模拟电路第三章

1、3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.3 半导体二极管半导体二极管3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管特殊二极管3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性第三章第三章 二极管及其基本电路二极管及其基本电路 3.1.1 半导体材料半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体本征半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识导体：导体：导电性能良好的物质称为导电性能良好的物质称为导体导体（如金属）（如金属）绝缘体：绝缘体：几乎不导电的物质称为几乎不导电的物质称为绝缘体绝缘体（如橡

2、皮、陶瓷、塑料和石英）（如橡皮、陶瓷、塑料和石英）半导体：半导体：导电性能介于导体和绝缘体导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为之间的物质称为半导体半导体，如，如锗（锗（GeGe）、）、硅（硅（SiSi）、砷化、砷化镓（镓（GaAsGaAs）等。）等。几乎没有可流动的自由电子有大量可以流动的自由电子最常用的半导体材料3.1.1 3.1.1 半导体材料半导体材料通过一定的工艺过程，通过一定的工艺过程，可以将半导体制成可以将半导体制成晶体晶体 （原子有规律的排列）（原子有规律的排列）硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构每个原子每个原子有有4个相个相邻的原子邻的原子3.1.2 3.1.2 半导体的共价键

3、结构半导体的共价键结构最外层电子最外层电子（价电子）（价电子）都是四个都是四个只有外层价电子才可能流动SiGe+4简化为不能流动的部分为4离子(原子核与内层电子)硅和锗的原子结构硅和锗的原子结构每个价电子除了受到本原子核的吸引以外，同时受到相邻原子核的吸引共用电子对共用电子对共价键共价键+4+4+4+4+4+4硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构完全纯净的、结构完整的半导体晶体完全纯净的、结构完整的半导体晶体共价键中的电子同时受到两个原子核的吸引，共价键中的电子同时受到两个原子核的吸引， 一一般情况下不容易挣脱束缚，导电性能差。般情况下不容易挣脱束缚，导电性能差。吸收热、光等能量后，共价键中的

4、电吸收热、光等能量后，共价键中的电子可挣脱原子核的束缚，成为子可挣脱原子核的束缚，成为自由电子自由电子，同时产生一个同时产生一个空穴空穴即共价键中留下即共价键中留下的空位，使导电性能明显改善。的空位，使导电性能明显改善。电子与空穴都可以流动形成电流。电子与空穴都可以流动形成电流。该特性有该特性有何用途；何用途；有何不利有何不利？空穴怎么空穴怎么会流动呢会流动呢？3.1.3 3.1.3 本征半导体本征半导体由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对空穴的移动空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现

5、的。价电子依次填充空穴来实现的。+4+3+4+4+4+41、P 型半导体掺入三价元素（如硼、铟）掺入的三价原子成为受主接受电子邻近的电子落入受主空穴，留下可移动的空穴简化为-不能流动的负离子3.1.4 杂质半导体杂质半导体+4+5+4+4+4+4掺入五价元素（如磷、锑）掺入五价元素（如磷、锑）掺入的五价原子成为施主释放电子施主释放的电子成为可移动的自由电子简化为不能流动的正离子2 2、N N 型半导体型半导体 T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3 2掺

6、杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm33. 3. 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下响，一些典型的数据如下: :P型半导体多子为空穴，型半导体多子为空穴，少子为电子少子为电子N型半导体多子为电子型半导体多子为电子少子为空穴少子为空穴P型半导体带正电荷？N型半导体带负电荷？结论结论半导体掺杂后半导体掺杂后,仅仅产生一种载流子产生一种载流子多子多子，少子少子 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 自由电子、空穴自由电子、空穴

7、N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质本节中的有关概念本节中的有关概念 3.2.2 PN结的形成结的形成 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性漂移运动漂移运动 在电场作用引起的载流子的运动在电场作用引起的载流子的运动扩散运动扩散运动 由载流子浓度差引起的载流子的运动由载流子浓度差引起的载流子的运动3.2.1 3.2.1 载

