半导体二极管南京理工大学模电.ppt

1、模拟电子线路,（南京理工大学 电光学院）,主讲：黄 琳,办公室：基础实验楼210/211 电 话: 84315441 E-mail: ,1. 本课程的性质,是一门技术基础课,2. 研究内容,模拟电子电路,处理模拟信号的电子电路称为模拟电路,什么是模拟信号？,导 言,模拟信号举例：,注：声音信号、速度信号、温度信号等都是模拟信号.,模拟信号：时间连续、数值连续的信号,数字电路：处理数字信号的电子电路,数字信号：一种离散的信号（包括时间离散和幅值离散两种情况）,电子信息系统,D/A 转换,提取出的信号：弱信号、噪声大、易受干扰。,传感器、接收器,预处理：隔离、滤波、阻抗变换、放大。,加 工：运算、

2、转换、比较等。,驱动与执行：功率放大、阻抗匹配、负载驱动。,模拟电路,数字电路,信号 提取,信号的 预处理,信号的 加工,信号的驱 动与执行,A/D 转换,计算机或 其它数字 处理系统,2. 研究内容,电子元器件的工作原理（二极管、三极管和集成运放）,基本单元电路放大器的构成原理及互联,电子电路的分析方法,以器件为基础、以“放大”为主线，以传递“模拟信号”为目的，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。,3. 教学目标,能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。,4. 学习方法,重点掌握基本概念、基本电路的结构、基本分析方法，在此基础上拓展知识面，拓宽思

3、路。 抓住“模电”的几个特点，可以事半功倍：,线性要求和非线性器件的矛盾（概念、分析方法）,器件少、电路多（找出各电路之间的规律，可举一反三）,工程估算,分立是基础、集成是应用,4 集成运算放大电路,2 基本放大电路,1 常用半导体器件,3 多级放大电路,5 放大电路的频率响应,6 放大电路中的反馈,7 信号的运算和处理,8 波形的发生和信号的转换,9 功率放大电路,10 直流电源,课程教学内容简介,* 认真听讲，有问题及时提出* 按时独立完成作业，答题须有解题步骤，一周交一次作业（每周二交） * 认真做好试验，充分利用实验来消化、理解课程的理论内容,要求：,课时安排： 总课时：64 学时 其

4、中： 理论课：56学时 实 验：8学时,课程总成绩组成： 期末考85实验成绩15,考试方式：闭卷,第一章 常用半导体器件,1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 晶体三极管 1.4 场效应管,1.1 半导体基础知识,1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体 1.1.3 PN结,1.1.1 本征半导体,概论 半导体的导电机理,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,一、 概论,1、定义：,半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质,2、半导体的特殊性质,热敏性:半导

5、体受热时，其导电能力增强。,光敏性:半导体光照时，其导电能力增强。,掺杂性:在纯净的半导体材料中，掺杂微量杂质，其导电能力大大增强。（可增加几十万至几百万倍）,制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。,二、半导体的导电机理,本征半导体化学成分纯净的、具有单晶体结构的半导体。,惯性核,原子由带正电荷的原子核和分层围绕原子核运动的 电子组成。其中处于最外层的电子称为价电子，它受原子 核的束缚力最小。 价电子数决定了物质的化学性质。 半导体的导电性质也与价电子数有关。,本征半导体的导电机理,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四

6、个电子为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,这种结构的立体和平面示意图如图所示。,(c),本征半导体的导电机理,当本征半导体处于热力学温度0K和没有外界影响时，它的价电子束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，此时它是良好的绝缘体。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 （动画1-1）,

7、这一现象称为本征激发，也称热激发。,本征半导体的导电机理,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。,自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,（动画1-2）,空穴的移动,空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。为了区别于自由电子的运动，就把价电子的运动虚拟为空穴运动，且运动方向相反。从这个意义上来说，可将空穴看成一个带正电的粒子。,本征半导体中的两种载流子,负电荷载流子,正电荷载流子,自由电子的定向运动形成电子电流,空穴的定向运动形成空穴电流,皆为载流

