模电02、半导体二极管及其应用电路.ppt

1、模拟电子技术基础,电子教案 V1.0,陈大钦 主编,华中科技大学电信系,2,模拟电子技术基础,第1章 绪论,第2章 半导体二极管及其应用电路,第3章 半导体三极管及其放大电路基础,第4章 多级放大电路及模拟集成电路基础,第5章 信号运算电路,第6章 负反馈放大电路,第7章 信号处理与产生电路,第8章 场效应管及其放大电路,第9章 功率放大电路,第10章 集成运算放大器,第11章 直流电源,2 半导体二极管及其应用电路,2.1 PN结的基本知识,2.2 半导体二极管,2.3 二极管应用电路,2.4 特殊二极管,2 半导体二极管及其应用电路,4,2.1 PN结的基本知识,2.1.1 本征半导体及其

2、导电性,2.1.2 杂质半导体,2.1.3 PN结及其单向导电性,2.1.4 PN结电容,半导体: 导电特性介于导体和绝缘体之间 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,导电的 重要特点,1、其能力容易受环境因素影响（温度、光照等）,2、掺杂可以显著提高导电能力,原子结构 简化模型,5,图2.1.1 本征半导体的共价键结构,2.1.1 本征半导体及其导电性,2.1 PN结的基本知识,1. 本征半导体, 完全纯净、结构完整的半导体晶体。,在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电,原子结构 简化模型,6,温度,光照,自由电子,空穴,本征激发,空穴 共价键中的空位,空穴的移动空穴的运

3、动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,由热激发或光照而产生 自由电子和空穴对。,温度 载流子浓度,2.1.1 本征半导体及其导电性,2.1 PN结的基本知识,2. 本征激发,复合本征激发的逆过程,载流子: 自由移动带电粒子,7,图2.1.3 N型半导体的共价键结构,2.1.2 杂质半导体,2.1 PN结的基本知识,图2.1.4 P型半导体的共价键结构,1. N型半导体,掺入少量的五价元素磷P,2. P型半导体,掺入少量的三价元素硼B,自由电子是多数载流子（简称多子） 空穴是少数载流子（简称少子）,空穴是多数载流子 自由电子为少数载流子。,空间电荷,8,掺入杂 质对本征半导体的导电性

4、有很大 的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,杂质对半导体导电性的影响,9,本征半导体、本征激发,本节中的有关概念,自由电子 空穴,N型半导体、施主杂质(5价) P型半导体、受主杂质(3价),多数载流子、少数载流子,杂质半导体,复合,*半导体导电特点1： 其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度载流子浓度导电能力,*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力,10,1. 浓度差多子的扩散运动,2. 扩散空间电荷区内电场,3. 内电场少子的漂移运动 阻止多子的扩散,4、扩散与漂移达到动态平衡,载流子的运动：,扩散运动浓度差产生的载流子移动,漂移运动在电场作

5、用下，载流子的移动,P区,N区,形成过程可分成4步 (动画),2.1.3 PN结及其单向导电性,1. PN结的形成,11,PN结形成的物理过程：,因浓度差 ,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,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,杂质离子形成空间电荷区 ,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。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,12,2. PN结的单向导电性,只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将,定义：,加正向电压，简称正偏,加反向电压，简称反偏,扩散 漂移 大的正向扩散电流（多子） 低电阻

6、 正向导通,漂移 扩散 很小的反向漂移电流（少子） 高电阻 反向截止,13,图2.1.6 外加正向电压时的PN结 图2.1.7 外加反向电压时的PN结,2. PN结的单向导电性,2.1.3 PN结及其单向导电性,14,图2.1.8 PN结伏安特性,3. PN结的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性,倍增效应,雪崩击穿,齐纳击穿,2.1.3 PN结及其单向导电性,15,图2.1.10 扩散电容效应,(1) 势垒电容CB,(2) 扩散电容CD,2.1.4 PN结电容,2.1 PN结的基本知识,用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而变化的电容效应,多数载流子的扩散运动是形成扩散电容的主要因素

7、,图2.1.9 势垒电容与外加电压关系,16,2.2 半导体二极管,2.2.1 二极管的结构,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2.3 二极管的主要参数,2.2.4 二极管模型,PN结加上引线和封装 二极管,按结构分类,点接触型,面接触型,平面型,17,点接触型,面接触型,平面型,2.2.1 二极管的结构,18,图2.2.2 硅二极管的2CP10的伏安特性 图2.2.3 锗二极管2AP15的伏安特性,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2 半导体二极管,正向特性,反向特性,反向击穿特性,Vth = 0.5V（硅） Vth = 0.1V（锗）,注 意,1. 死区电压（门坎电压）,2. 反向饱和电流

8、 硅：0.1A；锗：10A,3. PN结方程（近似）,19,图2.2.4 温度对二极管特性曲线的影响示意图,温度对二极管特性的影响,20,1. 最大整流电流IF,2. 最高反向工作电压VRM,3. 反向电流IR,4. 极间电容Cd,5. 最高工作频率fM,2.2.3 二极管的主要参数,2.2 半导体二极管,图2.2.3 锗二极管2AP15的伏安特性,21,图2.2.5 理想模型 （a）伏安特性曲线 （b）代表符号 （c）正向偏置时的电路模型 （d）反向偏置时的电路模型,2.2.4 二极管模型,2.2 半导体二极管,22,图2.2.6 恒压降模型 图2.2.7 折线模型 (a) 伏安特性曲线 (

9、b) 代表符号 (a) 伏安特性曲线 (b) 代表符号,23,图2.2.8 小信号模型 (a) 伏安特性曲线 (b) 代表符号,24,2.3 二极管应用电路,2.3.1 整流电路,2.3.2 限幅电路,2.3.3 钳位电路,25,2.3.1 整流电路,（a） （b） 图2.3.1 单向半波整流电路 （a）电路图 （b）vI和vO的波形,2.3 二极管应用电路,26,（a） （b） 图2.3.2 单向全整流电路 （a）电路图 （b）v2和vo的波形,27,（a） （b） （c） 图2.3.3 二极管限幅电路（a）电路图 （b）viVB时的等效电路 （c）viVB时的等效电路,2.3.2 限幅电路,2.3 二极管应用电路,28,图2.3.4 二极管限幅电路波形图,29,图2.3.5 二极管钳位电路(a）电路图 （b）输入电压波形 （c）电容两端电压波形 （d）输出电压波形,(a),(c),2.3.3 钳位电路,2.3 二极管应用电路,30,2.4 特殊二极管,2.4.1 稳压二极管,2.4.2 光电二极管,2.4.3 发光二极管,2.4.4 激光二极管,31,1. 稳压管及其稳压作用,2. 稳压管的主要参数,(1) 稳定电压VZ,(2) 稳定电流IZ,(3) 动态电阻rZ,（a） （b） 图2.4.1 稳压管电路符号与伏安特性（a）电路符号 （b）伏安特性,(4) 额定功耗P