半导体二极管及基本电路

1、.,第一章 半导体二极管及基本电路,模拟电子技术基础,.,第一章 半导体二极管及基本电路,1.1 半导体的基本知识,1.2 PN结的形成及特性,1.3 二极管及伏安特性,1.5 二极管基本电路及分析方法,1.6 特殊二极管,1.4 二极管的等效模型,.,1.1 半导体的基本知识,一、本征半导体,无杂质,稳定的结构,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1、半导体,导电物质可分为：,导体：金属,绝缘体：惰性气体、橡皮、瓷等,半导体：介于以上两者之间，如硅、锗等,半导体的导电特性：,1、半导体导电能力受环境影响很大,（1）受温度：,当温度改变时，其导电能力改变,热敏元件,（2）受光照：,当光照强度

2、改变时，其导电能力改变,光敏元件,2、半导体中掺入杂质，其导电能力大大增强,2、本征半导体（纯半导体）,Si：14个电子,2）8）4,Ge：32个电子,2）8）18）4,价电子数可决定物质化学性质,（1）,.,.,.,（2）晶体结构,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,自由电子,空穴,本征激发产生成对的自由电子和空穴,（3）本征半导体的导电机理,温度愈高或光照越强，晶体中产生的成对的自由电子和空穴便愈多。,自由电子和空穴形成两种载流子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,.,注意： (1)

3、本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,二、N型半导体和 P 型半导体（杂质半导体）,多余电子,磷原子,在本征半导体中掺入微量的5价元素 ，形成N型半导体。,在常温下即可变为自由电子,1、N型半导体,多数载流子：自由电子,少数载流子：空穴,动画,.,2、 P 型半导体,硼原子,空穴,注意：无论N型或P型半导体都是中性的（其正负电荷数相等），对外不显电性、不带电。,在本征半导体中掺入微量的3价元素 ，形成P型半导体。,多数载流子：空穴,少数载流子：自由电子,动画,杂质半导体主要靠多数载流

4、子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,.,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,.,1.2 PN结及单向导电性,一、PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结

5、,形成空间电荷区,1、扩散运动,由于浓度不同，多子运动，形成内电场，阻碍了多子继续扩散。,2、漂移运动,少子在内电场的作用下形成漂移运动。,动画,又称为 耗尽层,.,二、PN结的单向导电性,1、PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,I,外电场克服内电场，使多子不断扩散，形成较大的扩散电流，此时PN结呈现低阻，处于导通状态,动画,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,.,2、PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,动画,PN 结变宽,IS,外电场加强内电场，使多子不能扩散，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反

6、向电流。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,.,PN结的反向击穿,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。,热击穿不可逆,PN结的电流方程,.,3、PN结的电容效应,1.势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容CB。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容CD。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定

7、程度，则失去单向导电性！,.,1.3 半导体二极管及伏安特性,一、基本结构、符号,二极管就是一个PN结。,1、结构：,P区为正（阳）极，N区为负（阴）极,D,2、符号：,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,.,二极管的种类,小功率二极管,大功率二极管,稳压 二极管,发光 二极管,.,晶体二极管的单向导电性,利用二极管的这个特性，可使用二极管进行检波和整流。,单向导电性：,.,二、伏安特性,特点：非线性,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的 电压当量,.,从二极管的伏安特性可以反映出：,2. 伏安特性受温度影响,T()在电流不变情况下管压

8、降u 反向饱和电流 IS，U(BR) ,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,T()正向特性左移，反向特性下移.,1.单向导电性,.,三、二极管的主要参数,.,1.4 二极管的等效模型,将二极管的伏安特性折线化，以简化分析计算。,理想 模型,导通时 UD0截止时IS0,导通时UDUon 截止时IS0,折线模型,应根据不同情况选择不同的等效电路！,恒压降 模型,导通时UDUon+IDrD 截止时IS0,一、二极管直流等效电路,最接近实际模型,.,二极管在直流（静态）基础上叠加一个交流（动态）信号作用时，可将二极管等效为一个电阻，这个电阻称为动态电阻，也就是二极管的微变等效电路。,二、二极管

9、小信号等效电路,也称微变等效电路。,Q越高，rd越小。,ui=0，时直流电源作用,小信号作用,静态电流,静态工作点,微变等效电路用于二极管电路的交流分析。,交流信号,.,1.5 二极管基本电路及分析方法,一、直流分析,1. 二极管的静态工作情况分析,理想模型,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低.,.,恒压降模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,.,电路如图，求：UAB,若考虑管压降， UAB 为6.3（锗管）或6.7V（硅管）,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,

10、分析：,V阳 =6 V V阴 =12 V,V阳V阴 二极管导通,若二极管做理想模型处理，可看作短路，UAB = 6V,二极管开关电路,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通,若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,.,取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,分析：,V1阳 =6 V,共阴极接法：阳极电位高的先导通。,V2阳 V1阳 D2 优先导通， D1截

11、止。,V2阳=0 V,V1阴 = V2阴= 12 V,共阳极接法：阴极电位低的先导通。,.,可看作短路 uo = 8V,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、 元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,可看作开路 uo = ui,当ui 8V时：二极管截止,当ui8V时：二极管导通,.,讨论 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。,如何判断二极管工作状态？,.,1. V2V、5V、10V时二极管中的直流电流各为多少？,V 较小时应实测伏安特性，用图解法求ID。,Q,ID,V5V时，,V=10V时，,uD=V-

12、iDR,二、交流微变等效电路,2. 若输入电压的有效值为5mV，则上述各种情况下二极管中 的交流电流各为多少？,.,(1) V2V，ID2.6mA,(2) V5V，ID 8.6mA,(3) V10V，ID 50mA,在伏安特性上，Q点越高，二极管的动态电阻越小！,.,2. 符号,3. 伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,为使IZIZM，使用时必须要加限流电阻,原理：稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,1. 结构,由一个PN结组成的特殊二极管,一、稳压二极管,1.6 特殊二极管,进入稳压区 的最小电流,不至于损坏的最大电流,.,6、主要参数,稳定电压UZ 稳定电流IZ,最大功耗PZM IZM UZ,动态电阻rzUZ /IZ,正向导通区,反向截止区,稳压工作区,5、三个工作区,4、等效电路：,工程上的稳压管，由UZ和PZM来选择。,.,例：在如图所示的电路中稳压管的稳定电压UZ6V，最小稳定电流IZmin5mA，最大稳定电流IZmax25mA。 （1）分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下输出电压UO的值； （2）若UI35V时负载开路，则会出现什么现象?为什么？,解：（1）当UI10V时， 若UOUZ6V，则稳压管的电流为4mA，小于其最小稳定电流，所以稳压管未击穿。故,当UI15V时，稳压管中