模拟电子技术---半导体二极管及其基本电路概要PPT课件

第二章半导体二极管及其基本电路,半导体PN结的形成及特性（重点）半导体二极管（Diode）的结构、特性及参数二极管基本电路及其分析方法（重点）特殊二极管,2.1半导体,导体,容易传导电流的称为导体。如金属。,绝缘体,几乎不传导电流的称为绝缘体。如橡胶，陶瓷。,半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间，并且受到外界光和热的刺激或加入微量的杂质时，导电能力将发生显著变化的物质称为半导体。如硅(Si)，锗(Ge)。,一、本征半导体,本征半导体,完全纯净的，结构完整的半导体晶体称为本征半导体。,共价键,束缚电子,图半导体的原子结构示意图（a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型,自由电子,空穴,挣脱共价键的束缚自由活动的电子,空穴,自由电子,束缚电子成为自由电子后，在共价键中所留的空位。,本征激发,空穴移动方向与电子移动方向相反，可用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流，空穴迁移就相当于正电荷的移动。可将空穴看成是带正电荷的载流子，自由电子和空穴均参与导电是半导体区别于导体的重要特性。,空穴与自由电子关系,本征半导体中载流子的浓度,复合,二、杂质半导体,杂质半导体,电子半导体(Negative),空穴半导体(Positive),加+5价元素磷(P)、砷(As)、锑(Sb),加+3价元素硼(B)、铝(Al)、铟(In)、镓(Ga),元素周期表,-,1、电子半导(Negative)N型半导体,+5价元素磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等在硅晶体中给出一个多余电子，故叫施主原子。,电子数目=空穴数+正离子数（主要来自杂质）（主要来自本征半导体）（全部来自杂质）,多数载流子：电子少数载流子：空穴,2、空穴半导(Positive)P型半导体,+3价元素硼(B)、铝(Al)、铟(In)、镓(Ga)等在硅晶体中接受一个电子，故叫受主原子。,空穴数目=电子数+负离子数（主要来自杂质）（主要来自本征半导体）（全部来自杂质）,多数载流子：空穴少数载流子：电子,2.2PN结的形成及特性,一、PN结1952年第一个PN结形成。,内电场,PN结,1、PN结的形成PN结的动态平衡,因浓度差,形成多子的扩散运动,杂质离子形成空间电荷区,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,达到动态平衡,动画3,二、PN结的单向导电性,PN结的单向导电性是其基本特性,1、外加正向电压,外加电场方向与内电场方向相反,内电场,外电场,2、外加反向电压,外加电场方向与内电场方向相同,内电场,外电场,IS很小，就可以看作PN结在外加反向偏置时呈现出很大的阻值。,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。,3、PN结的反向击穿,PN结的外加反向电压增大到一定的数值时，反向电流会突然增加，这个现象称为PN结的反向击穿。,反向击穿,热击穿,电击穿,可利用的，可逆的,有害的，易烧坏PN结,根据产生击穿的原因，电击穿又可分为：,雪崩击穿,齐纳击穿,外加电场作用产生碰撞电离，形成倍增效应。,在杂质浓度特别大的PN结中，外加电场直接破坏共价键，产生电子空穴对。,4、PN结的VI特性,PN结的VI特性如图所示,反向饱和电流,反向击穿电压,注:VD为PN结的外加电压,VT为温度的电压当量,约为0.026V,IS为反向饱和电流。,e=2.71828,2.3半导体二极管（diode）,半导体二极管就是一个PN结。,一、半导体二极管的结构,结构不同,：适用于高频检波和数字电路开关。,：适用于整流,掺杂质浓度不同,对称PN型P+N型PN+型,按材料分:有硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管,常见二极管外形,图半导体二极管的结构及符号（a）点接触型结构;（b）面接触型结构;,图半导体二极管的结构及符号（c）集成电路中的平面型结构;（d）图形符号,二极管外形,二、二极管的VI特性,图二极管伏安特性曲线,二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向电压较小时,正向电流极小（几乎为零）,这一部分称为死区,相应的A(A)点的电压称为死区电压或门槛电压(也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如图中OA(OA)段。(P69),当正向电压超过门槛电压时,正向电流就会急剧地增大,二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为0.60.7V,锗管约为0.20.3V,如图中AB(AB)段。,二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二极管相当于非常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流IR,见图中OC（OC）段。,二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿。此时对应的电压称为反向击穿电压,用UBR表示,如图中CD(CD)段。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),三、二极管的参数,1、最大整流电流IF：指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。