8、流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散3.2.2 PN3.2.2 PN结的形成结的形成P型与型与N型半导体紧密结合后因载流型半导体紧密结合后因载流子的子的浓度差浓度差导致导致多子多子的的扩散扩散运动运动电子与空穴电子与空穴相遇后相遇后复合复合在交界面附近留下不能移动的正负离在交界面附近留下不能移动的正负离子子,形成形成空间电荷区空间电荷区，并产生，并产生内部电场内部电场内电场内电场将将阻止阻止多子的多子的扩散扩散，而而有利有利于少子的于少子的漂移漂移多子扩散逐步减弱多子扩散逐步减弱少子漂移逐步增强少子漂移逐步增强扩散电流与漂移电流相扩散电流与漂移电流相等，空间电荷区不再变等，空间电荷区不再变化化，

9、形成稳定的形成稳定的PN结结该空间电荷区域没有可移动的载流子，也称为耗尽层耗尽层；对多子的移动形成壁垒（势垒），还可称之为势垒区势垒区。3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性给给PN结两端接上电源（加结两端接上电源（加偏置偏置），外加电压产生），外加电压产生的电场与原来的内电场叠加后，将改变总的电场强的电场与原来的内电场叠加后，将改变总的电场强度，破坏原来的平衡条件，使多子的度，破坏原来的平衡条件，使多子的扩散扩散电流与少电流与少子的子的漂移漂移电流电流不再相等不再相等。电场减小后有利于多子的扩散，可形成较较大的正大的正向电流向电流正偏-平衡状态时的内电场+-+-PN-+外电场总电场(减

10、小)+-+-+1、正向偏置正向偏置电场增加后有利于少子的漂移，只能形成很小的很小的反向电反向电流流反偏平衡状态时的内电场+-+-PN-+外电场总电场(增加)+-+-+2、反向偏置反向偏置在一定的温度条件下，由本征激发产生的在一定的温度条件下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。PN结正偏正偏时，由多子扩散可形成较大较大的正向电流电流,电阻很小，PN结导通PN结反偏反偏时，少子漂移形成的反向电流非常小，电

11、流非常小，电阻很大，PN结截止结论结论PN结具有单向导电性结具有单向导电性 PNPN结的伏安特性结的伏安特性)1e (/SDD TVIivI IS S 反向饱和电流反向饱和电流V VT T 温度的电压当量温度的电压当量常温下（常温下（T T=300K=300K）mVVT26 3、 PN结结V-I 特性表达式特性表达式其中其中当当PNPN结的反向电压增加到一定数值结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现时，反向电流突然快速增加，此现象称为象称为PNPN结的结的反向击穿。反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 电击穿电击穿可逆可逆3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 雪崩击穿雪崩击

12、穿 齐纳击穿齐纳击穿内电场将会直接把价电子从共价键中拉出来内电场将会直接把价电子从共价键中拉出来载流子在运动过程中，与载流子在运动过程中，与半导体的晶体原子发生碰撞半导体的晶体原子发生碰撞(1) (1) 扩散电容扩散电容C CD D扩散电容示意图扩散电容示意图3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应正向电压增加时，扩散到正向电压增加时，扩散到P区的电区的电子浓度和扩散到子浓度和扩散到N区的空穴浓度均区的空穴浓度均上升，积累的电荷量增加上升，积累的电荷量增加当正向电压减小时，扩散到当正向电压减小时，扩散到P区的电子浓度和扩散到区的电子浓度和扩散到N区的空穴浓度均下降，积累的电荷量减少。区的空穴浓

13、度均下降，积累的电荷量减少。 (2) (2) 势垒电容势垒电容C CB B当外加反偏电压增加时，结电场增强，势垒区变宽，当外加反偏电压增加时，结电场增强，势垒区变宽，空间电荷量增加，相当于电容充电；反之，当外加反空间电荷量增加，相当于电容充电；反之，当外加反偏电压变小时，结电场减小，势垒区变窄，空间电荷偏电压变小时，结电场减小，势垒区变窄，空间电荷量减少，相当于电容放电。量减少，相当于电容放电。Cd=CD+CB3.3 半导体二极管半导体二极管以以PN结为核心，加上外壳封装与引线即构成二极管结为核心，加上外壳封装与引线即构成二极管3.3.1半导体二极管的结构半导体二极管的结构阳极阳极引线引线金属