8、子，所带电量相等,电荷极性相反,运载电荷的粒子称为载流子,载流子的浓度,载流子复合：自由电子与空穴在热运动中相遇，使两者同时消失的现象。,载流子的动态平衡：在一定温度下，单位时间内本征激发所产生的自由电子-空穴对的数目与复合而消失的自由电子-空穴对的数目相等，就达到了载流子的动态平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。,载流子的浓度,当温度一定时，激发和复合会达到动态平衡。 这时，载流子的浓度可用公式表示为：,可见本征载流子浓度和温度有关，温度升高，本征载流子浓度就增加，当温度一定时，对固定的一块半导体材料，本征载流子浓度是一定的。,T为热力学温度,k为玻尔兹曼常数，EG0为热力学零度时破坏

9、共价键所需的能量，K1为与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量,（1）空穴与电子成对出现。,（2）自由电子在晶格中运动，空穴在共价键内运动。,（4）温度升高时，载流子浓度增大，导电能力增强， 因此，本征半导体可以制成热敏元件和光敏元件。,本征激发小结：,（3）温度一定时，激发和复合达到动态平衡。,1.1.2 杂质半导体,N型半导体 P型半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,一、N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。,在N

10、型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由本征激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,(2) P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由本征激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,P型半导体的结构示意图,本征半导体中掺入微量杂质元素构成杂质半导体。,综 上：,在常温下，杂质原子均已电离，载流子浓度就大大增加，,使半导体的导电能力大大提高

11、。,掺杂是提高半导体导电能力的有效方法。,多数载流子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度；,而少数载流子的浓度主要取决于温度。,在杂质半导体中：,2、两种浓度不等的载流子： 多子由掺杂形成（主要取决于掺入的杂质浓度） 少子由热激发形成（主要取决于温度）,N型半导体中，多子为自由电子，少子为空穴；,3、微量掺杂就可形成大量的多子。故杂质半导体导电率高。,4、杂质半导体呈电中性。 在N型半导体中， 自由电子数（掺杂+热激发）=空穴数（热激发）+正离子数在P型半导体中， 空穴数（掺杂+热激发）=自由电子数（热激发）+负离子数,杂质半导体小结：,1、两种杂质半导体： N型本征硅或锗掺微量五价杂质元素 P型本

12、征硅或锗掺微量三价杂质元素,P型半导体中，多子为空穴，少子为自由电子。,PN结的形成,PN结的单向导电性,1.1.3 PN结,PN结的伏安特性及其表达式,PN结的击穿特性及电容效应,1、PN结的形成,PN结的形成过程,（动画1-3）,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:,因浓度差（电子和空穴） 多子的扩散运动由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,在出现了空间电荷区后， 由于正负电荷间的相互作用， 在空间电荷区中形成了一个电场，称为内电场，其方向

13、是 从带正电的N区指向带负电的P区。,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于 P型半导体和N型 半导体结合面， 离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。空间电 荷区也称耗尽层。,PN结的形成过程,扩散运动：由浓度高到浓度低 （多子的运动）,漂移运动：载流子在电场作用下的定向运动（少子的运动）,PN结：稳定后的空间电荷区,2、PN结的单向导电性,PN结加正向电压 时的导电情况,（动画1-4）,a、 PN结加正向电压时的导电情况,外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略

14、漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。,（动画1-4）,PN结加正向电压 时的导电情况,当外加正向电压时：,b、 PN结加反向电压时的导电情况,PN结加反向电压时的导电情况,（动画1-5）,外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内 电场方向相同，加强 了内电场，内电场对 多子扩散运动的阻碍 增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用 下形成的漂移电流大 于扩散电流，可忽略 扩散电流，PN结呈现 高阻性,PN结加反向电压时的导电情况,当外加反向电压时：,（动画1-5）,在一定的温度条件下， 由本征激发决定的少子浓 度是一定的，故少子形成 的漂移电流是恒定的，基 本上与所加反

