第01章_晶体二极管(已修改).ppt

1、主讲教师： 唐伶俐 副教授 办公室：信科大楼S226 Tel:E-mail: tangll,电子电路基础,(Basis of Electronic Circuits),-重庆邮电大学通信学院电路基础教研中心-,教 材： 电子线路(线性部分) （第五版） 冯军 谢嘉奎 主编 高等教育出版社 2010（东南大学） 参考书： 1、模拟电子技术基础简明教程（第三版）杨素行 主编 高等教育出版社 2006 （清华大学） 2、 模拟电子技术基础（第3版） 童诗白，华成英主编 ，高教出版社，2001（清华） 3、电子技术基础（模拟部分） 康华光 编著 高等教育出版社1999 （华中

2、理工） 4、电子线路基础教程 王成华 主编 科学出版社 2000,1.1 半导体物理基础知识,1.3 晶体二极管电路分析方法,1.2 PN结,1.4 晶体二极管的应用,1.0 概述,第一章 晶体二极管,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,物质按其导电能力可分为导体、 绝缘体和半导体 3 种。 通常人们把容易导电的物质称为导体, 如金、银、铜等; 把在正常情况下很难导电的物质称为绝缘体, 如陶瓷、云母、塑

3、料、 橡胶等; 把导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体,大多数半导体器件所用的主要材料是硅 (Si)和锗 (Ge) 。,(1) 热敏性: 一些半导体对温度的反应很灵敏, 其电阻率随着温度的上升而明显地下降, 利用这种特性很容易制成各种热敏元件, 如热敏电阻、 温度传感器等。 ,严格地说，导体、半导体和绝缘体的划分是以物质的电阻率的大小来确定的。 电阻率小于10-3cm的称为导体; 电阻率大于108cm的称为绝缘体; 其电阻率介于导体的和绝缘体的之间的物质称为半导体。,1. 1 半导体物理基础知识：,半导体的3大特性：,(2) 光敏性: 有些半导体的电阻率随着光照的增强而明显地下降, 利

4、用这种特性可以做成各种光敏元件, 如光敏电阻和光电管等。 (3) 掺杂性: 半导体的电阻率受掺入的“杂质”影响极大, 在半导体中即使掺入的杂质十分微量, 也能使其电阻率大大地下降, 利用这种独特的性质可以制成各种各样的晶体管器件。 半导体为什么会具有上述特性呢？要回答这个问题, 必须研究半导体的内部结构。 ,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。,1.1 半导体物理基础知识,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,共价键具有很

5、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。,本征激发,当原子中的价电子在光照或温度升高时获得能量挣脱共价键 的束缚而成为自由电子，原子中留下空位（即空穴），（即产生 自由电子空穴对）同时原子因失去价电子而带正电。,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,温

6、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：,本征半导体中掺入少量五价元素构成。,简化模型：,自由电子,常温情况下，杂质元素全部电离为自由电子和正离子，正离子在晶格中不能移动，不参与导电。,（杂质电离（多数）和本征激发产生）,（本征激发产生）,1.1.2 杂质半导体：,常温情况下，杂质元素全部电离为空穴和负离子，负离子在晶格中不能移动，不参与导电。,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。,空穴,（杂质电离（多数）和本征激发产生）,（本征激发产生）,杂质半导体中载流子浓度计算,1.1.3 两种导电机理漂移和扩散,载

7、流子在电场作用下的运动运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。,总漂移电流密度：,漂移与漂移电流,电导率：,半导体的电导率,电阻：,电压： V = E l,电流： I = S Jt,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。(扩散电流是半导体区别于导体的特有电流）,扩散电流密度:,扩散与扩散电流,1.2 PN结,多子：,多子：,空穴,少子：,自由电子,少子：,1.2.2PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。,此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,自由电子,空穴,因浓度差,空间电荷区形成内电场, 内电场阻

8、止多子扩散, 内电场促使少子漂移, 而少子漂移可削弱内电场,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区 ,PN结的形成,多子：空穴,多子： 自由电子,少子： 自由电子,少子：空穴,空间电荷区（耗尽层）,注意：掺杂浓度（Na、Nd）越大，内建电位差 VB 越高，阻挡层宽度 l0 越小。 思考：若将PN结用导线连接起来，导线上会有电流产生吗？,内建电位差：,阻挡层宽度：,PN结的基本特性为单向导电性（即正向导通，反向截止）；除了单向导电性外还有反向击穿特性、温度特性、电容特性。,正偏：是正向偏置的简称，正向偏置是指给PN结的P端接电源的“+”极，N端接电源

