模拟电路二极管及其电路PPT学习教案

1、会计学1模拟模拟(mn)电路二极管及其电路电路二极管及其电路第一页，共76页。3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识本征半导体本征半导体导体：自然界中很容易导电的物质导体：自然界中很容易导电的物质(wzh)(wzh)称为导体，称为导体，金属一般都是导体。金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料塑料(slio)(slio)和石英。和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为称为(chn wi)(chn wi)半导体，如锗、硅、砷化镓半

2、导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。 1）导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体第1页/共76页第二页，共76页。半导体的导电机理半导体的导电机理(j l)(j l)不同于其它物质，所不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：以它具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界当受外界(wiji)(wiji)热和光的作用时，它热和光的作用时，它的导电能的导电能 力明显变化。力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力它的导电能力(nngl)(nngl)明显改变。明显改变。第2页/共76页第三页，共76

3、页。 2） 本征半导体本征半导体一、本征半导体的结构一、本征半导体的结构(jigu)特点特点GeSi通过一定的工艺过程，可以通过一定的工艺过程，可以(ky)将半导体制成晶体。将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层外层(wi cn)电子（价电子）都是四个。电子（价电子）都是四个。第3页/共76页第四页，共76页。本征半导体：本征半导体：在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，

4、每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用与其相临的原子之间形成共价键，共用(n yn)一对价电子。一对价电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：完全纯净完全纯净(chnjng)的、结构完整的半导体晶体。的、结构完整的半导体晶体。第4页/共76页第五页，共76页。硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构(jigu)共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示表示(bios(biosh)h)除除去价电去价电子后的子后的原子原子第5页/共76页第六页，共76页。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，

5、称为(chn wi)束缚电子，常温下束缚电子很难脱离束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成八个，构成(guchng)稳定结构。稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成则排列，形成(xngchng)晶体。晶体。+4+4+4+4第6页/共76页第七页，共76页。二、本征半导体的导电二、本征半导体的导电(dodin)(do

6、din)机理机理在绝对在绝对0 0度（度（T=0KT=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时, ,价电价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动运动(yndng)(yndng)的带电粒子（即载流子），它的导的带电粒子（即载流子），它的导电能力为电能力为 0 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个子，同时共价键上留下一个(y )(y )空位，称为空空位，称为空穴。穴。1.

7、1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴第7页/共76页第八页，共76页。+4+4+4+4自由电子自由电子(z yu din z)空穴空穴(kn xu)束缚电子束缚电子第8页/共76页第九页，共76页。2.本征半导体的导电本征半导体的导电(dodin)机理机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近空穴吸引附近(fjn)的电子来填补，这样的电子来填补，这样的结果相当于空穴的的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是因此可以认为空穴是载流子。载流子。本征半导体中存在数量相等本征半导体中存在数量相

8、等(xingdng)的两种载流子，的两种载流子，即自由电子和空穴。即自由电子和空穴。电子空穴对电子空穴对第9页/共76页第十页，共76页。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能能(xngnng)的一个重要的外部因素，这是的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。半导体的一大特点。本征半导体的导电本征半导体的导电(dodin)能力取决于载流子的浓能力取决于载流子的浓度。度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子自由电子(z yu din z)

9、移动产生的电流。移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。第10页/共76页第十一页，共76页。 杂质杂质(zzh)(zzh)半导半导体体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因使半导体的导电性能发生显著变化。其原因(yunyn)(yunyn)是掺杂半导体的某种载流子浓度大大是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。增加。P 型半导体：空穴型半导体：空穴(kn xu)浓度大大增加的杂质半导体，浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴也称为（空穴(kn xu)半导体）。半导体）。N 型半导体：型半导体：自由

10、电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。第11页/共76页第十二页，共76页。一、一、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量在硅或锗晶体中掺入少量(sholing)的五价元素磷的五价元素磷（或锑）（或锑）这样磷原子就成了不能移动这样磷原子就成了不能移动(ydng)的带正电的离子的带正电的离子晶体点阵晶体点阵(jn t din zhn)中的某些半导体原子中的某些半导体原子被杂质取代被杂质取代磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子半导体原子

