第3章半导体二极管及其基本应用电路..ppt

第3章半导体二极管及其基本电路,3.1半导体基础知识3.2PN结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,3.1半导体基础知识,一、半导体定义导电性能介于导体和绝缘体之间的物质.特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等）典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等,一、本征(intrinsic)半导体,纯净无掺杂的具有晶体结构的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,(1）本征半导体晶体结构共价键结构,空间排列有序的晶体,以硅原子(Si)为例：,(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图,电子空穴对：载流子（Carrier),本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!,图01.02本征激发和复合的过程,（2）电子空穴对,本征激发（热激发）,T=0K时,复合:电子与空穴相遇,两者同时消失,(3)空穴的移动(导电）,空穴的运动=相邻共价键中的价电子反向依次填补空穴来实现的,常温下，载流子的浓度很低，故导电性差。环境温度上升，载流子浓度升高导电性增强。,二、杂质半导体,本征半导体缺点？,1、电子浓度=空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！,(1)N型半导体(2)P型半导体(3)杂质对半导体导电性的影响,(1）N型半导体（电子型半导体）,掺杂：,特点：多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供）少数载流子：空穴（由热激发形成）,杂质原子因在晶格上，且缺少电子，故变为不动的正离子。因提供自由电子故称施主杂质正离子,少量掺入五价杂质元素（如：磷）,(2）P型半导体（空穴型半导体）,掺杂：少量掺入三价杂质（如硼、镓和铟等）,特点：多子：空穴（主要由杂质原子提供）少子：电子（由热激发形成）,杂质原子成为不可移动的负离子称受主杂质负离子,(3)杂质对半导体导电性的影响,第二节,N型半导体主要是自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度越高，导电性越强。,P型半导体主要是空穴导电，掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度越高，导电性越强。,图01.06PN结的形成过程,1.形成,两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结,两种运动：扩散（浓度差）,漂移（电场力）,三、PN结,漂移和扩散,(1)、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移如图（A）所示。(2)、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（B）所示,。,电流I,。,.,.,空穴,。,电子,（A）电场作用下的漂移运动,（B）空穴扩散示意,PN结形成,PN,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,由于接触面载流子运动形成PN结示意图,内电场-+,扩散运动漂移运动,PN结变窄,PN,+-R,外加正向电压示意(导电）,PN结变宽,PN,-+R,外加反向电压示意（截止）,正向电流If,反向电流Is,PN结加正向电压时电阻很小，电流大。加反向电压时电阻很大，电流小。,PN结的形成小结：,浓度差多子扩散空间电荷区(杂质离子),内电场,促使少子漂移,阻止多子扩散,当多子扩散和少子漂移达到动态平衡，形成PN结,2.实质,PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场,3.单向导电性,单向导电性：PN结正偏时导通（大电流），PN结反偏时截止（小电流）。,偏置(bias),PN结变宽,PN,-+R,外加反向电压示意（截止）,反向电流Is,PN结变窄,PN,+-R,正向电流If,外加正向电压示意(导电）,PN结加正向电压时电阻很，电流大。加反向电压时电阻很大，电流小。,5、PN结的伏安特性,正向特性反向特性反向击穿特性,4、PN结的电流方程,(1)势垒电容Cb（Barrier),势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成,4.电容效应,表现为：势垒电容Cb（barrier)扩散电容Cd(diffusion),图01.10扩散电容示意图,第三节,(2)扩散电容Cd(Diffusion),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。这种电容效应称为扩散电容势垒电容和扩散电容均是非线性电容。,（3）结电容,Cj=Cb+Cd,3.2半导体二极管,一,结构类型和符号,二,伏安特性,三,主要参数,四,型号命名规则,五,二极管等效电路,一、结构类型和符号,二极管=PN结+引线+管壳。类型：点接触型、面接触型和平面型,(1)点接触型,(a)点接触型,1、结构类型,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路,(c)平面型,(3)平面型,(2)面接触型,(b)面接触型,2、符号,标记,D1,D2,Diode,PN结面积大，用于工频大电流整流电路,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。,二、伏安特性,IS:反向饱和电流VT=kT/q:温度的电压当量室温（T=300K）下，VT=26mV,1、二极管方程（定量）,理想二极管(PN结）方程：,图理想二极管的伏安特性曲线,定性,单向导电性,三、主要参数,(1)IF最大整流电流,(2)VBR反向击穿电压指二极管反向加电压时，使反向电流突然增大时的电压。