半导体二极管及其电路分析.ppt

模拟电子技术 欢迎学习 吕殿基 电子信息教研室 绪论 自然界中的两大类信息 模拟信息和数字信息都可以通过物理或化学的转换方式变成电信号 数字信号 在时间和幅值上都是离散的信号 对模拟信号在一定的时间间隔上采样 则模拟信号在时间上离散了 对各采样值进行量化 则采样信号幅度也离散了 处理数字信号的电子电路称为数字电路或数字逻辑电路 模拟信号 在时间和幅值上都是连续的信号 处理模拟信号的电子电路称为模拟电路 电子系统的组成框图 模拟电路特点 模拟电子技术是一门介绍电子器件 电子电路和电子技术应用的专业基础课程 主要研究微小模拟信号的放大和功率控制等内容 将电路理论扩展到包含有源器件 晶体管 场效应管 集成运放等 的电子电路中 概念性 工程性及实践性强 目录 第1章半导体二极管及其基本应用第2章半导体三极管及其基本应用第3章放大电路基础第4章负反馈放大电路第5章集成运算放大器的应用第6章信号产生电路第7章直流稳压电源 功放电路电源部分 黑白电视机电源部分 直流稳压电源实例 电源变压器 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2 整流电路 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3 滤波电路 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4 稳压电路 清除电网波动及负载变化的影响 保持输出电压uo的稳定 直流稳压电源的组成和功能 整流电路 滤波电路 稳压电路 一 半波整流电路 利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等 将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路 整流电路按输入电源相数可分为单相整流电路和三相整流电路 按输出波形又可分为半波整流电路和全波整流电路 目前广泛使用的是桥式整流电路 二 桥式整流电路 组成 由四个二极管组成桥路 简化电路 二 桥式整流电路 半导体二极管图片 1 2半导体二极管及其特性 1 2 1二极管的结构与类型 半导体二极管是由 结加上引线和管壳构成的 二极管类型 按制造材料分 硅二极管 锗二极管 按管子结构分 点接触型 面接触型 PN结面积很小 结电容很小 适合于高频 小电流的场合 如用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件 PN结面积大 结电容也大 适合于低频 大电流的场合 多用在低频整流电路中 点接触型 面接触型 二极管结构 二极管符号 箭头表示正电流的流通方向 半导体有温敏 光敏和掺杂等导电特性 根据物体导电能力 物质可划分导体和绝缘体 导体绝缘体 导电能力用电阻率 或电导率 来描述 导体 10 4 cm绝缘体 109 cm 导体 绝缘体和半导体的划分 1 1半导体的基础知识 典型的半导体材料 元素硅 Si 锗 Ge 化合物砷化镓 GaAs 掺杂元素或化合物硼 B 磷 P 半导体材料 硅14 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2锗32 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2 硅的原子结构 晶体结构 半导体材料的原子形成有序的排列 邻近原子之间由共价键连接 所以半导体是共价晶体 半导体器件也常称为晶体管 单晶与多晶 整块晶体的晶格取向是否一致 晶体与非晶体 原子结构排列是否有序 1 1 1本征半导体 纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体 须在单晶炉中提炼得到 纯净可达到99 99999 每个原子周围有四个相邻的原子 原子之间通过共价键紧密结合在一起 两个相邻原子共用一对电子 本征半导体导电机理 在外界光照或加热等情况下 共价键中的价电子由于获得一定的能量 其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子 同时必然在共价键中留下空位 空穴 这种现象称为本征 热 激发 1 本征激发 由于自由电子带负电 而本征半导体对外体现电中性 所以空穴带正电 自由电子和空穴是同时产生 成对出现的 2 复合 在一定的外界条件下 自由电子在运动过程中与空穴相遇 使电子 空穴成对消失 这种现象称为复合 新的空穴又会被邻近的价电子填补 带负电荷的自由电子依次填补空穴的运动 从效果上看 相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动 有了空穴 邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴 这样空穴便转移到邻近共价键中 电荷的定向移动形成电流 因此本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴 在常温下 