模拟电子技术第五第二章半导体二极管及基本电路

1、2.1 半导体的基本知识 半导体材料 半导体的共价键结构 本征半导体 杂质半导体第一页，共五十二页。 2.1.1 半导体材料导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，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、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。第二页，共五十二页。 半导体的导电机理半导体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： 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。 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。第三页，共五十二页。 2.1.

2、3 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴共价键中的空位。电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对第四页，共五十二页。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能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。第五页，共五十二页。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

3、生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。2.1.4 杂质半导体第六页，共五十二页。 1. N型半导体 2.1.4 杂质半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由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。第七页，共五十二

4、页。 2. P型半导体 2.1.4 杂质半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。第八页，共五十二页。N型半导体P型半导体+杂质半导体的示意图多子电子少子空穴多子空穴少子电子少子浓度与温度有关，与掺杂无关多子浓度与温度无关，与掺杂有关 2.1.4 杂质半导体第九页，共五十二页。 本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂

5、质、受主杂质第十页，共五十二页。2.2 PN结的形成及特性 PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的反向击穿 PN结的电容效应 载流子的漂移与扩散第十一页，共五十二页。 2.2.1 载流子的漂移与扩散漂移运动： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。第十二页，共五十二页。P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间

6、电荷区，也称耗尽层。第十三页，共五十二页。漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。第十四页，共五十二页。+空间电荷区N型区P型区电位VV0第十五页，共五十二页。1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:第十六页，共五十二页。 2.2.3 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反

7、之称为加反向电压，简称反偏。 (1) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区REW外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场耗尽层变窄扩散运动漂移运动多子扩散形成大的正向电流I F （低电阻）正向电流第十七页，共五十二页。 2.2.3 PN结的单向导电性(2) 加反向电压（反偏）电源正极接N区，负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场耗尽层变宽漂移运动扩散运动少子漂移形成很小的反向电流I R（高电阻）PN在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。 第十八页，共五十二页。PN结加正向电压

8、时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；导通PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。截止结论：PN结具有单向导电性。总 结第十九页，共五十二页。2.3 半导体二极管 半导体二极管的结构 二极管的伏安特性 二极管的主要参数第二十页，共五十二页。2.3.1 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。 二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。PN二极管的电路符号：第二十一页，共五十二页。（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号 (2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工

9、频大电流整流电路。(b)面接触型第二十二页，共五十二页。常见的半导体二极管第二十三页，共五十二页。半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge， C为N型Si， D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。第二十四页，共五十二页。UI死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向击穿电压UBR 2.3.2 二极管的伏安特性第二十五页，共五十二页。 2.3.3 二极管的主要参数1. IF 最大整流电流(最大

10、正向平均电流)2. UR 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 3. IR 反向电流(越小单向导电性越好)4. fM 最高工作频率(超过单向导电性变差)iDuDV (BR)I FURMO影响工作频率的原因 PN 结的电容效应结论：1.低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。 高频时，因容抗小，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。第二十六页，共五十二页。2.4 二极管基本电路及其分析方法2.4.1 简单二极管电路的图解分析方法 二极管电路的简化模型分析方法第二十七页，共五十二页。2.4.1 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，因而其电路

11、一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线。第二十八页，共五十二页。解：由电路的KVL方程，可得 即 是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线 Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点例2.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。 第二十九页，共五十二页。 2.4.2 二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I 特性的建模（1）理想模型 （a）V-I特性 （b）代表符号 （c）正向偏置时的电路模型 （d）反向偏置时的电路模型适用条件：

12、电源电压远大于二极管的管压降第三十页，共五十二页。 2.4.2 二极管电路的简化模型分析方法（2）恒压降模型（a）V-I特性 （b）电路模型 适用条件：二极管电流iD远大于1mA,应用较广。正偏导通，管压降是恒定的0.7V第三十一页，共五十二页。（3）折线模型（a）V-I特性 （b）电路模型 适用条件：电源电压比较低的时候，折线模型适合。1、折线模型中管压降不是恒定的，而是随着通过二极管的电流的增加而增加2、折线模型中电池电压为二极管门槛电压VTH=0.5V3、电阻rD设定：当二极管导通电流为1mA时，管压降为0.7V。电阻rD =(0.7V-0.5V)/1mA=200第三十二页，共五十二页。

