模电第三章二极管及其基本电路2009

第三章半导体二极管及其电路3.1半导体的基本知识3.3半导体二极管3.5特殊二极管及其电路3.2PN结的形成及特性3.4二极管基本电路及其分析方法半导体:

导电特性介于导体和绝缘体之间。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。3.1半导体的基本知识1、半导体及结构特点原子结构简化模型原子结构简化模型

本征半导体：—完全纯净、结构完整的半导体晶体。在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电。两个价电子的共价键正离子核3.1半导体的基本知识2、本征半导体及共价键结构3、半导体导电机理及特点自由电子空穴空穴——共价键中的空位空穴的移动——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。本征激发：由热激发或光照而产生自由电子和空穴对。＋3.1半导体的基本知识半导体导电的重要特点：1.其能力容易受环境因素影响（温度、光照等）；2.掺杂可以显著提高导电能力。N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）自由电子＝多子空穴＝少子空穴＝多子自由电子＝少子由热激发形成它主要由杂质原子提供空间电荷4、杂质半导体3.1半导体的基本知识

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:（1）T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm3（3）本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。

（2）掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm35、杂质对半导体导电性的影响3.1半导体的基本知识本征半导体——本征激发自由电子空穴N型半导体、施主杂质(5价)P型半导体、受主杂质(3价)多数载流子、少数载流子杂质半导体复合半导体导电特点1： 其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度↑→载流子浓度↑→导电能力↑半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力6、概念总结3.1半导体的基本知识1.浓度差多子的扩散运动2.扩散空间电荷区内电场3.内电场少子的漂移运动

阻止多子的扩散4、扩散与漂移达到动态平衡载流子的运动：扩散运动——浓度差产生的载流子移动漂移运动——在电场作用下，载流子的移动P区N区扩散：空穴电子漂移：电子空穴形成过程可分成4步：内电场1、PN结的形成3.2PN结的形成因浓度差

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后，多子的扩散和少子的漂移达到一种动态平衡。多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。扩散>漂移否是宽1、PN结的形成3.2PN结的形成思考：只有在外加电压时才…扩散与漂移的动态平衡将…？扩散>漂移大的正向扩散电流（多子）低电阻正向导通漂移>扩散很小的反向漂移电流（少子）高电阻反向截止2、PN结的单向导电性3.2PN结的形成当外加电压使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；反之称为加反向电压，简称反偏。

2、PN结的单向导电性3.2PN结的形成

(1)PN结加正向电压时低电阻大的正向扩散电流

(2)PN结加反向电压时高电阻很小的反向漂移电流在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，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关，这个电流也称为反向饱和电流。2、PN结的单向导电性3.2PN结的形成2、PN结方程PN结的伏安特性陡峭电阻小正向导通1、PN结的伏安特性特性平坦反向截止一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的。非线性！其中IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）近似估算正向：反向：3、PN结的伏安特性3.2PN结的形成当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆

雪崩(倍增）击穿AvalancheMultiplicationBreakdown：材料掺杂浓度较低的PN结中，结反向电压增大到一数值时，载流子倍增就像雪崩一样，增加得多而快。

齐纳击穿ZenerBreakdown

：需要的电场强度很大，只有在杂质浓度特别大PN结才做得到。电击穿——可逆4、PN结的反向击穿特性3.2PN结的形成/view/1155945.htm5、PN结的电容效应之一(势垒电容CB)3.2PN结的形成在积累空间电荷的势垒区，当PN结外加电压变化时，引起积累在势垒区的空间电荷的变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充、放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。

势垒电容具有非线性，它与结面积、耗尽层宽度、半导体的介电常数及外加电压有关。6、PN结的电容效应之二（扩散电容CD）3.2PN结的形成对于正偏PN结，当外加偏压增大时，注入N区的空穴增加，在N区的空穴扩散区内形成空穴积累，为保持电中性条件，扩散区内电子浓度也相应增加。电子注入P区情形类似，这种扩散区中电荷随外加偏压变化而变化所产生的电荷存储效应等效为电容，称扩散电容。为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的电子在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。注意：PN电容效应在交流信号作用下才会表现出来。反向偏置时，由于少数载流子数目很少，可忽略扩散电容。而势垒电容在正偏和反偏时均不能忽略。PN结加上引线和封装二极管按结构分类点接触型面接触型平面型1、半导体二极管的结构3.3半导体二极管（Diode)点接触型面接触型平面型2、半导体二极管的实物图之一3.3半导体二极管（Diode)3、半导体二极管实物图片之二3.3半导体二极管（Diode)图一普通二极管，第一个是国内标准的画法；图二双向瞬变抑制二极管；图三分别是光敏或光电二极管，发光二极管；图四为变容二极管；图五是肖特基二极管；图六是恒流二极管；图七是稳压二极管4、二极管的符号及含义3.3半导体二极管（Diode)3.PN结方程（近似）硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）注意1.死区电压（门坎电压）2.反向饱和电流 硅：0.1A；锗：10A5、二极管伏安特性3.3半导体二极管（Diode)(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)极间电容CB硅二极管2CP10的V-I特性6、二极管的参数3.3半导体二极管（Diode)高频情况下PN结等效电路6、二极管的参数(举例）3.3半导体二极管（Diode)哪些参数对你重要？3.4二极管基本电路及其分析方法整流 限幅初步分析——依据二极管的单向导电性D导通：vO