14、金属触丝触丝N型型基片基片阴极阴极引线引线外壳外壳点接触型点接触型特点：特点：PN结面积小结电容小，适合高频承受的电压、电流小特点：特点：PN结面结面积大积大结电容大，不适合高频结电容大，不适合高频承受的电压、电流大承受的电压、电流大PN结N底座阴极引线阳极引线金锑合金铝合金小球面接触型面接触型PN集成电路中的平面型集成电路中的平面型P型衬底NP阳极引线阴极引线二极管符号二极管符号3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性VBR反向击穿电压反向击穿电压死区电压死区电压 硅管约硅管约0.5V锗管约锗管约0.1VVthvDiD电流在较大范围变化时电压变化却很小近似估算近似估算时可认为时可认为导通

15、压降为导通压降为: : 硅管约硅管约 0.60.7V锗锗管约管约 0.20.3V反向电流反向电流很小且基很小且基本不变本不变结论结论1、当正偏电压大于死区电压（约、当正偏电压大于死区电压（约0.5V或或0.1V）时，二极管导通）时，二极管导通导通电压约导通电压约 0.60.7V(Si) 或者或者 0.20.3V(Ge) 2、反偏时，反向电流很小（近似为零）且变化不大、反偏时，反向电流很小（近似为零）且变化不大但该电流会随温度的升高明显增大但该电流会随温度的升高明显增大3、反偏电压超过反向击穿电压时、反偏电压超过反向击穿电压时反向电流急剧增加反向电流急剧增加?有什么危害有什么危害有什么危害有什么

16、危害可以利用吗可以利用吗 ?二极管伏安特性方程二极管伏安特性方程) 1(/TDVvSDeIiqkTVT其中其中KJk/1038. 123波尔兹曼常数波尔兹曼常数T热力学温度（绝对温度）热力学温度（绝对温度）电子电荷量电子电荷量Cq19106 . 1在在常温常温下，下，T300K（约（约25），），VT0.026V=26mV温度的电压当量温度的电压当量IS反向饱和电流反向饱和电流3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数(1) (1) 最大整流电流最大整流电流I IF F(2) (2) 反向击穿电压反向击穿电压V VBRBR(3) (3) 反向电流反向电流I IR R(4)(4)极间电容极间电

17、容C Cd d(5) (5) 反向恢复时间反向恢复时间T TRRRR3.4 二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法二极管为二极管为非线性器件非线性器件，要严格分析其构成的电路非，要严格分析其构成的电路非常困难，为此对其常困难，为此对其V-I 特性进行特性进行合理近似合理近似，用线性，用线性元件构成的模型代替二极管；或者用元件构成的模型代替二极管；或者用图解分析法图解分析法，但前提条件是已知二极管的但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线。特性曲线。3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法例例 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已知二极管的V V-

18、-I I特性曲线、电源特性曲线、电源V VDDDD和电阻和电阻R R，求二极管两端电压，求二极管两端电压v vD D和流过二极管的电流和流过二极管的电流i iD D 。 解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一条斜率为是一条斜率为-1/R的的直线，称为直线，称为负载线负载线 Q Q的坐标值（的坐标值（V VD D，I ID D）即为所求电流电压。）即为所求电流电压。Q Q点称为电路的点称为电路的工作点工作点iDvD理想化3.4.2 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模1、理想模型（理想的开关模型）、理想模型（理想的开关模