13、 2.4.2 二极管电路的简化模型分析方法2模型分析法应用举例（1）整流电路（a）电路图 （b）vs和vo的波形第三十三页，共五十二页。u20 时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A D1RLD3Bu20 时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:B D2RLD4A输出是脉动的直流电压！u2桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoAB第三十四页，共五十二页。2模型分析法应用举例（2）静态工作情况分析理想模型（R=10k） 当VDD=10V 时，恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设（a）简单二极管电路 （b）习惯画法

14、第三十五页，共五十二页。 当输入信号电压在一定范围内变化时, 输出电压随输入电压相应变化； 而当输入电压超出该范围时, 输出电压保持不变, 这就是限幅电路。 通常将输出电压uo开始不变的电压值称为限幅电平, 当输入电压高于限幅电平时, 输出电压保持不变的限幅称为上限幅；当输入电压低于限幅电平时, 输出电压保持不变的限幅称为下限幅。2模型分析法应用举例（3）限幅电路第三十六页，共五十二页。2模型分析法应用举例（3）限幅电路 电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI = 6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。 第三十七页，共五十

15、二页。2模型分析法应用举例（4）开关电路电路如图所示，求AO的电压值解： 先断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。 则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。第三十八页，共五十二页。UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。2.5 特殊二极管 齐纳二极管(稳压二极管)1.符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。 UZ=8V， rz最小，稳压管的稳定性最好第三十九页

16、，共五十二页。(1) 稳定电压VZ(2) 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ =VZ /IZ(3)最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数VZ2. 稳压二极管主要参数2.5.1 齐纳二极管第四十页，共五十二页。 1. 稳定电压Uz 稳定电压是稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。由于稳定电压随着工作电流的不同而略有变化, 因而测试Uz时应使稳压管的电流为规定值。稳定电压是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。不同型号的稳压管, 其稳定电压值不同。同一型号的管子, 由于制造工艺的分散性, 各

17、个管子的值也有差别。例如稳压管DW7C, 其.1.V, 表明均为合格产品, 其稳定值有的管子是.V, 有的可能是.V等等, 但这并不意味着同一个管子的稳定电压的变化范围有如此大。 第四十一页，共五十二页。 2. 动态电阻rz 是稳压管工作在稳压区时, 两端电压变化量与电流变化量之比, 即。值越小, 则稳压性能越好。同一稳压管,一般工作电流越大时, 值越小。 通常手册上给出的值是在规定的稳定电流之下测得的。 第四十二页，共五十二页。 3. 额定功耗Pz 由于稳压管两端的电压值为,而管子中又流过一定的电流, 因此要消耗一定的功率。这部分功耗转化为热能, 会使稳压管发热。取决于稳压管允许的温升。 表

18、-给出几种稳压管的典型参数。其中DW7系列的稳压管是一种具有温度补偿效应的稳压管,用于电子设备的精密稳压源中。管子内部实际上包含两个温度系数相反的二极管对接在一起。当温度变化时, 一个二极管被反向偏置, 温度系数为正值；而另一个二极管被正向偏置, 温度系数为负值, 二者互相补偿, 使、两端之间的电压随温度的变化很小。它们的电压温度系数比其它一般的稳压管约小一个数量级。如DW7C, =0.005%/。 第四十三页，共五十二页。 4. 稳定电流Iz 稳定电流是使稳压管正常工作时的最小电流, 低于此值时稳压效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是, 工作电流较大时, 稳压性能较好。但电流要受管子功耗的限制, 即 Iz max=Pz/Uz。 第四十四页，共五十二页。 5. 电压温度系数 指稳压管温度变化时, 所引起的稳定电压变化的百分比。一般情况下, 稳定电压大于V的稳压管, 为正值, 即当温度升高时, 稳定电压值增大。如CW,10.5V, .%/, 说明当温度升高时, 稳定电压增大0.09%。而稳定电压小于V的稳压管