,2、最高反向工作电压：VBD=VBR（VBR为反向击穿电压。）,3、极间电容：在高频时要考虑极间电容。P67-68势垒电容CB在反向偏置时作用较大扩散电容CD在正向偏置时作用较大,4、最高工作频率：指二极管能保持单向导电性的最大频率。超过了这个频率二极管就失去了单向导电性。,用万用表判别二极管的极性及性能,1.二极管的极性判别数字型万用表和模拟型万用表都可用于鉴别正负极性。选用欧姆档的R100或R1k()档。鉴别时主要的区别在于数字型万用表的红表笔接的是表内电池的正极，黑表笔接的是表内电池的负极；而模拟型万用表则正好相反。,小知识:二极管的简易测试将万用表置于R100或R1k()挡（R1挡电流太大,用R10k()挡电压太高,都易损坏管子）。如图所示,图万用表简易测试二极管示意图(a)电阻小；(b)电阻大,例3.4.1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。,解：由电路的KVL方程，可得,即,是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线,Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点,2.4二极管基本电路及其分析方法,2.4二极管基本电路及其分析方法,一、四种建模,1、理想模型正向偏置时，管压降为0V，反向偏置时，电阻为无穷大。,2、恒压降模型正向偏置时，管压降为恒定,一般为0.7V，反向偏置时，电阻为无穷大。,适用：电源电压二极管压降,适用：iD1mA,3、折线模型认为二极管的压降随着电流的增加而增加。可用一个电池和一个电阻近似。电池压降为二极管的门坎电压。,适用：需考虑到rD变化时，输入电压不高,4、小信号模型,vs=0时,Q点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。,vs=Vmsint时（Vm0所以二极管D1导通,VD2=5V-3V=2V0所以二极管D2导通,例,设二极管是理想的，分析图中各二极管的导通或截止情况。,解,分析方法：先将要分析的二极管断开，求VD,因为VBVA所以D截止.,图二极管半波整流电路(a)电路；(b)输出波形,三、晶体二极管应用电路举例1.整流电路,2.门电路(开关),图二极管门电路（与门）,3.二极管限幅电路,图二极管限幅电路(a)电路;(b)波形,2.5特殊二极管,一、稳压二极管,二极管可分为：普通二极、稳压管、变容管、光电管、发光管、隧道管、微波管、恒流管等。,稳压管又称为齐纳二极管，它的杂质浓度较大，空间电荷区很窄，容易形成强电场。产生反向击穿时反向电流急增。稳压管的稳压作用在于，电流增量很大，只引起很小的电压变化。,图中的VZ表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。稳压管的稳压作用在于，电流增量IZ很大，只引起很小的电压变化VZ。曲线愈陡，动态电阻rz=VZ/IZ愈小，稳压管的稳压性能愈好。,一般地说，VZ为8V左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压的，rZ随齐纳电压的下降迅速增加，因而低压稳压管的稳压性能较差。稳压管的稳定电压VZ，低的为3V，高的可达300V，它的正向压降约为0.6V。,(1)稳定电压VZ,(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,(3)最大耗散功率PZM=VZIZmax,(4)最大稳定工作电流Izmax和最小稳定工作电流IZmin稳压条件：IZminIZIZmax,(5)稳定电压温度系数VZ,稳压二极管主要参数,稳压电路,正常稳压时VO=VZ,使用稳压管稳压时，需注意几点：（1）稳压管反向偏置（管子工作在反相击穿区）（2）稳压管应与负载电阻RL并联（3）必须限制流过稳压管的电流IZ(串联限流电阻)，不能超过规定值，以免因过热烧毁管子,稳压管应用在如图所示电路中，R=400，已知稳压管DZ的稳定电压UZ=10V,最小电流IZmin=5mA，最大管耗为PZM=150mW。(1)当Ui=20V时，求RL的最小值；(2)当Ui=26V时，求RL的最大值；若RL=时，则将会产生什么现象?,例4,解：（1）当RL最小时，通过RL的电流最大，此时通过稳压管的电流为其最小稳定工作电流IZmin5mA,例4,（2）稳压管可以通过的最大电流为：,此时,若RL=时，RL断开，通过RL的电流为0，流过稳压管的电流将超过其最大稳定工作电流，此时将会烧毁稳压管。,稳压管应用在如图所示电路中，R=400，已知稳压管DZ的稳定电压UZ=10V,最小电流IZmin=5mA，最大管耗为PZM=150mW。(1)当Ui=20V时，求RL的最小值；(2)当Ui=26V时，求RL的最大值；若RL=时，则将会产生什么现象?,二、变容二极管,二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。图a为变容二极管的代表符号，图b是变容二极管的特性曲线。不同型号的管子，其电容最大值可能是5300pF。最大电容与最小电容之比约为5:1。变容二极管在高频技术中应用较多。,图变容二极管（a）图形符号;（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）,三、光敏二极管（光电二极管）,作用：将光信号转换为电信号。光电二极管的结构与PN结二极管类似，管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置