=vI

-vDD截止：vO

=0D导通：vO

=vDD截止：vO

=vIvO

与vI

的关系由D的状态决定1、二极管电路分析概述(举例一)结果?分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。首先，判断D的状态？若D反向截止，则相当于开路（iD

0，ROFF∞）；若D正向导通，则？正向导通分析方法：图解法等效电路（模型）法——将非线性线性先静态（直流），后动态（交流）静态：vI

=0（正弦波过0点）动态：vI

03.4二极管基本电路及其分析方法2、含二极管电路分析思路

3、二极管状态判断已知：2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD

>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向击穿iD

=

？vD

=

？二极管状态判断方法假设D截止(开路)，求D两端开路电压普通：热击穿－损坏齐纳：电击穿VD=-VBR=-40VVD>0VD正向导通？-VBR<VD0VD反向截止,ID=0VD-VBRD反向击穿,VD=-VBRD正向导通？D正向导通！试判断图题中二极管导通还是截止，为什么?3.4二极管基本电路及其分析方法3、含二极管电路分析(举例二）VD=0.7V（硅）VD=0.2V（锗）Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）（1）理想模型

（a）V-I特性（b）代表符号（c）正偏时电路模型（d）反偏时电路模型3.4二极管基本电路及其分析方法4、二极管的等效电路模型（2）恒压降模型（a）V-I特性（b）电路模型（3）折线模型（a）V-I特性（b）电路模型3.4二极管基本电路及其分析方法4、二极管的等效电路模型(4)小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效为:微变电阻根据得Q点处的微变电导常温下（T=300K）3.4二极管基本电路及其分析方法4、二极管的等效电路模型例：求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V时（b）VDD=1V时VDD理想模型恒压模型折线模型理想模型恒压模型折线模型3.4二极管基本电路及其分析方法5、二极管等效电路模型应用举例uiuoOOtt(b)22DuiuoRL(a)++--（1）二极管半波整流电路3.4二极管基本电路及其分析方法5、含二极管电路应用举例t+­RDE2Vuiuo+­+­(a)05ui

/V­523)(bt02.7uo

/V­5232.7（2）二极管限幅电路(3)开关电路3.4二极管基本电路及其分析方法5、含二极管电路应用举例例：二极管开关电路如图所示。当V1和V2为0V或5V时，求V1和V2的值不同组合情况下，输出电压0的值。设二极管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-00

V1

V2

D1

D2

V0

0V

0V导通导通

0V

0V

5V导通截止

0V

5V

0V截止导通

0V

5V

5V截止截止

5VD1与D2的作用是什么？3.4二极管基本电路及其分析方法5、含二极管电路应用举例注意：即判断电路中的二极管处于导通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，然后观察阴、阳两极间是正向电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。

例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流电源电压V的正常值为10V，R=10k,当V变化±1V时，问相应的硅二极管电压(输出电压)的变化如何？3.4二极管基本电路及其分析方法5、含二极管电路应用举例

解：(1)静态分析(令vi=0）。当V的正常值为10V时，利用二极管恒压降模型有VD≈0.7V，由此可得二极管的电流为

此电流值可证实二极管的管压降为0.7V的假设。(2)在此Q点上，则3.4二极管基本电路及其分析方法5、含二极管电路应用举例

(3)动态分析(令VI=0）。按题意，V有±1V的波动，它可视为峰-峰值为2V的交流信号，该信号作用于由R和rd组成得分压器上。显然，相应的二极管的信号电压可按分压比来计算，由小信号模型即得Vd(峰-峰值)由此可知，二极管电压Vd的变化为±2.79mV。假设D截止（开路）求D两端开路电压VD0.7VD正向导通-VBR<VD0.7VD反向截止ID=0(开路)VD-VBRD反向击穿VD=-VBR(恒压)VD=0.7V(恒压降)状态等效电路条件将不同状态的等效电路（模型）代入原电路中，分析vI和vO

