 3 2 1载流子的漂移与扩散 3 2 1载流子的漂移与扩散 漂移运动 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动 扩散运动 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动 21 在同一片半导体基片上 分别制造P型半导体和N型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 3 2 2PN结的形成 P型半导体 N型半导体 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 空间电荷区越宽 内电场越强 就使漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 扩散运动 浓度差产生的载流子移动 漂移运动 在电场作用下 载流子的移动 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 相当于两个区之间没有电荷运动 空间电荷区的厚度固定不变 空间电荷区 N型区 P型区 电位V V0 1 空间电荷区中没有载流子 2 空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴 N区中的电子 都是多子 向对方运动 扩散运动 3 P区中的电子和N区中的空穴 都是少子 数量有限 因此由它们形成的电流很小 注意 PN结的形成过程 动画 26 PN结形成过程 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 杂质离子形成空间电荷区 27 PN结加上正向电压 正向偏置的意思是 P区加正 N区加负电压 PN结加上反向电压 反向偏置的意思是 P区加负 N区加正电压 3 2 3PN结的单向导电性 28 1 PN结正向偏置 P N 内电场被削弱 多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流 PN结加正向电压时的导电情况 动画 PN结加正向电压时 低电阻大的正向扩散电流 30 2 PN结反向偏置 N P 内电场被被加强 多子的扩散受抑制 少子漂移加强 但少子数量有限 只能形成较小的反向电流 R E PN结加反向电压时的导电情况 动画 PN结加反向电压时 高电阻很小的反向漂移电流 32 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 33 3 PN结特性描述 2 PN结方程 1 PN结的伏安特性 非线性 VT 温度的电压当量 且在常温下 T 300K 近似估算 正向 反向 当正向电压或反向电压的绝对值比VT大几倍时 特性平坦 反向截止一定的温度条件下 由本征激发决定的少子浓度是一定的 陡峭 电阻小正向导通 34 3 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 35 雪崩击穿 价电子被碰撞电离PN结反向电压增加时 内电场增强 通过空间电荷区的电子和空穴 在内电场作用下获得较大能量 运动时不断地与晶体中其它原子发生碰撞 将价电子轰出共价键 产生新的电子 空穴对 这种现象称为碰撞电离 新产生的载流子被电场加速后与价电子碰撞 发生新的碰撞电离 使载流子数象雪崩似的迅速增多 使反向电流急剧增大 发生二极管的雪崩击穿 齐纳击穿 价电子被场致激发在加有较高的反向电压下 强大的电场力能够破坏共价键 将束缚电子拉出来造成电子 空穴对 这种现象称为场致激发 场致激发发生后 载流子数量增加 形成较大的反向电流 致使PN结产生齐纳击穿 齐纳击穿和雪崩击穿都不会造成二极管的永久性损坏 电击穿 热击穿 发生电击穿后 若反向电压很大 反向电流也很大 产生过多的热量散发不出去 会使PN结因过热而烧毁 这种现象称为热击穿 热击穿 不可逆 电击穿 可逆 3 2 4PN结的反向击穿 36 PN结具有一定的电容效应 它由两方面的因素决定 一是势垒电容CB二是扩散电容CD 3 2 5PN结的电容效应 37 1 势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的 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 势垒电容的示意图如下所示图 动画 38 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 反之 由P区扩散到N区的空穴 在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线 扩散电容的示意图如下图所示 2 扩散电容CD 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相同 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 39 CB在正向和反向偏置时均不能忽略 而反向偏置时 由于载流子数目很少 扩散电容CD可忽略 PN结高频小信号时的等效电路 3 3半导体二极管 3 3 1半导体二极管的结构 3 3 2二极管的伏安特性 3 3 3二极管的主要参数 41 一 符号 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 二 分类 3 3 1半导体二极管的结构 42 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 a 点接触型 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于大电流整流电路 b 面接触型 3 平面型二极管 c 平面型 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 43 半导体二极管图片1 44 半导体二极管图片2 45 半导体二极管图片3 46 3 3 2二极管的伏安特性 1 正向特性 a 外加正向电压较小时 正向电流很小 几乎为零 b 反向电压大于击穿电压时 反向电流急剧增加 b 正向电压超过一定值后 正向电流随着正向电压增大迅速上升 2 反向特性 a 外加反向电压时 PN结处于截止状态 反向电流很小 显然二极管的伏安特性不是直线 因此属于非线性电阻元件 导通后二极管的正向压降变化不大 硅管约为0 6 0 8V 锗管约为0 2 0 3V 温度上升 死区电压和正向压降均相应降低 死区电压 硅管约为0 5V 锗管约为0 2V 47 硅管0 5V 锗管0 1V 硅0 6 0 7V 锗0 2 0 3V 反向击穿电压U BR 导通压降 死区电压 外加电压大于死区电压二极管才能导通 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿 失去单向导电性 反向电流在一定电压范围内保持常数 