本征半导体中载流子的浓度很低 因此其导电能力很弱 3 载流子及导电能力 本征半导体中载流子的浓度 除了与半导体材料本身的性质有关以外 还与温度有关 而且随着温度的升高 基本上按指数规律增加 因此 半导体 载流子浓度 对温度十分敏感 1 1 2杂质半导体 在本征半导体中人为掺入微量元素作为杂质 称为杂质半导体 掺杂是为了显著改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓度 以明显提高半导体的导电性能 N型半导体 在纯净半导体硅或锗中掺入磷 砷等5价元素 由于这类元素的原子最外层有5个价电子 故在构成的共价键结构中 由于存在多余的价电子而产生大量自由电子 这种半导体主要靠自由电子导电 称为N型半导体 电子半导体 其中自由电子为多数载流子 本征 热 激发形成的空穴为少数载流子 多余价电子容易成为自由电子 可以参与导电 提供自由电子后的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子 因此五价杂质原子称为施主杂质 正离子束缚于晶格中 不参与导电 P型半导体 在纯净半导体硅或锗中掺入硼 铝等3价元素 由于这类元素的原子最外层只有3个价电子 故在构成的共价键结构中 由于缺少价电子而形成大量空穴 这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动 称为P型半导体 空穴半导体 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 它仍由热激发形成 空位很容易俘获邻近四价原子的价电子 即在邻近产生一个空穴 空穴可以参与导电 空位俘获电子后 使杂质原子成为负离子 三价杂质因而也称为受主杂质 负离子束缚于晶格中 不参与导电 注 1 无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的 对外不显电性 2 掺入的杂质元素的浓度越高 多数载流子的数量越多 导电性能越好 3 少数载流子是热激发而产生的 其数量的多少决定于温度 半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式 在半导体中 如果载流子浓度分布不均匀 因为浓度差 载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动 这种运动称为扩散运动 载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体 另一侧掺杂成N型半导体 在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结 1 PN结的形成 1 1 3PN结及其单向导电性 1 两边的浓度差引起载流子的扩散运动 2 复合形成内电场 阻挡扩散 促使漂移 3 扩散和漂移动态平衡 PN结 空间电荷区 耗尽层 势垒区 阻挡层 PN结的形成过程 硅材料PN结内电位差为0 5 0 7V 锗材料0 2 0 3V 温度升高时 PN结内电位差将减小 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 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 平衡PN结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向相反 所以外观PN结中没有电流 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 小结 1 PN结加正向偏置电压 正偏 P区接高电位 2 PN结的单向导电性 由于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 2 PN结加反向偏置电压 反偏 N区接高电位 1 正向特性 2 正向电压大于死区电压后 正向电流随着正向电压增大迅速上升 硅管的正向导通电压 约为 V 锗管约为 V 1 2 2二极管的伏安特性 1 外加正向电压较小时 外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力 PN结仍处于截止状态 通常死区 门槛 电压硅管约为0 5V 锗管约为0 2V 1 2 2 反向特性 3 外加反向电压时 PN结处于截止状态 反向电流很小 且基本不变 称为反向饱和电流 硅管反向饱和电流为纳安 数量级 锗管的为微安数量级 3 反向击穿特性 4 当反向电压加到一定值 UBR 时 反向电流急剧增加 产生击穿 4 3 击穿的物理本质 1 雪崩击穿 碰撞电离 2 齐纳击穿 场致激发 3 热击穿 PN结过热 不可逆 4 温度特性 二极管的特性对温度很敏感 温度升高 正向特性曲线向左移 反向特性曲线向下移 其规律是 在室温附近 在同一电流下 温度每升高 正向压降减小 V 温度每升高 反向电流约增大1倍 1 最大整流电流IF 指管子长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 