15、向电压的大 小无关，这个电流也称为 反向饱和电流。,PN结加反向电压时的导电情况,（动画1-5）,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处于导通状态；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流， PN处于截止状态。,结 论：PN结具有单向导电性。,3、PN结的伏安特性及其表达式,根据半导体物理的原理，从理论上可分析得到PN结的伏安特性表达式：,式中IS 在数值上等于反向饱和电流，U为PN结所加端电压，UT =kT/q 称为温度电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV。,PN结的伏安特

16、性,4、 PN结的击穿特性及电容效应,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,(1)PN结的反向击穿,反向击穿类型：,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿：,反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (掺杂浓度高，击穿电压 6 V，负温度系数),雪崩击穿：,反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,(掺杂浓度低，击穿电压 6 V，正温度系数),击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。,势垒电容示意图,电容是电荷在两个极板间的积累效应。,外加电压变化 势垒层宽度变化 积累在势垒层的

17、电荷变化,势垒电容Cb ：当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。,正偏和反偏时都有Cb。,(2) PN结的电容效应,扩散电容示意图,扩散电容Cd：扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。载流子向对方区域的扩散，必须有浓度差，即P(N)区有电荷的积累。,外加电压变化 P(N)区浓度差变化 正偏时才存在Cd。正向电流越大， Cd越大,Cj=Cb+Cd,1.2 半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的几种常见结构,1.2.2 二极管的伏安特性,1.2.3 二极管的主要参数,1.2.4 二极管电路分析

18、,1.2.5 稳压二极管,1.2.6 其它类型二极管,1.2.1 半导体二极管的几种常见结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。,1、点接触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,2、面接触型二极管,PN结面积大，用于工作 频率低，大电流整流电路。,(b)面接触型,二极管符号：,往往用于集成电路制造工 艺中。PN 结面积可大可小，用 于大功率整流和开关电路中。,1.2.2 二极管的伏安特性,处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。,I = f (U),二极管的伏安特性,1、正向特性,硅二极管的死区电压Uth=0.5 V左右， 锗二极

19、管的死区电压Uth=0.2 V左右。,当0UUth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压。,当U0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段：,当UUth时，开始出现正向 电流，并按指数规律增长。,2、反向特性,当U0时，即处于反向特性区域 反向区也分两个区域：,当UBRU0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当UUBR时， 反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,反向

20、电流特点：,1、随温度的上升增长 很快。 2、在反向电压不超过 一定范围时，反向电流 的大小基本恒定，而与 反向电压的高低无关。,二极管长期工 作时，允许通过二 极管的最大正向平均 电流。,1.2.3 二极管的主要参数,半导体二极管的主要参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压UR、反向峰值电流IR等。,1、 最大整流电流IF,2、 反向击穿电压UBR 和最大反向工作电压UR,使器件损坏的参数,使器件的某个特性消失的参数,二极管长期工 作时，允许通过二 极管的最大正向平均 电流。,1.2.3 二极管的主要参数,半导体二极管的主要参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压UBR

21、、最大反向工作电压UR、反向峰值电流IR等。,1、 最大整流电流IF,2、 反向击穿电压UBR 和最大反向工作电压UR,使器件损坏的参数,使器件的某个特性消失的参数,3、 反向峰值电流IR,4、 正向压降UF,在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,5、 最高工作频率fM,fM 值主要取决于PN结结电容的大小。使用时，如果信号频率超过fM ，二极管的单向导电性将变差，甚至不复

22、存在。结电容越大，则二极管允许的最高工作频率越低。,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,1.2.4 二极管的等效电路,二极管的应用范围很广。主要都是利用它的单向导电性。,它可以用于整流、检波、元件保护及在数字电路中作为 开关元件。,非线性元件的认识,（1）线性元件回顾,电阻：元件两端的电压是元件通过的电流的线性函数,（2）线性电阻的伏安特性,即是欧姆定律,数学模型方法 图解分析方法 模型简化方法折线化或其他简化模型 小信号线性化方法,（4）含非线性元件的电路一般分析方法,其本质是对非线性元件伏安特性的模型再构建,1、二极管U- I 特性的建模,设有如右图含二极管的非线性电路，

