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第1章晶体二极管,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：单方向导电特性,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。,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：,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,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。,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,复合过程,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：,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。,磷、锑或砷等,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。,硼、镓或铝等,杂质半导体中载流浓度计算,例：一块本征硅片中掺入五价元素砷，浓度为Nd81014cm3。试求室温300K时的自由电子和空穴的热平衡浓度值。由于ni=1.51010cm3故多子自由电子浓度n0,Nd81014cm3,少子空穴浓度,在上例中，当温度分别升高到400K和500K时，试求自由电子和空穴的热平衡浓度值。,在400K时，,ni7.591012cm3,在500K时，,ni3.531014cm3,例：一块本征硅片,先掺入五价元素砷，浓度为Nd81016cm3，为N型半导体，再掺入浓度为的三价硼原子，试问它为何种杂质半导体，并求室温时的多子和少子的热平衡浓度值。,51017cm3,1.1.3两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的运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。,总漂移电流密度：,半导体的电导率,电压：V=El,电流：I=SJt,电阻：,电导率：,假设足够强度的光均匀地照射在半导体上，半导体的热平衡条件受到破坏，由光照产生的载流子将叠加在热平衡浓度值上。常将它们称为非平衡载流子，其浓度值分别用表示，且两者相等。,则半导体的导电率为：,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,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,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,内建电位差：,阻挡层宽度：,注意：阻挡层任一侧宽度与该侧掺杂浓度成反比。阻挡层宽度受内建电位差、掺杂浓度、温度变化的影响。,注意：温度每升高1度，VB约减小2.5mV。,1.2.2PN结的伏安特性,PN结单向导电特性,I,PN结单向导电特性,IR,结论：PN结具有单方向导电特性。,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：,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，Von约减小2.5mV。,O,1.2.3PN结的击穿特性,O,1.2.4PN结的温度特性,PN结伏安特性的温度特性温度每升高10度，Is约增加一倍；PN结正向电流随温度升高而略有增大。,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。,1.2.6PN结的开关特性,理想开关特性开关闭合，接通电阻为0；开关断开，关断电阻趋于无穷，且通断之间的切换是瞬间完成的。若忽略PN结的导通电压和反向饱和电流影响，PN结具有理想开关的特性。开关特性的非理想性导通电压、导通后的电阻特性、反向饱和电流、导通与截止之间的转换时间。开关二极管参数最大正向电流、最大反向工作电压等。,1.3晶体二极管电路的分析方法,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,1.3.1晶体二极管模型,数学模型伏安特性方程式,理想模型：,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。,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。,等效电路模型,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，二极管的简化电路模型。,大信号模型,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。,图解法,分析二极管电路主要采用：图解法、等效电路法。,写出管外电路负载线方程；,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：,作负载线；,在伏安特性曲线上分析工作点。,优点：直观。,例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(VQ,IQ)，即为Q点。,若上例存在增量电压源时，在的作用下，管外电路方程为,相应的负载线是一组斜率为1/R且随wt的变化而平行移动的直线。图解法的交流分析,等效电路法,即将电路中二极管用简化电路模型代替，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，导通的二极管用等效电路模型替代，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。,例设二极管是理想的，求VAO值。,图(a)，假设D开路，则D两端电压：,VD=V1V2=(612)V=18V0V，,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。,小信号分析法,即将电路中的二极管用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。,1.4晶体二极管的应用,电源设备组成框图：,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：,VO,t,O,vO,Vim,Vim,稳压电路,某原因VOIZI,限流电阻R：保证稳压管工作在IZminIZmax之间,稳压原理：,VO=VZ,输出电压：,符号大信号模型小信号模型,+-,VZ,rZ,1.4.2限幅和钳位电路,V2viV1时，D1、D2截止，vo=vi,ViV1时，D1导通、D2截止，vo=V1,ViV2时，D2导通、D1截止，vo=-V2,由此，电路实现双向限幅功能。,其中：V1为上限幅电