3二极管及其基本电路 ppt课件

1、3.1 半导体的根本知识半导体的根本知识 3.1.1 半导体资料 3.1.2 半导体的共价键构造 3.1.3 本征半导体 3.1.4 杂质半导体 3.1.1 半导体资料半导体资料 根据物体导电才干根据物体导电才干( (电阻率电阻率) )的不同，来的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体有硅典型的半导体有硅SiSi和锗和锗GeGe以及砷化镓以及砷化镓GaAsGaAs等。等。 3.1.2 半导体的共价键构造半导体的共价键构造硅和锗的原子构造简化模型及晶体构造硅和锗的原子构造简化模型及晶体构造 3.1.3 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体化学成分纯真的半导

2、体。它在物理构化学成分纯真的半导体。它在物理构造上呈单晶体形状。造上呈单晶体形状。空穴空穴共价键中的空位。共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激由热激发而产生的自在电子和发而产生的自在电子和空穴对。空穴对。空穴的挪动空穴的挪动空穴的空穴的运动是靠相邻共价键中运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴的价电子依次充填空穴来实现的。来实现的。由于随机热振动致使共价键被突破而产生空由于随机热振动致使共价键被突破而产生空穴电子对穴电子对 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质

3、主要是三价或五价元素。体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素如磷的半掺入五价杂质元素如磷的半导体。导体。 P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素如硼的半掺入三价杂质元素如硼的半导体。导体。1. N1. N型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只需四个价电子能与周只需四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的价电子构成共价键，而价电子构成共价键，而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易构共

4、价键束缚而很容易构成自在电子。成自在电子。 在在N N型半导体中自在电子是多数载流子，它主要由型半导体中自在电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子杂质原子提供；空穴是少数载流子, , 由热激发构成。由热激发构成。 提供自在电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正提供自在电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。 2. P 2. P型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因三价杂质原因三价杂质原子在与硅原子构成子在与硅原子构成共价键时，短少一共价键时，短少一个价电子而在共价个价电子而在共价键中留下一个

5、空穴。键中留下一个空穴。 在在P P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂构成；自在电子是少数载流子，构成；自在电子是少数载流子， 由热激发构成。由热激发构成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质三价杂质 因此也称为受主杂质。因此也称为受主杂质。 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 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，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一些典型的数据如下: : T=300 K室温下室温下,本征硅

6、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以上三个浓度根本上依次相差以上三个浓度根本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自在电子浓度型半导体中的自在电子浓度: n=51016/cm3 本征半导体、杂质半导本征半导体、杂质半导体体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自在电子、空穴自在电子、空穴 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3.2 PN结的构成及特性结的构成及特性 3

7、.2.2 PN结的构成 3.2.3 PN结的单导游电性 3.2.4 PN结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容效应 3.2.1 载流子的漂移与分散重庆工学院 3.2.1 载流子的漂移与分散载流子的漂移与分散漂移运动：漂移运动： 在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。分散运动：分散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为分散由载流子浓度差引起的载流子的运动称为分散运动。运动。 3.2.2 PN结的构成结的构成 3.2.2 PN结的构成结的构成 在一块本征半导体两侧经过分散不同的杂质在一块本征半导体两侧经过分散不同的杂质, ,分别分别构成构成N N

8、型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半导体和型半导体和P P型半导体的结合面上构成如下物理过程型半导体的结合面上构成如下物理过程: :因浓度差因浓度差 空间电荷区构成内电场空间电荷区构成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子分散内电场阻止多子分散 最后最后, ,多子的分散和少子的漂移到达动态平衡。多子的分散和少子的漂移到达动态平衡。多子的分散运动多子的分散运动 由杂质离子构成空间电荷区由杂质离子构成空间电荷区 对于对于P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层构成的空间电荷区称为子薄层构成的空间电荷区称为P

9、NPN结。结。 在空间电荷区，由于短少多子，所以也在空间电荷区，由于短少多子，所以也称耗尽层。称耗尽层。 3.2.3 PN结的单导游电性结的单导游电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加正区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN (1) PN结加正向电压时结加正向电压时 低电阻低电阻 大的正向分散电流大的正向分散电流 3.2.3 PN结的单导游电性结的单导游电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称

10、为加正向区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (2) PN(2) PN结加反向电压时结加反向电压时 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激在一定的温度条件下，由本征激发决议的少子浓度是一定的，故少子发决议的少子浓度是一定的，故少子构成的漂移电流是恒定的，根本上与构成的漂移电流是恒定的，根本上与所加反向电压的大小无关，这个电流所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。也称为反向饱和电流。 PN PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正结加正向电压时，呈现低电阻，具有

11、较大的正向分散电流；向分散电流； PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单导游电性。结具有单导游电性。 3.2.3 PN结的单导游电性结的单导游电性 (3) PN (3) PN结结V-I V-I 特性表达式：特性表达式：其中其中: :PNPN结的伏安特性结的伏安特性)1e (/SDD TVIivIS IS 反向饱和电反向饱和电流流VT VT 温度的电压当温度的电压当量量且在常温下且在常温下(T=300K(T=300K: :V026. 0 qkTVTmV 26 3.2.4

