第一章-2极管06.2..ppt

1、1,电 子 线 路,线性部分 (第四版),谢嘉奎 主编,2,序,学生： 教师：赵安 课程位置： 1.电路分析 2.信号系统 3.电子线路（线性） （非-） 4.数字电路 课程特点：实践性强，条理性差，内容杂。 参考书：电子线路（第四版）教学指导书 汪胜宁等著 高教出版社,3,课程内容： 1.器件： 线性器件：电阻、电容、电感。 非：二极管、三极管、场效应管、集成块。 I I 2.电路： 放大器 运算电路 如何学： 预习上课作业实验复习考试 不旷课 及时,4,第一章 晶体二极管,1.1 半导体物理基础知识 1.2 PN结 1.3 晶体二极管电路的分析方法 1.4 晶体二极管的应用 1.5 其它二

2、极管,5,第一章 晶体二极管,思路： 1. 结构、符号 2. 材料：半导体N半导体 P半导体 3. P N结,6,第一章 晶体二极管,特性: 正向导通,反向截止. 单向导电性.,实物图,7,1.1 半导体物理基础知识,自然界物质： (按导电能力分),导体：金属,绝缘体：橡胶,半导体: 导电能力介于导体和绝缘体之间.,半导体:（Semiconductor)： 硅Si、锗Ge、砷化GaAs. 电阻率:10-310-9,8,1.1.1 本征半导体,Si,+14,硅原子模型,原子核,硅原子的简化模型,本征半导体：纯净的半导体 单晶： 晶体内部晶格排列完全一致,惯性核,一.本征半导体,9,本征激发和复合

3、,本征激发：电子挣脱共价键的束缚 形成 电子空穴对 复合：电子跳入空穴 形成 共价键,10,三.热平衡载流子浓度,式中： A: 常数 硅为 3.88 1016cm-3K-3/2 锗为 1.67 1016cm-3K-3/2,K: 玻尔兹曼常数(8.63 10-5eV/V) Eg0: T=0K时的禁带宽度(硅为1.21eV 锗为0.785eV),室温（T=300K）时，求得 :锗 ni =2.4 1013cm-3 硅 ni =1.5 1010cm-3 硅:占原子密度的三万亿分之一,当温度一定时, 本征激发和复合在某一热平衡载流子浓度值上达到动态平衡. 这个热平衡载流子浓度值ni,1.材 料 2.温

4、 度,11,1.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入少量的五价元素而形成的杂质半导体。 如: 磷锑砷 施主杂质 杂质浓度Nd,多子:电子,少子:空穴,一、N型半导体,12,在本征半导体中掺入少量的三价元素而形成的杂质半导体. 如: 硼镓铟 受主杂质 杂质浓度Na,多子:空穴,少子:电子,二、P型半导体,13,热平衡条件: 当温度一定时,两种载流子的热平衡浓度值 的相乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方. n0p0=（ni)2 其中: n0 电子浓度 p0 空穴浓度 ni 本征载流子浓度 电中性条件: 半导体中的正电荷量=负荷电量. N型: n0=Nd+p0 Nd P型: p0 =Na+ n0

5、 Na,三、多子和少子热平衡浓度,14,结论,2. 少量掺杂,载流子显著增加，导电能力增强.,3. 多子浓度近似等于掺杂浓度，与温度无关, 少子浓度随温度升高显著增加. 4. 当温度升高，杂质半导体会变成本征半体.,1. 掺杂后: 多子少子.,15,漂移运动: 半导体在电场作用下产生的定向运动 扩散运动: 半导体在浓度差的作用下产生的定向运动 漂移电流: 载流子在电场作用下作定向运动而形成的电流 载流子的迁移率 扩散电流:载流子在浓度差作用下作定向运动而形成的电流 称为扩散电流. 载流子的扩散系数 D,1.1.3 两种导电机制-漂移和扩散,一.漂移与漂移电流,二.扩散与扩散电流,16,1. 漂

6、移与漂移电流,漂移运动：载流子在电场作用下的运动。 漂移电流：所形成的电流。,漂移电流密度,总漂移电流密度：,17,半导体的电导率,电压： V = E l,电流： I = S Jt,电阻：,电导率：,18,扩散运动：载流子在浓度差作用下的运动。 扩散电流：所形成的电流。,扩散电流密度：,2. 扩散与扩散电流,19,小结,1.本征半导体 （1）本征激发 载流子两种：电子 复合 空穴 （2）扩散、漂移,3. PN结,2.杂质半导体,掺杂 多子 少子 N型半导体：+5价 磷Nd 电子 空穴 施主杂质 P型半导体：+3价 硼Na 空穴 电子 受主杂质,20,1.扩散运动-扩散电流ID 2.漂移运动-漂

7、移电流IT 两者达到动态平衡，形成空间电荷区.,1.2 PN结 1.2.1 动态平衡下的PN结,一、阻挡层形成的物理过程,阻挡层 耗尽区 势垒区,21,PN 结形成的物理过程,22,I,1. 正向特性,23,2. 反向特性,IR,结论：PN 结具有单方向导电特性。,24,二、内建电位差,（1）T=300K VT=26mV,（3）温度上升1，VB下降2.5mV,（2）室温时,锗管 VB 0.2 0.3 V,硅管 VB 0.5 0.7 V,其中：,25,三、阻挡层宽度 与掺杂浓度成反比,掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位差 VB越大， 阻挡层宽度 l0 越小。,26,1.2.2 PN结的伏安特性

