模拟电子技术基础第1章晶体二极管及其基本电路.ppt

1、第1章 晶体二极管及其基本电路,11 半导体物理基础知识 12 PN结及晶体二极管 13 晶体二极管及其基本电路 14 其它二极管简介 ,11 半导体物理基础知识,按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。要理解这些特性，就必须从半导体的原子结构谈起。,按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。目前用来制造电子器件的材料主要是硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等。它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度

2、、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。要理解这些特性，就必须从半导体的原子结构谈起。与价电子密切相关，所以为了突出价电子的作用，我们采用图11所示的简化原子结构模型。,图11原子的简化模型,纯净的单晶半导体称为本征半导体。在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵(称为晶格)。由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。图12是单晶硅或锗的共价键结构平面示意图。共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引

3、，是不能在晶体中自由移动的，所以是束缚电子，不能参与导电。,图12单晶硅和锗的共价键结构示意图,一、半导体中的载流子自由电子和空穴 在绝对零度(-273)时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位，如图13所示。,图13本征激发产生电子和空穴,二、本征载流子浓度 在本征半导体中，由于本征激发，不断地产生电子、空穴对，使载流子浓度增加。与此同时，又会有相反的过程发生。由于正负电荷相吸引，因而，会使电子

4、和空穴在运动过程中相遇。这时电子填入空位成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合。显然，载流子浓度越大，复合的机会就越多。这样在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终会达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。理论分析表明，本征载流子的浓度为,式中ni,pi分别表示电子和空穴的浓度(cm3 )；T为热力学温度(K)；EG0为T=0K时的禁带宽度(硅为1.21eV,锗为0.78eV)；k为玻尔兹曼常数(8.63106 V/K)；A0是与半导体材料有关的常数(硅为3.871016cm-3K-3/2，锗为1.761016cm-3K-

5、3/2)。,(11),112杂质半导体 在本征半导体中，有选择地掺入少量其它元素，会使其导电性能发生显著变化。这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。根据掺入的杂质不同，有N型半导体和P型半导体两种。,一、N型半导体 在本征硅(或锗)中掺入少量的五价元素，如磷、砷、锑等，就得到N型半导体。这时，杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键，而多出一个价电子只能位于共价键之外，如图14所示。,图14N型半导体原子结构示意图,二、P型半导体 在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它

6、的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如图1-5所示。,图15 P型半导体原子结构示意图,三、杂质半导体的载流子浓度 在以上两种杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。 杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。即对N型半导体，多子nn与少子pn有,对P型半导体，多子pp与少子np有,(12a),(12b),(13a),(13b),由以上分析可知，本征半导体通

7、过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，而另一种载流子少。对于多子，通过控制掺杂浓度可严格控制其浓度，而温度变化对其影响很小；对于少子，主要由本征激发决定，因掺杂使其浓度大大减小，但温度变化时，由于ni的变化，会使少子浓度有明显变化。,113半导体中的电流 了解了半导体中的载流子情况之后，我们来讨论它的电流。在半导体中有两种电流。 一、漂移电流 在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。,半导体中有两种载流子电子和空穴，当外加电场时，电子逆电场方向作定向运动，形成电子电流In ，而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电

8、流Ip 。虽然它们运动的方向相反，但是电子带负电，其电流方向与运动方向相反，所以In和Ip的方向是一致的，均为空穴流动的方向。因此，半导体中的总电流为两者之和，即 I=In+Ip 漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。,二、扩散电流 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动，从而形成扩散电流。 半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差(即浓度梯度)。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。反映在浓度分布曲线上(见图16)，即扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率dn(x)/dx(dp(

9、x)/dx)。,图16半导体中载流子的浓度分布,12 PN结及晶体二极管,通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为PN结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。因此，讨论PN结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性。,121 PN结的形成 P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N

10、区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图17(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图17(b)所示。,图17PN结的形成,开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多，空间电荷区展宽，使内电场不断增强，于是漂移运动随之增强，而扩散运动相对减弱。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。这时，虽然扩散和漂移仍在不断进行，但通过界面的净载流子数为零。平衡时，空间电荷区的宽度一定，UB也保持一定，如图17(b)所示。,由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽区(层)。又

11、因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。 实际中，如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结，见图17(b)。如果一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如图1-8(a),(b)所示。,图18不对称PN结,122 PN结的单向导电特性 一、PN结加正向电压 使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏)，如图1-9所,图19 正向偏置的PN结,二、PN结加反向电压 使P区电位低于N区电位的接法，称PN结加反向

12、电压或反向偏置(简称反偏)。由于反向电压与UB的极性一致，因而耗尽区两端的电位差变为UB+U，如图110所示。,图110反向偏置的PN结,三、PN结电流方程 理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为 i=IS(e qu/kT-1)= IS(e u/UT-1) (14) 式中， IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时， UT =26mV。这是一个今后常用的参数。,由式(14)可知，加正向电压时，u只要大于UT几倍以上，iIseu/U-T，即i随u呈指数规律变化；加反向电压时，|u|只要大