23、电路分析要解出iD 和vD,(1) 采用数学模型方法，需解非线性方程,由：iD=(VDD-uD)/R,（2）应用图解分析方法,uD 0 时 iD=VDD/R,iD 0 时 uD =VDD,则在两线的交叉点上为所求,（3）应用简化模型方法, 由伏安特性折线化得到的等效电路,(a)理想二极管,(b)正向导通时端电压为常量,(c)正向导通时端电压与电流成线性关系,得Q点处的微变电导,常温下（T=300K）, 小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。,二极管的微变等效电路图,2、 二极管电路分析,例题1：已知：,求 ：,的波形,解：求解这类电路的思路是确定二

24、极管D在信号作用下所 处的状态。,二极管削波（限幅）作用,解：分析此电路的关键是判断二极管是否导通。 判断的方法是将二极管拿开，通过比较两个二极管的正向开路电压 的大小来判断二极管是否导通，正向开路电压大的二极 管抢先导通。,例题2：如图所示电路，输入端A的电位,B的电位,，求输出端F的电位,电阻R接负电压-12V。,由此，二极管A优先导 通。如果二极管的正向 压降是0.3V，则F端的 电压为2.7V。 当二级管A导通后，二 极管B上加的是反向电 压，因而截止。,在这里，二极管A起钳位作用。 它将F端的电压钳在2.7V；二极管B起隔离作用， 把输入端B和输出端F隔离开来。,例3 ：试求电路中电

25、流 I1、I2、IO 和输出电压 UO 的值(二极管采用恒压源模型)。,解：假设二极管断开,UP = 15 V,UP UN,二极管导通,等效为 0.7 V 的恒压源,UO = VDD1 UD(on)= 14.3 (V),IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA),I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA),I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA),3、二极管的应用,（1）单相半波整流电路,电路结构及工作原理,正的半个周期：二极管导通,负的半个周期：二极管截止,正的半个周期：二极管导通,负的半个

26、周期：二极管截止,交流电压,单向脉动电压,（2）单相桥式整流电路,电路结构及工作原理,当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。,在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。,当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。,作业:,P69: 1.3、1.4,硅稳压管及其伏安特性,稳压管的主要参数,1.2.5 稳压二极管,硅稳压管稳压电路,1、硅稳压管及其伏安特性,稳压管是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管。它是应用在反向击穿区的特殊的硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向

27、区、符号和典型应用电路如图所示。,图见下页,稳压管的伏安特性和等效电路,(a)伏安特性,(b)符号和等效电路,从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。,(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 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,2、稳压管的主要参数,(3) 最大耗散功率 PZM ,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= UZ IZ，由 PZM和UZ可以决定IZmax。,(4) 最大稳定工作电流IZmax 和最小稳定工作电流IZmin ,稳压管

28、的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =UZIZmax 。而Izmin对应UZmin。 若IZIZmin则不能稳压。,3、硅稳压管稳压电路,（1）电路结构,它是利用稳压管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。,（2）工作原理,当输入电压变化时如何稳压,输入电压VI的增加，必然引起UO的增加，即UZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使UR增加，从而使输出电压UO减小。这一稳压过程可概括如下：,UIUOUZIZIRURUO,这里UO减小应理解为，由于输入电压UI的增加，在稳压管的调节下，使UO的增加没有那么大而已。UO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。,当负载电流变化时如何稳压,负载电流IL的增加，必然引起IR的增加，即UR增加，从而使UZ=UO减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，UR减小，从而使输出电压UO增加。这一稳压过程可概括如下：,ILIRURUZ（UO）IZIRURUO,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误