11、形成共价键，必定多出一个电子这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子每个磷原子给出一个电子，称为每个磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子+4+4+5+4第12页/共76页第十三页，共76页。+4+4+5+4多余多余(duy)电子电子磷原子磷原子(yunz)N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么么(shn me)？1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以

12、，自由电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。自由电子称为子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多多子子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。第13页/共76页第十四页，共76页。二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产

13、生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴(kn xu)硼原子硼原子(yunz)P 型半导体中空穴型半导体中空穴(kn xu)是多子，电子是多子，电子是少子。是少子。第14页/共76页第十五页，共76页。三、杂质三、杂质(zzh)半导体的示意表示法半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成杂质型半导体多子和少子的移动都能形成(xngchng)电

14、流。但由于数量的关系，起导电作电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。第15页/共76页第十六页，共76页。3.2 PN 结结 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P P 型半导体型半导体和和N N 型半导体，经过载流子的移动，在它们型半导体，经过载流子的移动，在它们(t men)(t men)的交界面处就形成了的交界面处就形成了PN PN 结。结。结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)第16页/共76页第十七页，共76页。浓度(nngd)差P型半导体型半导体N型半导体型半导体

15、+扩散扩散(kusn)运运动动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果扩散的结果(ji gu)是是使空间电荷区逐渐加宽使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。复合复合有何种影响？有何种影响？第17页/共76页第十八页，共76页。漂移运动漂移运动P型半导型半导体体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，所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个相当于两个(lin

16、 )区之间没有电荷运动，空间电区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。荷区的厚度固定不变。第18页/共76页第十九页，共76页。+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区电位电位(din (din wi)Vwi)VV0阻挡层阻挡层势垒势垒耗尽层耗尽层第19页/共76页第二十页，共76页。1 1、空间电荷区中没有、空间电荷区中没有(mi yu)(mi yu)载流子。载流子。2 2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴、中的空穴、N N区区 中中的电子（都是多子）向对方的电子（都是多子）向对方(dufng)(dufng)运动运动（扩散运动）。（扩散运动）。3 3、P

17、P 区中的电子和区中的电子和 N N区中的空穴（都是少子区中的空穴（都是少子(sho z)(sho z)），数量有限，因此由它们形），数量有限，因此由它们形成的电流很小。成的电流很小。注意注意: :第20页/共76页第二十一页，共76页。PN结的单向结的单向(dn xin)导电性导电性 PN 结加上正向电压、正向偏置结加上正向电压、正向偏置(pin zh)的意思都是：的意思都是： P 区加正、区加正、N 区加负电压。区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置结加上反向电压、反向偏置(pin zh)的意思都是：的意思都是： P区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。第21页/共76页第二十

18、二页，共76页。+RE一、一、PN PN 结正向结正向(zhn xin)(zhn xin)偏置偏置内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成的扩散加强能够形成(xngchng)较大的扩较大的扩散电流。散电流。PN结导通，电阻(dinz)小第22页/共76页第二十三页，共76页。二、二、PN PN 结反向结反向(fn (fn xin)xin)偏置偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子的扩散受抑制。少子漂移子漂移(pio y)加强加强，但少子数量有限，但少子数量有限，只能形成较小的反

19、向只能形成较小的反向电流。电流。REPN结截止(jizh)，电阻大第23页/共76页第二十四页，共76页。图311 PN结的伏安(f n)特性 第24页/共76页第二十五页，共76页。图311 PN结的伏安(f n)特性 (3-2-3) 1(/TDVSDveIi第25页/共76页第二十六页，共76页。图311 PN结的伏安(f n)特性 第26页/共76页第二十七页，共76页。当反向(fn xin)电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴(kn xu)被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴(kn xu)

