Chp03电子技术电路(模拟部分)康华光版课件_第03章

1、13.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.3 二极管二极管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3 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路23.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 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 本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用 3.1.4 杂质半导体杂质半导体3导体导体( (conductor) )：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金属一般都是导体。属一般都是导体。绝

2、缘体绝缘体( (semiconductor) )：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体半导体(insulator)：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。化物、氧化物等。3.1.1 半导体材料半导体材料43.1.1 半导体材料半导体材料半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：其它物质的特点。例如：

3、当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。电能力明显改变。5 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构GeSi6 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的共价键硅和锗的共价键(covalent bond)结构结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子7 3.1.3 本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用1.1.本征半导体本征半导体(intrinsic or pu

4、re insulator)硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：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。8 3.1.3 本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用2. .载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴(carrier、free electrons and holes)+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子9 3.1.3 本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用3.载流子的产生与复合载流子的产生与复合+4+4+4+4本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。10 3.1.4

5、 杂质半导体杂质半导体1. 1. P 型半导体型半导体+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。11 3.1.4 杂质半导体杂质半导体2. N 型半导体型半导体+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中的载型半导体中的载流子是什么？流子是什么？掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。123.2 P

6、N结的形成及特性结的形成及特性 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 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13 3.2.2 PN 结的形成结的形成P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散扩散(diffusion)的结的结果是使空间电荷区逐果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区渐加宽，空间电荷区越宽。越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移(drift)运动越强，而漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间

7、电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。14 3.2.2 PN 结的形成结的形成漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。15 3.2.2 PN 结的形成结的形成+空间电空间电荷区荷区N型区型区P型区型区电位电位VV016 3.2.3 PN 结的单向导电性结的单向导电性PN结结(PN junction)正向偏置正向偏置+内电场减弱，使扩

8、散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流17 3.2.3 PN 结的单向导电性结的单向导电性PN结结(PN junction)反向偏置反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小， A A级级18 3.2.4 PN 结的反向击穿结的反向击穿 电击穿电击穿 ( (可逆可逆) ) 热击穿热击穿 ( (不可逆不可逆) 击穿击穿雪崩击穿雪崩击穿(avalanche breakdown)

9、:碰撞碰撞, ,载流子载流子倍增效应。倍增效应。齐纳击穿齐纳击穿(zener breakdown): :局部电场增强局部电场增强, ,分离。分离。整流二极管整流二极管 雪崩击穿雪崩击穿( (多数多数) )稳压二极管稳压二极管 齐纳击穿齐纳击穿( (多数多数) )击穿击穿19 3.2.5 PN 结的电容效应结的电容效应PN结的两种电容效应：结的两种电容效应：扩散电容扩散电容CD和和势垒电容势垒电容CBPN结处于正向偏置时，多子的扩散导致在结处于正向偏置时，多子的扩散导致在P区（区（N区）靠近区）靠近结的边缘有高于正常情况的电子（空穴）浓度，这种超量的结的边缘有高于正常情况的电子（空穴）浓度，这种

10、超量的浓度可视为电荷存储到浓度可视为电荷存储到PN结的邻域结的邻域PN结的电容效应直接影响半导体器件的高频和开关性能结的电容效应直接影响半导体器件的高频和开关性能1. 扩散电容扩散电容20 3.2.5 PN 结的电容效应结的电容效应+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL法）法）(FddDDQvQC PN结反向偏置时，载流子数结反向偏置时，载流子数目很少，扩散电容可忽略目很少，扩散电容可忽略+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL1. 扩散电容扩散电容21 3.2.5

11、 PN 结的电容效应结的电容效应势垒区是积累空间电荷的区势垒区是积累空间电荷的区域，当域，当反向偏置反向偏置电压电压变化变化时，时，就会引起积累在势垒区的空就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化间电荷的变化2. 势垒电容势垒电容类似于平板电容器两极板上电荷的变化类似于平板电容器两极板上电荷的变化22 3.2.5 PN 结的电容效应结的电容效应PN结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映，在高频结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映，在高频运用时，须考虑运用时，须考虑PN结电容的影响结电容的影响PN结电容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关。正偏结电容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关

12、。正偏时，结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时，结电容时，结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时，结电容较小（主要决定于势垒电容）较小（主要决定于势垒电容）233.3 二极管二极管 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的参数二极管的参数24 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构半导体二极半导体二极管管(diode insulator)图片图片25 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构半导体二极半导体二极管管(diode insulator)图片图片26 3.3.1 半导体二极管的结构半导

13、体二极管的结构半导体二极半导体二极管管(diode insulator)图片图片27 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型三大类。三大类。(1) 点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检波和变频等高频电路。高频电路。28 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构(2) 面接触型二极管面接

14、触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型29(3) 平面型二极管平面型二极管(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号(symbol)(d) 代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 aanode cathode 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 往往用于集成电路往往用于集成电路制造艺中。制造艺中。PN 结面积结面积可大可小，用于高频整可大可小，用于高频整流和开关电路中。流和开关电路中。30 3.3.2 PN 结的伏安特性结的伏安