19、型）iDvDDiD+ vD -实际伏安特性忽略正向导通电压忽略死区电压忽略反向电流DiD+ vD -理想二极管符号特点特点：正偏即导通，导通电压为零，反偏即截止，电流为零正偏即导通，导通电压为零，反偏即截止，电流为零适用于电源电压远大于正向压降的情况适用于电源电压远大于正向压降的情况2、恒压降模型、恒压降模型理想二极管若为Ge管，该电压为0.3V导通电压变化不大，近似0.7V恒定不变反向电流很小，近似为零iDvD0.7V特点特点：vD0.7V导通导通, 导通电压为导通电压为0.7V不变不变; vD0.7V截止截止, 电流为零电流为零适用于导通电流大于适用于导通电流大于1mA的情况的情况iD+

20、vD -+-0.7VD3、折线模型、折线模型iDvDVthvDVth导通，导通后，电流导通，导通后，电流随电压成线性关系变化随电压成线性关系变化vDVth截止，截止，截止电流为零截止电流为零20015 . 07 . 0mAVVrD特点特点：vDVth导通, 导通电压线性变化; vDVth截止, 电流为零该模型更接近于实际情况1mA0.7V估算rD+ vD -iD+rDVth-4 4、小信号模型、小信号模型)(11sDDDDvv VRRivs =0 时时, Q点称为静态工作点点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。vs =Vmsin t 时（时（VmVT注意注意：模型分

21、析法应用举例模型分析法应用举例+-VDDIDRD+VD-例例电路如图，电路如图，R10k（1）VDD10V（2 ） VDD1V每种情况下，应用理每种情况下，应用理想模型、恒压降模型、想模型、恒压降模型、折线模型求折线模型求ID、VD参考点参考点（公共端）（公共端）表示该点的电位表示该点的电位(与参考点的电压与参考点的电压)为为VDDVDDRD+VD -ID习惯习惯画法画法1、二极管电路静态工作情况分析、二极管电路静态工作情况分析VDDRD+VD -ID解：（1）VDD10V理想模型理想模型：VD=0mARVVIDDDD110/ )010(/ )(恒压降模型恒压降模型：VD=0.7VmARVVI

22、DDDD93. 010/ )7 . 010(/ )(mArRVVIDthDDD933. 0)2 . 010/()5 . 010()/()(折线模型折线模型：Vth=0.5V，rD200 VDDrDVth+VD -ID+-RVkmArIVVDDthD69. 02 . 0913. 05 . 0VDDRD+VD -ID（2）VDD1V理想模型理想模型：VD=0mARVVIDDDD1 . 010/ )01 (/ )(恒压降模型恒压降模型：VD=0.7VmARVVIDDDD03. 010/ )7 . 01 (/ )(mArRVVIDthDDD049. 0)2 . 010/()5 . 01 ()/()(折

23、线模型折线模型：Vth=0.5V，rD200 VkmArIVVDDthD51. 02 . 0049. 05 . 0结论结论折线模型所得结果最接近实际折线模型所得结果最接近实际电源电压远大于二极管压降时，三电源电压远大于二极管压降时，三种模型所得结果差别不大，可以用较种模型所得结果差别不大，可以用较为简单的理想模型或恒压降模型来简为简单的理想模型或恒压降模型来简化计算化计算电源电压与二极管压降相差不大时，电源电压与二极管压降相差不大时，三种模型所得结果差别大，不适合用三种模型所得结果差别大，不适合用理想模型及恒压降模型理想模型及恒压降模型（3 3）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，R =

24、1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当和恒压降模型求解，当vI = 6sin t V时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压vO的波形。的波形。 3、开关电路、开关电路将二极管视为理想的将二极管视为理想的开关开关电路简单时，很容易判断二极管是正偏还是反偏，若电路比较复杂呢？正正偏偏导导通通开关闭合开关闭合电压为零电压为零反反偏偏截截止止开关断开开关断开电流为零电流为零分析方法分析方法假设假设二极管截止截止（断开断开）求二极管两端的电压电压大于零，二极管改变状态改变状态，变为导通，电压为零电压小于零二极管维持维持截止状