不同的二极管有不同的反向击穿电压。一般手册中给出的反向电压是实际的一半。,指正常功率下的正向平均电流；根据二极管功率不同，由几mA到几百安培不等,(3)IR（IS）反向饱和电流指二极管反向加电压时，在没有击穿前的电流。愈小愈好。一般几纳安到几微安。,硅(nA)级；锗(A)级,(5)rd动态电阻,rd=VF/IF二极管正向特性曲线斜率的倒数,(4)极间电容C：正向扩散电容CD：由于PN结正向导电是通过电子和空穴扩散的结果。而扩散必须有载流子的浓度积累，这就产生了扩散电容。反向势垒电容CB：二极管反向PN结形成电荷势垒。相当于二块平行板电容。反向电压愈高电容愈小近似计算公式如下：,四、型号命名规则,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,部分国产半导体高频二极管参数表,部分国产半导体整流二极管参数表,五、二极管等效电路及其分析方法,二极管是一种非线性器件，需应用线性化模型分析法对其应用电路进行分析。,1、二极管正向伏安特性的折线化及等效电路,（1）.理想模型,（2）.恒压降模型,这个模型如图：其基本思想是当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，si典型值为0.7V。不过这只有当二极管的电流iD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）.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，即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。这个电池的电压选定为二极管的门坎电压Von，约为0.5V。至于rD的值，可以这样来确定，即当二极管的导通电流为1mA时，管压降为0.7V，于是rD的值可计算如下,（4）.小信号模型,二极管在一定的直流电压和电流下,加入低频小信号时,可等效为一个动态电阻。,二极管小信号模型如图所示。,如果二极管在它的V-I特性的某一小范围工作，例如在静态工作点Q（即V-I特性上的一个点，此时vD=VD，iD=ID）附近工作，则可把V-I特性看成为一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rd。,微变电阻rd可直接从V-I特性上求得。通过Q点作一条V-I特性的切线，并形成一直角三角形，从而得到vD和iD，则rd=vD/iD，rd的数值还可从二极管的V-I特性表达式导出。,取iD对vD的微分，可得微变电导,(当T=300K时),由此可得,2、几种模型分析法应用举例,例1设简单二极管基本电路如a所示，R=10kW，图b是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值：（1）VDD=10V；（2）VDD=1V。在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。,解：图a的电路中，虚线左边为线性部分，右边为非线性部分。符号“”为电位参考点，或叫“地”，即电路的共同端点。电路中任一点的电位，都是对此共同端而言。为了简单起见，图a所示的电路常采用图b所示的习惯画法，今后经常用到。现按题意，分别求解如下：,（1）VDD=10V使用理想模型得VD=0V，ID=VDD/R=10V/10kW=1mA,使用恒压降模型得：VD=0.7V，,使用折线模型得：,(2)VDD=1V使用理想模型得：VD=0V，ID=VDD/R=0.1mA使用恒压降模型得：VD=0.7V，ID=（VDD0.7）/R=0.03mA使用折线模型得ID=0.049mA，VD=0.51V,例2：已知电路，二极管导通电压UD=0.7V，UT=26mV,ui为有效值20mV，频率f=1kHZ有正弦波，则输入交流电流的有效值约为多少？,解：求动态电阻。先求静点Q的直流电流,求交流电流。（直流为零）,基本应用电路,1.整流电路,整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，,半波整流,iD,整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。,Udc0.45U2,uL,全波整流,Udc0.9U2,2.二极管电路的限幅电路,3.二极管开关电路,一二极管开关电路如图所示。当vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值不同组合情况下，输出电压vO的值。设二极管是理想的。,4.集成运放输入端保护电路,3.3特殊二极管,一、稳压二极管,应用在反向击穿区（雪崩击穿和齐纳击穿）,（一）符号、伏安特性和典型应用电路,1、利用PN结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。,I（mA),正向电流If,U（V）,正向,0.6,反向击穿电压UZ,正向导通电压UD,0,击穿电流IR,PN结V-A特性曲线,电路符号,(c)应用电路,RL,稳压原理：,（1）UI变化，负载不变,UI上升,UO上升,Uz上升,Iz上升,IR=Iz+IL上升,UR=IRR上升,UO下降,（2）输入不变，负载波动,RL下降,IL（IR）上升,UO下降（Uz）,Iz下降,IR=Iz+IL下降,UR=IRR下降,UO上升,3、限幅电路,2、限流电阻取值,1）、稳定电压UZ：稳压管击穿后电流变化很大。而电压基本不变的电压。不同的稳压管有不同的稳定电压。2）、动态电阻rz3）、最大稳定电流IZM，由最大耗散功率和稳定电压决定。4）、最大耗散功率PZM，工作时的功率PZ=IZUZ5）、温度系数；衡量由于温度变化而使稳定电压UZ变化的参数。一般UZ大于6伏的为正温度系数。小于6伏为负温度系数,（二）主要参数,半导体PN结共价键中的电子在光子的轰击下。很容易脱离共价键而成为自由电子。因此可以用PN结构成光敏二极管。光敏二极