信号与系统第1章晶体二极管

1、第 1 章晶体二极管,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,半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。,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,本征激发,共价键具有很强的结合力。 当 t = 0 k(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

2、区别于导体的重要特征。,本征激发。,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,复合过程,温度一定时： 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：,1.1.2杂质半导体,简化模型：,本征半导体中掺入少量五价元素构成。,磷、锑或砷等,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。,硼、镓或铝等,

3、杂质半导体中载流浓度计算,例：一块本征硅片中掺入五价元素砷，浓度为nd81014cm3。试求室温300k时的自由电子和空穴的热平衡浓度值。 由于ni=1.51010 cm3 故多子自由电子浓度n0,nd81014cm3,少子空穴浓度,在上例中，当温度分别升高到400k和500k时，试求自由电子和空穴的热平衡浓度值。,在400k时，,ni7.591012cm3,在500k时，,ni3.531014cm3,例：一块本征硅片,先掺入五价元素砷，浓度为nd81016cm3，为n型半导体，再掺入浓度为 的三价硼原子，试问它为何种杂质半导体，并求室温时的多子和少子的热平衡浓度值。,51017cm3,1.1

4、.3两种导电机理漂移和扩散,漂移与漂移电流,载流子在电场作用下的运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。,总漂移电流密度：,半导体的电导率,电压： v = e l,电流： i = s jt,电阻：,电导率：,假设足够强度的光均匀地照射在半导体上，半导体的热平衡条件受到破坏，由光照产生的载流子将叠加在热平衡浓度值上。常将它们称为非平衡载流子，其浓度值分别用 表示，且两者相等。,则半导体的导电率为：,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。,扩散电流密度：,扩散与扩散电流,1.2pn 结,利用掺杂工艺，把 p 型半导体和 n 型半导体在原子级上紧密结合，p 区与 n 区的交界

5、面就形成了 pn 结。,n 型,pn 结,1.2.1动态平衡下的 pn 结,阻止多子扩散,利于少子漂移,pn 结形成的物理过程,内建电位差：,阻挡层宽度：,注意：阻挡层任一侧宽度与该侧掺杂浓度成反比。 阻挡层宽度受内建电位差、掺杂浓度、温度变化的影响。,注意：温度每升高1度， vb约减小2.5mv。,1.2.2pn 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

6、安特性曲线,温度每升高 10，is 约增加一倍。,温度每升高 1， von 约减小 2.5 mv。,o,1.2.3pn 结的击穿特性,o,1.2.4pn 结的温度特性,pn结伏安特性的温度特性 温度每升高10度，is约增加一倍； pn结正向电流随温度升高而略有增大。,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,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)。,1.2.5pn 结的电容特性,势垒区内空间电荷量随外加电压变化

7、产生的电容效应。,势垒电容 ct (增量电容，非恒值),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。,pn 结电容,pn 结反偏时，ct 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。,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。,1.2.6pn 结的开关特性,理想开关特性 开关闭合，接通电阻为0；开关断开，关断电阻趋于无穷，且通断之间的切换是瞬间完成的。 若忽略pn结的导通电

8、压和反向饱和电流影响，pn结具有理想开关的特性。 开关特性的非理想性 导通电压、导通后的电阻特性、 反向饱和电流、导通与截止之间的 转换时间。 开关二极管参数 最大正向电流、最大反向工作电压等。,1.3晶体二极管电路的分析方法,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：,便于计算机辅助分析的数学模型,适于任一工作状态的通用曲线模型,1.3.1晶体二极管模型,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。,

9、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。,等效电路模型,折线等效：在主要利用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。,大信号模型,小信号电路模型,rs：pn 结串联电阻，数值很小。,rj：为二极管增量结电阻。,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

10、 旁路作用而变差。,图解法,分析二极管电路主要采用：图解法、等效电路法。,写出管外电路负载线方程；,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：,作负载线；,在伏安特性曲线上分析工作点。,优点：直观。,例 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

11、i = vdd / r；,所得交点(vq , iq)，即为 q 点。,若上例存在增量电压源 时，在 的作用下，管外电路方程为,相应的负载线是一组斜率为1/r且随wt的变化而平行移动的直线。 图解法的交流分析,等效电路法,即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。,将截止的二极管开路，导通的二极管用等效电路 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 v 0，则管子导通；反之截止。,实际二极管：若 v vd(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

12、 优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。,例 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 = v1 v2 = ( 6 12)v = 18 v 0 v，,解：,故 d 截止。,vao = 12 v。,图(b)，假设 d1、d2 开路，则 d 两端电压：,vd1=v2 0 = 9 v 0 v，,vd2 = v2 (v1) = 15 v 0 v。,由于 vd2 vd1 ，则 d2 优先导通。,此时 vd1 = 6 v 0 v，,故 d1 截止。,vao = v1 = 6 v 。,(2)画输出信号波形方法,根据输入信号大小 判断二极管的导通与截止 找出 v

13、o 与 vi 关系 画输出信号波形。,例 设二极管是理想的，vi = 6sint (v)，试画 vo波形。,解：,vi 2 v 时，d 导通，则 vo = vi,vi 2 v 时，d 截止，则 vo = 2 v,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：,整流电路,1.4.1整流与稳压电路,当 vi 0 v 时，d 导通，则 vo = vi,当 vi 0 v 时，d 截止，则 vo = 0 v,由此，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,稳压电路,某原因 vo iz i ,限流电阻 r：保证稳压管工作在 izmin izmax 之间,稳压原理：,vo = vz,输出电压：,符号 大信号模型 小信号模型,+ -,vz,rz,1.4.2限幅和钳位电路,v2 vi v1 时，d1、d2 截止，vo = vi,vi v1 时，d1 导通、d2 截止，vo = v1,vi v2 时，d2 导通、d1 截止，vo =