8、,1. 正向特性,一、伏安特性,2. 反向特性, 26 mV,导通电压,击穿电压,Si: VD(on)=0.7V Ge: V(on)=0.25V,反向饱和电流,室温时：,27,3. 击穿特性,导通电压,击穿电压,反向饱和电流,28,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。,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,29,二. 温度特性,(1) 温度每升高 10，IS 约增加一倍。,(2) 温度每升高 1，VD(on) 约

9、减小 2.5 mV。,30,势垒电容 CT ：势垒区内空间电荷量随外加电压变化 产生的电容效应。,扩散电容 CD ：,阻挡层外(P 区和 N 区)贮存的非平衡电荷量,随外加电压变化产生的电容效应。,三.电容特性,PN 结总电容： Cj = CT + CD,31,变容二极管,变容二极管的电路符号,变容二极管实物图,发光二极管 光敏二极管,（2） PN 结反偏时，CT CD ，则 Cj CT,PN 结总电容： Cj = CT + CD,（1） PN 结正偏时，CD CT ，则 Cj CD,通常：CD 几十 pF 几千 pF。,通常：CT 几 pF 几十 pF。,32,小结,O,(1) 温度每升高

10、10，IS 约增加一倍。,(2) 温度每升高 1， VD(on) 约减小 2.5 mV。,33,1.3 晶体二极管电路的分析方法,1.3.1 晶体二极管模型,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：,2. 数学模型：便于计算机辅助分析,1. 伏安特性曲线模型：适于任一工作状态,电路分析时采用,3. 电路模型：,34,1. 伏安特性曲线模型：实测得到,（1）当V VD(on) 时：导通,（2）当V VD(on) 时：截止,（3）当V V(BR) 时：击穿,导通电压,击穿电压,Si: VD(on)=0.7V Ge: V(on)=0.2

11、5V,35,2. 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。,36,2,1,3,4,+,VD(on),RD,3.电路模型 (1)直流简化电路模型,D,37,I=IS(eV/VT-1),V=VD(on)+IRD,+,VD(on),伏安特性曲线,折线伏安特性曲线,VD(on),I,V,RD,1/RD,导通电阻,1,2,38,VVD(on) : 导通 VVD(on) : 截止,V0 : 导通 V0 : 截止,VD(on),VD(ON),V,I,V,I,折线伏安特性

12、曲线,理想伏安特性曲线,4,3,39,(4)小信号电路模型,40,小信号电路模型,（1）rs：PN 结串联电阻，数值很小。,（2）rj：为二极管增量结电阻。,（3） Cj：PN 结结电容， 由 CD 和 CT 两部分构成。,其中：,41,1.3.2晶体二极管的分析方法,例1：求二极管两端的电压V、电流I.,1.数学分析法：便于计算机辅助分析,V=VDD-IR,I= f(V) =,联立求解,1,2,42,2. 图解法,1,式，直线,I=0，V=VDD,I=VDD/R，V=0,2,式，D的伏安特性曲线,Q点即为所求值VQ，IQ。,V=VDD-IR,I= f(V) =,1,2,直流负载线,43,VD

13、(on),RD,D,+ -,I=,VDD-VD (on),R+RD,忽略VD(on),= 0,V=VD(on)+IRD,=,VDD-VD (on),R,=,VDD,R,忽略RD,= VD(on),例1：求二极管两端的电压V、电流I.,3.简化电路法,44,例 2 设二极管是理想的，判断二极管是否导通，并求 VAO 值。,解：图(a)，假设 D 开路，则 D 两端电压：,VD = V1 V2 = ( 6 12)V = 18 V 0 V ， 故 D 截止。,VAO = 12 V。,VD1=V2 0 = 9 V 0 V， VD2 = V2 (V1) = 15 V 0 V。,由于 VD2 VD1 ，则

14、 D2 优先导通。,此时VD1= 6 V 0V，故 D1 截止。VAO = V1 = 6 V 。,图(b)，假设 D 开路，则 D 两端电压：,例 3 与门,45,4.交流小信号电路法,例 3 ： 已知： VDD= 10V, R=10k, VDD=sin2100t(V) , V(on)= 0.7V, rs=5, RD=100, 试求: iD， ,D,rj = VT/IQ=26/0.93=30,VDD,VDD,R,D,VDD,R,D,VDD,R,D,VDD,R,rs,rj,I,V,I,V,IQ,VQ,+,+,+,解：,(1) 直流通路:,(2) 交流通路:,(3) 叠加:,iD = IDQ +

15、id,vD = VD(on) +IQRD+vd,46,1.4 晶体二极管的应用,1.4.1 整流与稳压电路,47,一. 整流电路,（1）当 vi 0 V 时，D 导通， 则 vO = vi,（2）当 vi 0 V 时，D 截止， 则 vO = 0 V,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,48,一. 整流电路,1. 半波整流,2. 全波整流,3. 桥式整流,49,例 3设二极管是理想的，vi = 6sint (V)，试画 vo波形。,解：,(1) vi 2 V 时，D 导通，则 vO = vi,(2) vi 2 V 时，D 截止，则 vO = 2V,由此可画出 vO 的波形。,二. 限幅电路 (削波电路）,1. 单限幅电路,50,2. 双限幅电路,（2）V2 vi V1 时，D1、D2 截止，vo = vi,（1） Vi V1 时，D1 导通、D2 截止，vo = V1,（3）Vi V2 时，D2 导通、D1 截止，vo = -V2,由此 ，电路实现双向限幅功能。,其中：V1 为上限幅电平， V2 为下限幅电平。,解：,例 3设二极管是理想的，根据输入vi =Vmsint (V)，画 vo波形。,51,三.稳压电路,(2)