15、特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性( (volt-ampere characteristic)曲线的表示式：曲线的表示式：)(/SDD1 TVveIi硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性313.3.3 二极管的参数二极管的参数1. 最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许流过二极管的最大正向二极管长期运行时，允许流过二极管的最大正向平均电流。平均电流。2. 反向击穿电压反向

16、击穿电压VBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压给出的最高反向工作电压约为约为击穿电压的一半。击穿电压的一半。3. 反向电流反向电流 IR 指管子未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管指管子未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。温度的影响，温度越高反向电流越大。322.3.3 二极管的参

17、数二极管的参数4. 二极管的极间电容二极管的极间电容（parasitic capacitance） 二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容势垒电容(barrier（depletion）capacitance)CB和和扩散电扩散电容容(diffusion capacitance)CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是的电容是势垒电容势垒电容。332.3.3 二极

18、管的参数二极管的参数4. 二极管的极间电容二极管的极间电容扩散电容：扩散电容：为了形成正向电流为了形成正向电流（扩散电流），注入（扩散电流），注入P 区的少子区的少子（电子）在（电子）在P 区有浓度差，越靠区有浓度差，越靠近近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P 区有电区有电子的积累。同理，在子的积累。同理，在N区有空穴的区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散多。这样所产生的电容就是扩散电容电容CD。P+-NCB在高频和反向偏置时明显。在高频和反向偏置时明显。 CD在正向在正向偏置时明显。偏置时明显。343.3.3 二极管的参数二极管的

19、参数5. 微变电阻微变电阻 rDiDvDIDVDQ iD vD rD 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工作点作点Q 附近电压的变化与电流附近电压的变化与电流的变化之比：的变化之比：DDDivr 显然，显然，rD是对是对Q附近的微小变化附近的微小变化区域内的电阻。区域内的电阻。353.4 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 3.4.1 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 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法36 3.4.2二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.理想模型（理想模型（ideal dio

20、de)vDiD 当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此模当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此模型作近似分析。型作近似分析。iDvD372.恒压降模型（恒压降模型（offset model) 二极管导通后，认为其压降是恒定的，典型值为二极管导通后，认为其压降是恒定的，典型值为0.7V，只有当二极管的电流大于等于，只有当二极管的电流大于等于1mA时，才是正确时，才是正确的。的。vDiDvDiDVth 3.4.2二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法383.折线模型折线模型(piecewise linear diode model) 认为其压降不是恒定的，而是随着二极管电流的

21、认为其压降不是恒定的，而是随着二极管电流的增加而增加，用一个电池与一个电阻的串联来进一步增加而增加，用一个电池与一个电阻的串联来进一步的近似。的近似。 rD近似为近似为 200。vDiDVth0.5VvDVthrDiD 3.4.2二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法394.小信号模型小信号模型(small signal model) 当二极管在其伏安特性的某一小范围内工作，可当二极管在其伏安特性的某一小范围内工作，可以把伏安特性看出一条直线。以把伏安特性看出一条直线。 小信号模型的微变等效小信号模型的微变等效电阻电阻rd26（mv）/ID。vDiDvD D iD iDvDr

22、D 3.4.2二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法40 应用举例应用举例1. 整流电路整流电路二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零（忽略二极管正向压降），反向电阻为无穷大（忽略二极管正向压降），反向电阻为无穷大DRvOvs+-vsvO41 应用举例应用举例 2. 二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k ）（1）VDD=10V 时时mA 93. 0/ )(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7 . 0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型

23、值）折线模型折线模型V 5 . 0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931. 0DthDDD rRVVI k 2 . 0Dr设设V 69. 0DDthD rIVV（2）VDD=1V 时时（自看）（自看）+ DiDVDD+ DiDVDDVD+ DiDVDDrDVth+ iDVDDvDR42 3. 限幅电路限幅电路 O + D VREF I + R 应用举例应用举例 vO + VREF vI + R D VD vO + VREF vI + R D 有一限幅电路如图所示，有一限幅电路如图所示， R=1k ， VREF=3V,二极管为二极管为硅二极管。分别用理想模型和硅二极管。分别用理

24、想模型和恒压降模型求解一下两问：恒压降模型求解一下两问：（）（）vI=0V、4V、6V时，求时，求相应的输出电压相应的输出电压vO的值；的值；（）当（）当vI=sinwt(V)时，绘时，绘出相应的输出电压波形出相应的输出电压波形43 4. 开关电路开关电路 应用举例应用举例+5VvI1vI2VCC&4.7k vO 5. 低电压稳压电路低电压稳压电路 + D iD VI VO iD vD + D + VI R VI 446. 小信号工作情况分析小信号工作情况分析 应用举例应用举例求求 vD、 iD R=5k VDDD + 5V ID + VD iD vD + D + VDD DSD R=5k vi vi