13、于UT几倍以上，则iIS(负号表示与正向参考电流方向相反)。因此，式(14)的结果与上述的结论完全一致。由式(14)可画出PN结的伏安特性曲线，如图111所示。图中还画出了反向电压大到一定值时，反向电流突然增大的情况。,123 PN结的击穿特性 由图111看出，当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。,图111 PN结的伏安特性,一、雪崩击穿 在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，

14、会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。,二、齐纳击穿 在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿； UBR 5V时为齐纳击穿； UBR介于57V时，两种击穿都有。,124PN结的电容特性 PN结具有电容效应，它由势垒电容和扩散电容两部分组成。 一、势垒电容 从PN结的结构看，在

15、导电性能较好的P区和N区之间，夹着一层高阻的耗尽区，这与平板电容器相似。当外加电压增大时，多子被推向耗尽区，使正、负离子减少，相当于存贮的电荷量减少；当外加电压减小时，多子被推离耗尽区，使正、负离子增多，相当于存贮的电荷量增加。,因此，耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，用CT表示。经推导，CT可表示为,(15),式中：CT0为外加电压u=0时的CT值，它由PN结的结构、掺杂浓度等决定；UB为内建电位差；n为变容指数，与PN结的制作工艺有关，一般在1/36之间。,二、扩散电容 正向偏置的PN结，由于多子扩散，会形成一种特殊形式的电容效应。下面利用

16、图1-12中P区一侧载流子的浓度分布曲线来说明。,图112 P区少子浓度分布曲线,同理，在N区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化，引起存贮电荷的增加量Qp。这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的特性，就是电容效应，称为扩散电容，用CD表示。 如果引起Qn, Qp的电压变化量为u，则,(16),对PN+结，可以忽略Qp/u项。经理论分析可得,式中：n为P区非平衡电子的平均命；I为PN结电流，由式(14)确定。 由式(15)、(16)可知，CT、CD都随外加电压的变化而变化，所以势垒电容和扩散电容都是非线性电容。 由于CT和CD均等效地并接在PN结上，因而，PN结上的总电容Cj

17、为两者之和，即Cj= CT + CD 。正偏时以CD为主， Cj CD ，其值通常为几十至几百pF；反偏时以CT为主， Cj CT,其值通常为几至几十pF。因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。,125 PN结的温度特性 PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移，如图111中虚线所示。具体变化规律是：保持正向电流不变时，温度每升高1，结电压减小约22.5mV，即 u/T-(22.5)mV/ (17) 温度每升高10，反向饱和电流IS增大一倍。如果温度为T1时， IS =IS1；温度为T2时， IS =IS2，则,(18),当温度

18、升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂浓度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作温度有一个限制，对硅材料约为(150200)，对锗材料约为(75100)。,13 晶体二极管及其基本电路,晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的，其结构示意图和电路符号分别如图1-13(a),(b)所示。符号中，接到P型区的引线称为正极(或阳极)，接到N型区的引线称为负极(或阴极)。,利用PN结的特性，可以制作多种不同功能的晶体二极管，例如普通二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管等。其中，具有单向导电特性的普通二极管应用最广

19、。本节主要讨论普通二极管及其基本应用电路。另外，简要介绍稳压二极管及其稳压电路。,图113 晶体二极管结构示意图及电路符号 (a)结构示意图；(b)电路符号,131二极管特性曲线 普通二极管的典型伏安特性曲线如图114所示。实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N区体电阻以及表面漏电流等影响，其伏安特性与PN结的伏安特性略有差异。由图可以看出，实际二极管的伏安特性有如下特点。,图114 二极管伏安特性曲线,131二极管特性曲线 普通二极管的典型伏安特性曲线如图114所示。实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N区体电阻以及表面漏电流等影响，其伏安特性与PN结的伏安特性略有差异。由图可以看出，实际二

20、极管的伏安特性有如下特点。,一、正向特性 正向电压只有超过某一数值时，才有明显的正向电流。这一电压称为导通电压或死区电压，用UD(on)表示。室温下，硅管的UD(on) =(0.50.6)V，锗管的 UD(on) =(0.10.2)V。 正向特性在小电流时，呈现出指数变化规律，电流较大以后近似按直线上升。这是因为大电流时，P区、N区体电阻和引线接触电阻的作用明显了，使电流、电压近似呈线性关系。,二、反向特性 由于表面漏电流影响，二极管的反向电流要比理想PN结的IS大得多。而且反向电压加大时，反向电流也略有增大。尽管如此，对于小功率二极管，其反向电流仍很小，硅管一般小于0.1A，锗管小于几十微安

21、。 两极管的反向击穿以及温度对二极管特性的影响，均与PN结相同。,132 二极管的主要参数 器件参数是定量描述器件性能质量和安全工作范围的重要数据，是我们合理选择和正确使用器件的依据。参数一般可以从产品手册中查到，也可以通过直接测量得到。下面介绍晶体二极管的主要参数及其意义。 一、直流电阻RD RD定义为：二极管两端所加直流电压UD与流过它的直流电流ID之比，即,RD不是恒定值，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压增大而增大。 RD的几何意义见图115(a)，即Q(ID,UD)点到原点直线斜率的倒数。显然，图中Q1点处的RD小于Q2点处的RD 。,(19),图115二极管电阻的