20、对。碰撞电离碰撞电离倍增效应倍增效应第27页/共76页第二十八页，共76页。反向(fn xin)击穿过程为电击穿，过程可逆。热击穿过程(guchng)不可逆。第28页/共76页第二十九页，共76页。3.3 半导体二极管半导体二极管基本基本(jbn)(jbn)结构结构PN 结加上管壳和引线结加上管壳和引线(ynxin)，就成为半导体二极管。，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN结结面接触面接触(jich)型型PN二极管的电路符号：二极管的电路符号：第29页/共76页第三十页，共76页。第30页/共76页第三十一页，共76页。伏安伏安(f n)(f n)

21、特性特性VI死区电压死区电压(diny) 硅硅管管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向反向(fn xin)击击穿电压穿电压VBR) 1(/TDVSDveIi第31页/共76页第三十二页，共76页。主要参数主要参数1. 最大整流最大整流(zhngli)电流电流 IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均正向平均(pngjn)电流。电流。2. 反向反向(fn xin)击穿电压击穿电压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

22、向导电性被破坏，甚至过热而烧增，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坏。手册上给出的最高反向工作电压V VWRM一般一般是是V VBR的一半。的一半。第32页/共76页第三十三页，共76页。3. 反向反向(fn xin)电流电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子流。反向电流大，说明管子(gun zi)的单的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向越大。硅

23、管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个保护等等。下面介绍两个(lin )交流参数。交流参数。第33页/共76页第三十四页，共76页。二极管的等效电路二极管的等效电路 1）微变电阻）微变电阻(dinz) rDiDvDIDVDQ iD vDrD 是二极管特性曲线上是二极管特性曲线上工作点工作点Q 附近电压附近电压(diny)的变化与电流的变化之比：的变化与电流的

24、变化之比：显然，显然，rD是对是对Q附近的微小附近的微小(wixio)变化区域内的电变化区域内的电阻。阻。第34页/共76页第三十五页，共76页。第35页/共76页第三十六页，共76页。2） 二极管的极间电容二极管的极间电容二极管的两极之间有电容二极管的两极之间有电容(dinrng)(dinrng)，此电容，此电容(dinrng)(dinrng)由两部分组成：势垒电容由两部分组成：势垒电容(dinrng)CB(dinrng)CB和扩和扩散电容散电容(dinrng)CD(dinrng)CD。势垒电容势垒电容(dinrng)：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压

25、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，这样所表现出的电容的电容(dinrng)是势垒电容是势垒电容(dinrng)。扩散电容：为了形成正向扩散电容：为了形成正向(zhn (zhn xin)xin)电流（扩散电流），注入电流（扩散电流），注入P P 区的少子（电子）在区的少子（电子）在P P 区有浓度差，区有浓度差，越靠近越靠近PNPN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P P 区有区有电子的积累。同理，在电子的积累。同理，在N N区有空穴的区有空穴的积累。正向积累。正向(zhn xin)(zhn xin)电流大，电流大，积累的电荷多。

26、这样所产生的电容积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容就是扩散电容CDCD。P+-N第36页/共76页第三十七页，共76页。CB在正向和反向在正向和反向(fn xin)偏置时均不能忽略。而反偏置时均不能忽略。而反向向(fn xin)偏置时，由于载流子数目很少，扩散电偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。容可忽略。PN结高频结高频(o pn)小信号时的等效电路：小信号时的等效电路：势垒电容势垒电容(dinrng)和扩散和扩散电容电容(dinrng)的的综合效应综合效应rd第37页/共76页第三十八页，共76页。下面我们将依据二极管的实际工作条件，引出工程上便于分析的二极管模型。3.4

27、3.4 二极管基本二极管基本(jbn)(jbn)电路及其分析电路及其分析方法方法第38页/共76页第三十九页，共76页。第39页/共76页第四十页，共76页。vDiDo二极管理想(lxing)模型理想(lxing)二极管vD0vDVDvDVthvDVthvDiDoVth12VthrD理想(lxing)二极管二极管死区电压(diny)第42页/共76页第四十三页，共76页。输入、输出波形见图317(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。第43页/共76页第四十四页，共76页。 图317二极管半波整流电路及波形(a)电路； (b)输入、输出(shch)波形关系 判断原则(yun