9、的“-”极的一种接法。而PN结的正偏特性就是给PN结加正偏电压时所表现出的特性。,反偏：是反向偏置的简称，反向偏置是指给PN结的P端接电源的“-”极，N端接电源的“+”极的一种接法。而PN结的反偏特性就是给PN结加反偏电压时所表现出的特性。,1.2.2 PN结的特性：,PN结的单向导电性（即正向导通，反向截止）,1.2.2 PN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

10、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。,1.2.3 PN结的击穿特性,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：Izmin Iz Izmax,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：Izmin CD ，则 Cj CT,PN结总电容： Cj = CT + CD,PN结正偏时，CD CT ，则 Cj CD,故：PN结正偏时，以CD为主。

11、,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。,1.3 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：,适于任一工作状态的通用曲线模型,便于计算机辅助分析的数学模型,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。,1.3.1 晶体二极管的模型,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。,简化电路模型,折线等效：在主要利用

12、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。,小信号电路模型,：为二极管增量结电阻。,（室温）,：PN结串联电阻，数值很小。,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、简化分析法、小信号等效电路法。（重点掌握简化分析法）,写出管外电路直流负载线方程。

13、,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。,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。,简化分析法,即将电路中二极管用简化电路模型代替，利

14、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。,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= 6 12= 18 0V，,VD2=V2(V1)=15V 0V,由于VD2 VD1 ，则D2优先导通。,此时VD1= 6V 2

15、V时，D导通，则vO=vi,vi 2V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：,1.4.1 整流与稳压电路,当u2(t)在正半周时，D导通， uo(t) =u2(t),（1） 单相半波整流电路,输出电压uo的平均值：,当u2(t)在负半周时，D截止， uo(t) =0,可见，效率较低,io,Uo,当u2(t

16、)在正半周时，D1,D3导通， D2,D4截止， uo(t)与 u2(t)正半周波形相同，电流i0从bc,io,当u2(t)在负半周时， D2,D4 导通， D1,D3截止， 电流i0仍从bc ，uo(t)与 u2(t)负半周波形反相。,全波整流,（2）单相桥式整流电路（全波整流）,输出电压uo的直流成分：,同理：Io=0.9U2/RL,（均为半波整流的2倍）,二极管参数要求：,（每个二极管只有半周导通）,1. 符号及稳压特性,稳压二极管及稳压电路,(1) 稳定电压UZ,(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 =UZ /IZ,(3)最大稳定工作电流

17、 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,(4)* 稳定电压温度系数 : 定义为=UZ /T,2. 稳压二极管主要参数,rZ 越小，稳压效果越好,3. 稳压电路,正常稳压时 UO =UZ,(1)稳压 原理,a. 若RL不变而Ui改变,若Ui, U0 (UZ ), IZ , IR , UR , U0,反之，若Ui减小，变化过程相反。,b. 设Ui不变而RL变化,若RL,U0,IZ ,IR ,UR ,U0,反之，若RL减小，变化过程相反,综上，经稳压后U0基本稳定在UZ值,# 稳压条件是什么？,# 不加R可以吗？,# 上述电路Ui为正弦波，且幅值大于UZ ， 能实现稳压吗？,不行。R称为限流电

18、阻，其作用是保证稳压管可靠地工作在反向击穿区。,二、限流电阻的选择,要求：,当电网电压最高、负载电流最小时，IZ 将会最大，但 不应超过Izmax。,2. 当电网电压最低、负载电流最大时，IZ 将会最小，但 不应小于Izmin。,例（不讲）：如上图，U2=10V，C=100F，稳压管的稳压值UZ=6V， Izmin=6mA， Izmax=40mA,若:（1）RL在200600之间变化；（2）电网电压波动为10%。试选择限流电阻R值。,解：,例：,（1）根据如下方框图画出电路原理图,因I0=UZ/RL,故: I0max=6V/200=30mA,I0min=6V/600=10mA,例：如上图，U2=10V，C=100F，稳压管的稳压值UZ=6V， Izmin=6mA， Izmax=40mA,若:（1）