22、几何意义 (a)直流电阻RD； (b)交流电阻rD,二、交流电阻rD rD定义为：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即,(110),rD的几何意义见图115(b)，即二极管伏安特性曲线上Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。 rD可以通过对式(14)求导得出，即,(111),可见rD与工作电流IDQ成反比，并与温度有关。室温条件下(T=300K): 通过对二极管交、直流电阻的分析可知，由于二极管的非线性伏安特性，所以交、直流电阻均是非线性电阻，即特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，同一点处交流和直流电阻也不相同。,(112),三、最大整流电流IF IF指二

23、极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过此值。 四、最大反向工作电压URM URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压，超过此值容易发生反向击穿。通常取UBR的一半作为URM 。,五、反向电流IR IR指二极管未击穿时的反向电流。 IR越小，单向导电性能越好。IR与温度密切相关，使用时应注意IR的温度条件。 六、最高工作频率fM fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。 需要指出，由于器件参数分散性较大，手册中给出的一般为典型值；必要时应通过实际测量得到准确值。另外，应注意参数的测试条件，当运用条件不同时，应考虑其影响。 ,133

24、晶体二极管模型 对电子线路进行定量分析时，电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效，根据分析手段及要求的不同，器件模型将有所不同。例如，借助计算机辅助分析，则允许模型复杂，以保证分析结果尽可能精确。而在工程分析中，则力求模型简单、实用，以突出电路的功能及主要特性。下面我们将依据二极管的实际工作条件，引出工程上便于分析的二极管模型。,二极管是一种非线性电阻(导)元件，在大信号工作时，其非线性主要表现为单向导电性，而导通后所呈现的非线性往往是次要的。,图116二极管特性的折线近似及电路模型,图116二极管特性的折线近似及电路模型,134二极管基本应用电路 利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限

25、幅及电平选择等功能。 一、二极管整流电路 把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图117(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)， uo =0。其输入、输出波形见图117(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。,图117二极管半波整流电路及波形 (a)电路； (b)输入、输出波形关系,二、二极管限幅电路 限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。限幅电路的传输特性如图118所示 .,图118 限幅

26、电路的传输特性,一个简单的上限幅电路如图119(a)所示。利用图116(c)的二极管模型可知，当uiE+UD(on)=2.7V时，V导通，uo=2.7V，即将ui的最大电压限制在2.7V上；当ui 2.7V时，V截止，二极管支路开路， uo = ui 。图119(b)画出了输入一5V的正弦波时，该电路的输出波形。可见，上限幅电路将输入信号中高出2.7V的部分削平了。,图119二极管上限幅电路及波形 (a)电路； (b)输入、输出波形关系,三、二极管电平选择电路 从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称为电平选择电路。一种二极管低电平选择电路如图120(a)所示。设两路输入信号u1, u

27、2均小于E。表面上看似乎V1,V2都能导通，但实际上若u1 u2 ，则V1导通后将把uo限制在低电平u1上，使V2截止。反之，若u2 u1 ，则V2导通，使V1截止。只有当 u1 = u2时， V1, V2才能都导通。,可见，该电路能选出任意时刻两路信号中的低电平信号。图120(b)画出了当u1, u2为方波时，输出端选出的低电平波形。如果把高于2.3V的电平当作高电平，并作为逻辑1，把低于0.7V的电平当作低电平，并作为逻辑0，由图120(b)可知，输出与输入之间是逻辑与的关系。因此，当输入为数字量时，该电路也称为与门电路。,图120二极管低电平选择电路及波形 (a)电路； (b)输入、输出

28、波形关系,将图120(a)电路中的V1,V2反接，将E改为负值，则变为高电平选择电路。如果输入也为数字量，则该电路就变为或门电路(见习题18)。,135稳压二极管及稳压电路 稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限幅电路之外，主要用于稳压电路。 一、稳压二极管的特性 稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图121所示。由图可见，它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压几乎不变。,图1-21 稳压二极管及其特性曲线 （a)电路符号 （b) 伏安特性曲线,这表明，稳压二极

29、管反向击穿后，能通过调整自身电流实现稳压。 稳压二极管击穿后，电流急剧增大，使管耗相应增大。因此必须对击穿后的电流加以限制，以保证稳压二极管的安全。,二、稳压二极管的主要参数 1.稳定电压UZ UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。由于制作工艺的原因，即使同型号的稳压二极管， UZ的分散性也较大。使用时可通过测量确定其准确值。 2额定功耗PZ PZ是由管子结温限制所限定的参数。 PZ与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过此值。,3稳压电流IZ IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压效果差，大于此值时，稳压效果好。稳定电流的最大值IZmax有一限制，即IZmax =PZ/UZ。工作电流不允许超过此值，否则会烧坏管子。另外，工作电流也有最小值IZmax的限制，小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。,4 动态电阻rZ rZ是稳压二极管在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。反映在特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。 rZ随工作电流增大而减小。 rZ的数值一般为几欧姆到几十欧姆。,5 温度系数 是反映稳定电压值受温度影响的参数，用单位温度变化引起稳压值的相对变