12、 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PNPN结的反向电压添加结的反向电压添加到一定数值时，反向电流忽然到一定数值时，反向电流忽然快速添加，此景象称为快速添加，此景象称为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 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应(1) (1) 分散电容分散电容CDCD分散电容表示图分散电容表示图 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 (2) (2) 势垒电容势垒电容CBCB3 . 3 半导体二极管半导体二极管 3.3.1 半导体二极管的构造 3.3.2 二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的

13、主要参数3.3.1 半导体二极管的构造半导体二极管的构造 在在PNPN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按构造分有点接触型、面接触型两大类。二极管按构造分有点接触型、面接触型两大类。(1) (1) 点接触型二极管点接触型二极管点接触型二极管构造表示图点接触型二极管构造表示图 PN PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电路。变频等高频电路。a面接触型面接触型 b集成电路中的平面型集成电路中的平面型 c代表符号代表符号 (2) (2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN PN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流

14、整流电路。工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1e (/SDD TVIiv锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V-I V-I 特性特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V-I V-I 特性特性 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IFIF(2) (2) 反向击穿电压反向击穿电压VBRVBR和最大反向任务电压和最大反向任务电压VRMVRM(3) (3) 反向电流反向电流IRIR(4) (4) 正向压降正向压降VFVF

15、(5) (5) 极间电容极间电容CdCdCBCB、 CD CD 二极管长期延续任务时，允许经过二极管长期延续任务时，允许经过的最大正向整流电流的平均值。的最大正向整流电流的平均值。 二极管二极管反向电流急剧添加时对应的反向电压值称为反向击穿电压反向电流急剧添加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBRVBR。为。为平安计，在实践任务时，最大反向任务电压平安计，在实践任务时，最大反向任务电压VRMVRM普通只按反向击穿普通只按反向击穿电压电压VBRVBR的一半计算。的一半计算。 在室温下，在规定的反向电压下，普通是最大反向任务电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流普通在纳安(nA)级；锗二极管在微

16、安(A)级。 在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流程度下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。 是反映二极管中是反映二极管中PNPN结电结电容效应的参数，容效应的参数，Cd=CB+CDCd=CB+CD。在高频或开关形状运用时，。在高频或开关形状运用时，必需思索级间电容的影响。必需思索级间电容的影响。(6) (6) 反向恢复时间反向恢复时间TRRTRR 由于由于PNPN结电容的存在，当二结电容的存在，当二极管外加电压极性翻转时，其原任务形状不能在瞬间完极管外加电压极性翻转时，其原任务形状不能在瞬间完全随之变化。全随之变化。3.4 二极管根本电路及其分

17、析方法二极管根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 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法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 二极管是一种非线性器件，因此其电路普二极管是一种非线性器件，因此其电路普通要采用非线性电路的分析方法，相对来说比通要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法那么较简单，但前提条较复杂，而图解分析法那么较简单，但前提条件是知二极管的件是知二极管的V -I V -I 特性曲线。特性曲线。例例3.4.1 电路如下图，知二极管的电路如下图，知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电阻和电阻R

18、，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD 。 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的直线，称为负载线的直线，称为负载线 Q的坐标值的坐标值VD，ID即为所求。即为所求。Q点称为电路的任务点点称为电路的任务点 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1.1.二极管二极管V-I V-I 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特性的等效模型。管特性的等效模型。)1e (DSD TVIi

19、v1 1理想模型理想模型 a aV-IV-I特性特性 b b代表符号代表符号 c c正向偏置时的电路模型正向偏置时的电路模型 d d反向偏置时的电路模型反向偏置时的电路模型 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1.1.二极管二极管V-I V-I 特性的建模特性的建模2 2恒压降模型恒压降模型aV-I特性特性 b电路模型电路模型 3 3折线模型折线模型aV-I特性特性 b电路模型电路模型 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1.1.二极管二极管V-I V-I 特性的建模特性的建模4 4小信号模型小信号模型vs =0 时时, Q点称为

20、静态任务点点称为静态任务点 ，反映直流时的任务形状。，反映直流时的任务形状。)(11sDDDDvv VRRivs =Vmsin t 时时VmVT 。 aV-I特性特性 b电路模型电路模型 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2 2模型分析法运用举例模型分析法运用举例1 1整流电路整流电路a电路图电路图 bvs和和vo的波形的波形2 2模型分析法运用举例模型分析法运用举例2 2静态任务情况分析静态任务情况分析V, 0DVmA 1/DDD RVI理想模型理想模型R=10k 当当VDD=10V 时，时，mA 93. 0/ )(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7

21、. 0D V硅二极管典型值硅二极管典型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当当VDD=1V 时，时，自学自学a简单二极管电路简单二极管电路 b习惯画法习惯画法 2 2模型分析法运用举例模型分析法运用举例3 3限幅电路限幅电路 电路如图，电路如图，R = 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。

22、的波形。 2 2模型分析法运用举例模型分析法运用举例4 4开关电路开关电路电路如下图，求电路如下图，求AO的电压值的电压值解：先断开解：先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位， 即即O点为点为0V。 那么接那么接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接，接阴极的电位为阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正导游通。接入时正导游通。 导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。2 2模型分析法运用举例模型分析法运用举例6 6小信号任务情况分析小信号任务情况分析图示电路中，图示电路中，VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinwt V。1求输出电压求输出电压vO的交流量和总量；的交流量和总量；2绘出绘出vO的波形。的波形。 直流通路、交流通路、静态、动态直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。