28、z)：断开二极管，判断二极管两端电压tvo0tvi0(b)DvivoRL(a)vi0,二极管导通第44页/共76页第四十五页，共76页。实际二极管整流(zhngli)特性1V 1kHz10kHz100kHz1MHz100Hz10Hz500mV导通压降导通压降第45页/共76页第四十六页，共76页。实际(shj)二极管整流特性400mV,1KHz300mV,1KHz第46页/共76页第四十七页，共76页。tttvivRvoRRLvivRvo第47页/共76页第四十八页，共76页。RVDDvD-+DiDVDDvD-+iD简单(jindn)二极管电路习惯(xgun)画法第48页/共76页第四十九页，

29、共76页。vD=0=1mAvD=0.7VvD=0=0.1mAvD=0.7VRVVIDDDDiDVDDvD-+iDVDDvD-+RiDVDDvD-+RVDiDVDDvD-+RrDVth0.5V0.2k理想(lxing)模型恒压降模型(mxng)折线(zhxin)模型VDD=10VVDD=1V第49页/共76页第五十页，共76页。第50页/共76页第五十一页，共76页。 图318二极管上限幅电路(dinl)及波形(a)电路(dinl) (b)输入、输出波形关系(a)DvivoRE2V(b)tvi/V05-52.7V2.7Vtvo/V0-55VD2V第51页/共76页第五十二页，共76页。53实际(

30、shj)二极管限幅特性1.5V 1kHz500mV 1kHz第52页/共76页第五十三页，共76页。三、二极管开关电路三、二极管开关电路 在开关电路中，利用二极管的单向在开关电路中，利用二极管的单向(dn xin)导电性来接通或断开电路，这在数字电路中得到广泛的应用。开关电路的传输特性如图导电性来接通或断开电路，这在数字电路中得到广泛的应用。开关电路的传输特性如图320所示所示 图320二极管开关电路及波形(a)电路； (b)输入(shr)、输出波形关系(a)ttt(b)vo/V03.7v1/V30v2/V300.7D1D2vI1vI2vo4.7kVCC第53页/共76页第五十四页，共76页。

31、D1D2vI1vI2vo4.7kVCCD1D2vI1vI2vo4.7kVCCD1D2vI1vI2vo4.7kVCCD1D2vI1vI2vo4.7kVCCD1D205vo4.7kVCCD1D250vo4.7kVCCD1D255vo4.7kVCCD1D200vo4.7kVCCvo=ovo=VCCvo=ovo=o第54页/共76页第五十五页，共76页。第55页/共76页第五十六页，共76页。第56页/共76页第五十七页，共76页。稳压稳压(wn y)(wn y)二极管二极管 VIIZIZmax VZ IZ稳压稳压(wn y)误差误差曲线曲线(qxin)越陡，电压越稳定。越陡，电压越稳定。+-VZ动态

32、电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳越小，稳压性能越好。压性能越好。第57页/共76页第五十八页，共76页。（4）稳定）稳定(wndng)电流电流IZ、最大、最小稳定、最大、最小稳定(wndng)电电流流Izmax、Izmin。（5）最大允许）最大允许(ynx)功耗功耗稳压稳压(wn y)二极管的参数二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 VZ（2）电压温度系数电压温度系数 V（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻第58页/共76页第五十九页，共76页。稳压二极管的应用稳压二极管的应用(yngyng)举举例例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数稳压管的技术参数:负载电阻负载电阻 。要求当输入电压由正常要求当输入电压由正常值发生值发生20%波动波动(bdng)时，负载电压基本不变。时，负载电压基本不变。解：令输入电压达到上限解：令输入电压达到上限(shngxin)时，流过时，流过稳压管的电流为稳压管的电流为Izmax 。求：求：电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。方程方程1第59页/共76页第