2 特性曲线 3 PN结方程 近似 注意 2 反向饱和电流硅 0 1 A 锗 10 A 48 3 3 3二极管的主要参数 1 最大整流电流IF 2 反向击穿电压VBR 3 反向电流IR 4 正向压降VF 在室温 规定的反向电压下 最大反向工作电压下的反向电流值 硅二极管的反向电流一般在纳安 nA 级 锗二极管在微安 A 级 在规定的正向电流下 二极管的正向电压降 二极管连续工作时 允许流过的最大整流电流的平均值 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR 为安全计 在实际工作时 最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算 5 极间电容C 二极管的高频等效电路 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 3应用举例 50 分析思路 把电路分为线性和非线性两部分 非线性 线性 2 写出线性部分直线方程 3 作图 画直线 与二极管特性曲线的交点为Q点 直流负载线 反应电流ID和VD的变化关系 uD VDD iDR 二极管电路的图解分析 51 M N 斜率 1 R 静态工作点 二极管电路的图解分析 作图过程 用图解法确定静态值 做二极管的特性特性曲线iD f uD 在特性曲线上 作出负载线 uD VDD iDR 与特性曲线的交点即为Q点 IQ VQ 符号及等效模型 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1 理想模型 1 二极管V I特性的建模 理想二极管在电路中相当于一个理想开关 外加电压大于零 就导通 管压降为0V 开关闭合 当反偏时 二极管截止 其电阻为无穷大 开关断开 当二极管正向电压和正向电阻与外接电路的等效电阻相比均可忽略时 这样的二极管可称为理想二极管 Vth 53 uD Vth 0 7V Si 0 2V Ge 2 恒压降模型 当二极管的正向压降与外加电压相比不能忽略 而正向电阻与外接电阻相比可忽略时 可用由理想二极管和电压源UF串联构成的模型来近似替代 正向压降不再认为是0 而是接近实际工作电压的某一定值UF 且不随电流变化 Vth 只有当电流iD近似等于或大于1mA时 该模型才是正确的 54 uD iD 斜率1 rD Vth 3 折线模型 为了较真实地描述二极管V I特性 在恒压降模型的基础上 作一定的修正 认为二极管的管压降不是恒定的 而是随着二极管电流的增加而增加 所以用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似 电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth 约为0 5V 当二极管的导通电流为1mA时 管压降为0 7V rD的值可计算如下 55 4 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 3 4 3应用举例 1 二极管的静态工作情况分析 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 57 2 半波整流电路 二极管具有单向导电性 利用它可以进行交流电到直流电的转换 58 3 限幅 整形 电路 Vi VR时 二极管导通 vo vi Vi VR时 二极管截止 vo VR 例2 理想二极管电路中vi Vmsin tV 求输出波形v0 解 限幅电路常用于有选择地传输信号波形的一部分 59 参考点 例3 已知 二极管是理想的 试画出uo波形 解 理想模型VD 0Vui 8V二极管导通 uo 8Vui 8V二极管截止 uo ui 3 限幅 整形 电路 60 4 开关电路 利用二极管的单向导电性可作为电子开关 0V0V 导通导通 导通截止 截止导通 截止截止 0V5V 5V0V 5V5V 0V 0V 0V 5V 例4 求vI1和vI2不同值组合时的v0值 二极管为理想模型 解 61 例5 判别二极管是导通还是截止 9V 1V 2 5V 12 5V 14V 1V 截止 截止 解 62 导通 例6 折线模型 求 1 vI 0V vI 4V vI 6V时 输出v0的值 2 Vi 6sin tV时 输出v0的波形 解 1 vI 4V时 D导通 vI 0V时 D截止 v0 vI vI 6V时 D导通 2 Vi 6sin tV 理想模型 折线模型 64 例7 理想二极管电路中vi Vmsin tV 求输出波形v0 Vi V1时 D1导通 D2截止 Vo V1 Vi V2时 D2导通 D1截止 Vo V2 V2 Vi V1时 D1 D2均截止 Vo Vi 65 例8 画出理想二极管电路的传输特性 Vo VI 解 VI 25V D1 D2均截止 VI 25V D1导通 D2截止 VI 137 5V D1 D2均导通 VO 25V VO 100V 137 5 66 例9 画出理想二极管电路的传输特性 Vo VI 当VI 0时D1导通D2截止 当VI 0时D1截止D2导通 67 例10 小信号分析 例4中求 vD iD VI 10V vi 1Vsin t 解题步骤 1 静态分析 令vi 0 由恒压降模型得 VD 0 7V ID 0 93mA 2 动态分析 令VI 0 由小信号模型得 68 一 稳压管符号 工程中常用的符号 新规定的符号 稳压管是利用PN结的反向击穿特性来实现稳定电压作用的 因此稳压管正常工作时加反向电压 3 5特殊二极管 3 5 1稳压二极管 齐纳 69 二 稳压管特性曲线 U I UZ U IZ Izmin Izmax 稳定电压 正向同二极管 稳定电流 当稳压二极管工作在反向击穿状态下 当工作电流IZ在Izmax和Izmin之间时 其两端电压近似为常数UZ 稳压二极管在工作时应反接 并串入一只电阻 电阻起限流作用 保护稳压管 其次是当输入电压或负载电流变化时 通过该电阻上电压降的变化 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 三 主要参数 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 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 VZIZ 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IZ IZmin则不能稳压 1 稳定电压VZ 71 四 应用 1 稳压管工作在反向击穿区 2 稳压管工作时要加限流电阻 稳压原理 注意 72 例1 稳压二极管技术数据为 稳压值UZ 10V Izmax 12mA Izmin 2mA 负载电阻RL 2k 输入电压ui 12V 限流电阻R 200 若负载电阻变化范围为1 5k 4k 是否还能稳压 UZW 10Vui 12VR 200 Izmax 12mAIzmin 2m