25、态例例电路如图所示，试判断二极管电路如图所示，试判断二极管是导通还是截止，并求是导通还是截止，并求VAO，设二极管是理想的。设二极管是理想的。+12VD2D13k+6VAOVAOAOVAO VD2 + VD1 +12V3k+6V解解：假设假设D1、D2截止截止将D1、D2开路VD1=012V 0VD2=012V6V18V 0电流为0，压降为0VD2VD1,D2优先导通VD2=0V,VD1=6v,D1截止VAO= 6V4、低电压稳压电路、低电压稳压电路iDvDVth二极管正向特性近似垂直，具有稳定电压稳定电压的功能：即使电流变化很大，而电压却变化很小利用该特点，可以构成低电压（约0.7V）稳压电

26、路例例vOVIvDiDRD电路如图所示，正常情况下电路如图所示，正常情况下VI10V，R10k若若VI变化变化1V，求硅二极管，求硅二极管的电压（输出电压）如何变化？的电压（输出电压）如何变化？解解： 正常情况下，VI10V 0.7V用恒压模型可得VD0.7VID（100.7）V/ 10k=0.93mA当VI发生VI 1V的变化时vD、iD也要产生相应的变化量vD 、 iDvDVD vD+-D+-RVIVIiD=ID+iD+_采用小信号模型，可以求出变化量采用小信号模型，可以求出变化量vD 、 iDVIvDR+-iDrd2893. 02626DdImVrVVVRrrvIddD331079. 2

27、)1(10102828结论：结论： 当输入输入电压变化1V，即变化变化 10时输出输出电压将变化2.97mV，仅变化了仅变化了 0.42rd越小，稳压性能越好越小，稳压性能越好3.5 特殊二极管特殊二极管3.5.1 稳压二极管稳压二极管（齐纳二极管）（齐纳二极管）反向击穿特性近似垂反向击穿特性近似垂直，电流在很大范围直，电流在很大范围变化时，二极管两端变化时，二极管两端的电压变化很小，利的电压变化很小，利用这个特点，可让二用这个特点，可让二极管极管反向击穿反向击穿达到稳达到稳压的目的。压的目的。反向反向击穿击穿电压电压vDiDVBRvDiDVZIZ+ VZ-IZ稳压管符号稳压管符号vZIZ动态

28、内阻动态内阻ZZIVzrrZ越小，稳压性能越好越小，稳压性能越好注意！注意！一般二极管要一般二极管要避免避免出现出现反向击穿反向击穿，为确保安全，二极管最高反向工作只为确保安全，二极管最高反向工作只有反向击穿电压有反向击穿电压VBR一半一半而稳压二极管而稳压二极管必须必须工作在工作在反向击穿反向击穿状态才能起到状态才能起到稳压的作用，但要注意限制电流不要超过手册上给稳压的作用，但要注意限制电流不要超过手册上给出的最大稳定电流出的最大稳定电流IZM，以防止过热损坏，以防止过热损坏二极管正向导通只能提供约二极管正向导通只能提供约0.7V的稳压值，而不的稳压值，而不同型号的稳压管可以提供各种不同的稳

29、压值。同型号的稳压管可以提供各种不同的稳压值。简单的稳压电路简单的稳压电路IZVi_Vo=VZ_RRLDZIRIL负载负载限流电阻限流电阻tVzViVi随时间变化随时间变化VoVo基本不变基本不变注意注意：Vi必须始终大于必须始终大于Vz？3.5.2 变容二极管变容二极管利用反偏利用反偏PN结的结电容代替普通小电容结的结电容代替普通小电容变容二极变容二极管符号管符号结电容随反偏电压的改变而变化结电容随反偏电压的改变而变化电控的可变电容电控的可变电容应用应用举例举例收音机在调谐（换台）时，要改变一些收音机在调谐（换台）时，要改变一些LC回路的谐振频率。传统的方法是采用机械式回路的谐振频率。传统的方法是采用机械式可变电容（用旋纽），改为变容二极管后，可变电容