的关系画出电压波形和电压传输特性特殊情况：求vD（波动）小信号模型和叠加原理恒压降模型为例3.4二极管基本电路及其分析方法5、含二极管电路分析方法应用总结3.4二极管基本电路及其分析方法6、含二极管电路分析举例（全波整流电路）全波整流电路中，由于二极管的伏安特性在小信号时处于截止或特性曲线的弯曲部分，一般利用二极管的单向导电性来组成整流电路，在小信号检波时输出端将得不到原信号（或使原信号失真很大）。如果把二极管置于运算放大器组成的负反馈环路中，就能大大削弱这种影响，提高电路精度。3.4二极管基本电路及其分析方法7、含二极管电路分析举例（精密半波整流电路）3.4二极管基本电路及其分析方法7、含二极管电路分析举例（精密半波整流电路）同相输入当UI<0（负半周）时，二极管D截止，输出电压Uo=0。当UI>0（正半周）时，二极管D导通，输出电压Uo=UI；3.4二极管基本电路及其分析方法8、含二极管电路分析举例（精密全波整流电路）

图中A1组成同相放大器，A2组成差动放大器，输入电压都加在运放的同相输入端，具有较高的输入电阻。同相输入3.4二极管基本电路及其分析方法当输入电压>0时，D1导通，D2截止，此时A1构成电压跟随器，此电压通过Rf1和R2加到A2的反相端；所以A2的输出电压为：8、含二极管电路分析举例（精密全波整流电路）3.4二极管基本电路及其分析方法当输入电压<0时，D1截止，D2导通，此时A1为同相放大器，有：

而A2的输出电压为：8、含二极管电路分析举例（精密全波整流电路）3.4二极管基本电路及其分析方法精密全波整流电压传输特性输入输出波形8、含二极管电路分析举例（精密全波整流电路）3.4二极管基本电路及其分析方法8、含二极管电路分析举例（精密全波整流电路）反相输入思考题：如果本实验不选择匹配电阻，传输特性会怎样？普通半波整流电路的输出与上述精密半波整流电路的输出在大幅度信号和小幅度信号相同下，试想输出波形有何异同？3.4二极管基本电路及其分析方法8、含二极管电路分析举例（精密全波整流电路）稳压二极管（齐纳）变容二极管光电子器件光电二极管发光二极管激光二极管反向击穿状态反向截止，利用势垒电容反向截止，少子漂移电流特殊材料，正向导通发光3.5特殊二极管及其基本电路1、特殊二极管符号及其原理1.符号及稳压特性(a)符号(b)伏安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（齐纳击穿）。3.5特殊二极管及其基本电路1、稳压二极管(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——VZ3.5特殊二极管及其基本电路2、稳压二极管主要参数正常稳压时VO=VZ稳压条件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax思考：不加R可以吗？自动调整过程：3.5特殊二极管及其基本电路3、稳压二极管稳压电路例：如图所示是一个简单的并联稳压电路。R为限流电阻，求R上的电压值VR和电流值。3.5特殊二极管及其基本电路4、稳压二极管稳压电路(举例）R1kVz+_zDVo+_7-10V5V解：假定输入电压在（7--10V）内变化。当当3.5特殊二极管及其基本电路4、常见稳压二极管型号(1N47系列1W举例）3.5特殊二极管及其基本电路4、常见稳压二极管型号(1N47系列1W举例）3.5特殊二极管及其基本电路5、发光二极管LED由Ga与AS、P的化合物制成的二极管。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。3.5特殊二极管及其基本电路5、发光二极管LED

1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。3.5特殊二极管及其基本电路5、发光二极管LED技术参数

2．电参数的意义

(1)正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。(2)正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4~3V。在外界温度升高时，VF将下降。(3)V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR<10μA以下。3.5特殊二极管及其基本电路5、发光二极管LED技术参数常见的LED电性能参数LED正向电压。不同颜色的LED在额定的正向电流条件下，有着各自不同的正向压降值。红、黄色：1.8~2.5V之间；绿色和蓝色：2.7~4.0V之间。对于同种颜色的LED，其正向压降和光强也不是完全一致的。3.5特殊二极管及其基本电路6、发光二极管电路参数设计思考题：怎么样设计发光二极管驱动电路？需要考虑什么因素？（1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（）（2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（）（3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（）

（4）PN结加正向电压时，空间电荷区将

。

A.变窄B.基本不变C.变（5）设二极管的端电压为U，则二极管的电流方程是自测题

A.ISeUB.C.3）稳压管的稳压区是其工作在

状态。

A.正向导通B.反向截止C.反向击穿写出图所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD＝0.7V。解：UO1≈1.3V，UO2＝0，UO3≈－1.3V，

UO4≈2V，UO5≈1.3V，UO6≈－2V。已知稳压管的稳压值UZ＝6V，稳定电流的最小值IZmin＝5mA。求图所示电路中UO1和UO2各为多少伏。解：UO1＝6V，UO2＝5V