模拟电子技术第1章晶体二极管

1,课程概述,电子线路：指包含电子器件、并能对电信号实现某种处理的功能电路。,电路组成：电子器件+外围电路,电子器件：晶体二极管、晶体三极管、场效应管、集成电路。,外围电路：直流电源、电阻、电容、电流源电路等。,2,第1章晶体二极管,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,3,概述,晶体二极管结构及电路符号：,PN结正偏(P接+、N接-)，D导通。,晶体二极管的主要特性：单向导电特性,PN结反偏(N接+、P接-)，D截止。,即,主要用途：用于整流、开关、检波电路中。,4,1.1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。,硅(Si)、锗(Ge)原子结构及简化模型：,5,硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。,硅和锗共价键结构示意图：,1.1.1本征半导体,6,本征激发,共价键具有很强的结合力。当T=0K(无外界影响)时，共价键中无自由移动的电子。,这种现象称,注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。,本征激发。,7,当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。,当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。,注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。,自由电子带负电,半导体中有两种导电的载流子,空穴的运动,空穴带正电,8,温度一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。,热平衡载流子浓度,热平衡载流子浓度：,9,N型半导体：,1.1.2杂质半导体,简化模型：,本征半导体中掺入少量五价元素构成。,10,P型半导体,简化模型：,本征半导体中掺入少量三价元素构成。,11,杂质半导体中载流浓度计算,12,1.1.3两种导电机理漂移和扩散,漂移与漂移电流,载流子在电场作用下作定向运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。,总漂移电流密度：,13,半导体的电导率,电压：V=El,电流：I=SJt,电阻：,电导率：,14,载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散电流。,扩散电流密度：,扩散与扩散电流,15,1.2PN结,利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。,N型,PN结,16,1.2.1动态平衡下的PN结,阻止多子扩散,利于少子漂移,PN结形成的物理过程,17,内建电位差：,阻挡层宽度：,注意：掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位差VB越小，阻挡层宽度l0越小。,18,1.2.2PN结的伏安特性,PN结正向特性,I,19,PN结反向特性,IR,结论：PN结具有单方向导电特性。,20,PN结伏安特性方程式,PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：,其中：,IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。,正偏时：,反偏时：,21,PN结伏安特性曲线,温度每升高10，IS约增加一倍。,温度每升高1，VD(on)约减小2.5mV。,22,1.2.3PN结的击穿特性,23,因为T载流子运动的平均自由路程V(BR)。,击穿电压的温度特性,雪崩击穿电压具有正温度系数。,齐纳击穿电压具有负温度系数。,因为T价电子获得的能量V(BR)。,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：IzminCD，则CjCT,PN结总电容：Cj=CT+CD,PN结正偏时，CDCT，则CjCD,故：PN结正偏时，以CD为主。,故：PN结反偏时，以CT为主。,通常：CD几十pF几千pF。,通常：CT几pF几十pF。,26,1.3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,27,1.3.1晶体二极管的模型,数学模型伏安特性方程式,理想指数模型：,修正模型：,rS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。,28,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。,29,直流简化电路模型,折线等效：在主要利用二极管单向导电性的电路中，实际二极管的伏安特性。,理想状态：与外电路相比，VD(on)和RD均可忽略时，二极管的伏安特性和电路符号。,开关状态：与外电路相比，RD可忽略时的伏安特性。,简化电路模型：折线等效时，二极管的直流简化电路模型。,30,交流小信号电路模型,rs：PN结串联电阻，数值很小。,rj：为二极管增量结电阻。,Cj：PN结结电容，由CD和CT两部分构成。,注意：高频电路中，需考虑Cj影响。因高频工作时，Cj容抗很小，PN结单向导电性会因Cj的交流旁路作用而变差。,31,图解分析法,分析二极管电路主要采用：图解分析法、简化分析法、小信号等效电路分析法。(重点掌握简化分析法),写出管外电路直流负载线方程。,1.3.2晶体二极管电路分析方法,利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。,要求：已知二极管伏安特性曲线和外围电路元件值。,分析步骤：,作直流负载线。,分析直流工作点。,优点：直观。既可分析直流，也可分析交流。,32,例1已知电路参数和二极管伏安特性曲线，试求电路的静态工作点电压和电流。,Q,由图可写出直流负载线方程：V=VDD-IR,在直流负载线上任取两点：,解：,VDD,VDD/R,连接两点，画出直流负载线。,VQ,IQ,令I=0，得V=VDD；,令V=0，得I=VDD/R；,所得交点，即为Q点。,33,简化分析法,即将电路中二极管用直流简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。,将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化电路模型替代，然后分析求解。,(1)估算法,判断二极管是导通还是截止？,假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位。,理想二极管：若V0，则管子导通；反之截止。,实际二极管：若VVD(on)，管子导通；反之截止。,当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。,34,例2设二极管是理想的，求VAO值。,图(a)，假设D开路，则D两端电压：,VD=V1V2=612=180V，,VD2=V2(V1)=15V0V。,由于VD2VD1，则D2优先导通。,此时VD1=6V2V时，D导通，则vO=vi,vi2V时，D截止，则vO=2V,由此可画出vO的波形。,36,小信号等效电路分析法,即将电路中的二极管用交流小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。,分析步骤：,将直流电源短路，画交流通路。,用交流小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。,利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。,37,1.4晶体二极管的应用,电源设备组成框图：,38,整流电路,1.4.1整流与稳压电路,当vi0V时，D导通，则vO=vi,当vi0V时，D截止，则vO=0V,由此，利用二极管的单向导电性，实现了半波整流。,若输入信号为正弦波：,平均值：,39,稳压电路,某原因VOIZI,限流电阻R：保证稳压管