工作时应使平均工作电流小于 如超过 二极管将过热而烧毁 2 反向击穿电压UBR 指管子反向击穿时的电压值 3 最大反向工作电压URM 二极管运行时允许承受的最大反向电压 约为UBR的一半 4 最大反向电流IRM 指管子未击穿时的反向电流 其值越小 则管子的单向导电性越好 5 最高工作频率fM 主要取决于PN结结电容的大小 结电容越大 则二极管允许的最高工作频率越低 1 2 3二极管的主要参数 部分国产半导体高频二极管参数表 参数 型号 部分国产半导体整流二极管参数表 参数 型号 1 理想模型 2 恒压降模型 正向工作时二极管导通电压等于0 反向时 二极管开路 一般适用于大信号工作状态 例如逻辑电路 正向导通时 相当于理想二极管串联一个0 7伏的恒定电压源 适用于电源电压较低的电路分析 如模拟电路 1 3二极管应用电路 二极管电路应用举例 例1 解 把输出幅度限在电平E 0 7v内 例2 解 限幅电路 限幅电路的作用是限制输出信号幅度的大小 电路如下 例3 解 电路如图所示 设VA VB均为理想二极管 当输入电压UA UB为0V和5V的不同组合时 求输出电压U0的值 由题意知 VA VB均为理想二极管 实现与逻辑 例4 解 如图所示硅二极管电路 1 画出电压传输特性曲线 2 已知 画出ui和uo的波形 由题意知 V1阴极的电位为2V V2阴极的电位为 4V 当ui 2 7V时 V1导通 V2截止 uo 2 7V 当 4 7V ui 2 7V时 V1截止 V2截止 uo ui 当ui 4 7V时 V1截止 V2导通 uo 4 7V 根据 得Q点处的微变电导 则 二极管的小信号模型 1 4特殊二极管 1 4 1稳压二极管 1 符号及稳压特性 a 符号 b 伏安特性 1 稳定电压UZ 2 稳压二极管主要参数 使稳压管正常工作时的最小电流 低于此值时稳压效果较差 工作时应使流过稳压管的电流大于此值 一般情况是 工作电流较大时 稳压性能较好 但电流要受管子功耗的限制 即 Izmax Pz Uz 2 稳定电流Iz 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 3 最大耗散功率PZM和最大稳定电流IZM PZM是在稳压管允许结温下的最大功率损耗 IZM是指稳压管允许通过的最大电流 它们之间的关系是 PZM UZIZM 4 动态电阻rZ 5 电压温度系数CT rZ是稳压管工作在稳压区时 两端电压变化量与电流变化量之比 即rZ VZ IZrZ值越小 则稳压性能越好 稳压管温度变化 时 所引起的稳定电压变化的百分比 3 稳压二极管稳压电路 稳压原理 1 输入电压UI保持不变 当负载电阻RL减小 IL增大时 由于电流在电阻R上的压降升高 输出电压UO将下降 由于稳压管并联在输出端 由伏安特性可看出 当稳压管两端的电压略有下降时 电流Iz将急剧减小 而IR IL Iz 所以IR基本维持不变 R上的压降也就维持不变 从而保证输出电压UO基本不变 即 限流电阻R的选择 1 当电网电压最高 即为UImax 且负载电流最小为时 流过稳压管的电流最大 其值不应超过Izmax 即 2 当电网电压最低 即为UImin 且负载电流最大为时 流过稳压管的电流最小 其值不应低于Iz 即 稳压电路如图所示 稳压管为2CW14 其参数是Uz 6V Iz 10mA PzM 200mW 整流滤波输出电压UI 15V 试计算当UI变化 10 负载电阻在0 5 2k 范围变化时 限流电阻R值 解 1 4 2发光二极管 符号及电路 发光二极管LED LightEmittingDiode 由砷化镓 磷化镓等半导体材料组成 当LED加正向电压时 电子与空穴复合过程以光的形式放出能量 是一种电变成光的能量转换器件 典型工作电流为10mA左右 不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光 常用于信号指示 数字和字符显示及光信息传送 1 4 3光电二极管 光电二极管的又称为光敏二极管 其工作原理恰好与发光二极管相反 是一种将光信号转换为电信号的器件 当光线照射到光电二极管的PN结时 能产生更多的热激发 使之产生更多的电子空穴对 从而提高了少数载流子的浓度 在PN结两端加反向电压时反向电流会增加 所产生反向电流的大小与光的照度成正比 所以光电二极管正常工作时所加的电压为反向电压 为使光线能照射到PN结上 在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口 符号及电路 应用 光电耦合器件 实现信号的隔离 以防相互干扰 势垒电容示意图 电容是电荷在两个极板间的积累效应 外加电压变化 势垒层宽度变化 积累在势垒层的电荷变化 1 势垒电容CB PN结内载流子的复合相当于电荷的积累 所以PN结呈现电容效应 正偏和反偏时都有CB 正向电压越大 CB越大 PN结的电容效应 1 4 4变容二极管 变容二极管是利用PN结反偏时结电容的压控特性制成的器件 扩散电容示意图 2 扩散电容CD 载流子向对方区域的扩散 必须有浓度差 即P N 区有电荷的积累 外加电压