模拟电子技术 第3章课件

第三章半导体二极管及其基本电路主要内容半导体的基本知识PN结的形成半导体二极管及其性质与参数特殊二极管半导体材料及特性半导体的共价键结构本征半导体、空穴及其导电作用杂质半导体§3.1半导体的基本知识半导体是一种导电特性位于导体和绝缘体之间的物质,典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。掺杂性：二极管、三极管、场效应管等热敏性：热敏电阻光敏性：光敏电阻，光敏二极管、光敏三极管等。一、半导体材料及特性1.什么叫半导体？2.半导体材料的特性及应用2.本征激发在T=0K（绝对零度）和无外界激发，本征半导体没有自由运动的带电粒子——载流子，因而不能导电；+4+4+4+4A、T=0K（绝对零度）和无外界激发时自由电子空穴束缚电子+4+4+4+4本征激发温度升高由于温度上升，电子获得能量后，少数共价键中的束缚电子挣脱束缚成为自由电子，留下空穴，称为本征激发，又称为热激发。B、温度上升时半导体中的两种载流子：+4+4+4+4不受束缚的电子，称为自由电子共价键的空位，称为空穴摆脱束缚束缚电子温度越高，载流子数量增加，导电能力越强，因而具有热敏性。本征半导体受热激发只产生少量电子空穴对，载流子浓度很低，外加电场作用，电流极其微弱；本征激发的特点结论本征半导体外层电子构成稳定的共价键结构，使原子规则排列，形成晶体。在本征激发下，能产生少量的载流子，具有微弱的导电作用。其导电性能具有热敏性，温度越高，载流子的浓度越高，导电能力越强。二、杂质半导体半导体具有掺杂性，若在本征半导体中掺入微量杂质，则导电性能大为改观，掺入百万分之一的杂质，载流子浓度增加1百万倍。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。特点a.自由电子为多数载流子（多子）空穴为少数载流子（少子）；b.磷原子被称为施主杂质，本身因失去电子而成为正离子。N型半导体可简化成+图2－32.P型半导体形成本征掺杂：本征半导体得到大量空穴（无自由电子）硼(3价)本征激发：得到少量电子空穴对特点a.空穴为多数载流子（多子）自由电子为少数载流子（少子）；b.硼原子被称为受主杂质，本身因获得电子而成为负离子。P型半导体可简化成－图2－5§3.2PN结的形成一、PN结的形成用化学方法把N型半导体和P型半导体结合在一起。–––––––––P型+++++++++N型多子的扩散运动由于浓度差异引起的载流子运动，称之为扩散当扩散和漂移达到动态平衡，即形成稳定的PN结。多子的扩散，使得结合区产生内电场内电场作用一方面将阻碍多子的扩散，同时也引起少数载流子产生漂移；+++++++++–––––––––+++–––P型区N型区空间电荷区内电场V0多子扩散少子漂移由于电场的作用，而引起的载流子运动，称之为漂移N型半导体和P型半导体结合

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动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区PN结形成过程§3.3半导体二极管一、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(a)点接触型

二极管的结构示意图接触面积小，因而结间电容小，用于检波和变频等高频电路。缺点，不能通过大电流（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(b)面接触型接触面积大，能通过大电流，缺点：结间电容大二、二极管（PN结）的单向导电性1.正偏:P+，NPN结正向电阻很小。

因此，正向电压使得扩散变强，并形成扩散电流，即正向电流IF；VF，IF；12122121PN

VF

IF图2－8P区空穴，N区电子得到补充内电场变小扩散变强向空间电荷区持续扩散PN结变窄结论：由于在正向电压作用下，参与导电的主体为多子的扩散，因而，正向电流大，正向电阻小。由于在反向电压作用下，参与导电的主体为少子的漂移，因而，反向电流小，反向电阻大。二极管(PN结)正向电阻小，反向电阻大，这就是它的单向导电性。三、二极管的伏安特性I=f(V)死区电压：硅0.5V锗0.1VOV(V)ISIFI(mA)+–IV正向死区导通区反向截止区反向击穿区反响饱和电流正向导通区IS：反向饱和电流，受温度影响VT：温度的电压当量T=300K时，VT=26mV由于在导通区V>>VT，因而I和V成指数关系反向截止区I=IS扩散电流漂移电流在杂质浓度较高的PN结空间电荷区中存在一个强电场，当存在较大的反向电压时，内电场叠加外电场，强大的电场时的共价键结构大量被破坏，从而产生大量自由电子与空穴对，形成较大的反向电流——称为齐纳击穿。B、齐纳击穿强电场↑载流子↑破坏共价键载流子↑↑碰撞ID↑↑高浓度杂质强内电场反向电压B、电击穿与热击穿当PN结的热功率小于PN结容许的耗散功率时，即：

反向电压×反向电流<PN结允许的耗散功率不会引起PN结的温度急剧升高，这时的击穿是可逆的——称为电击穿，反之称为热击穿。

利用电击穿可以设计稳压管，而在设计中必须避免热击穿四、二极管的直流参数1.最大整流电流IF：管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流；2.反向击穿电压VBR与最大反相工作电压：VBR管子反向击穿时的电压值一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。OV(V)ISIFI(mA)反向击穿区VBR3.反向饱和电流IS管子未击穿时的反向电流，随温度变化而变化，硅管比锗管反相电流更小OV(V)ISIFI(mA)反向击穿区截止区4.极间电容:与结电阻处于并联状态，高频工作

时影响较大包括：势垒电容CB与扩散电容CD二极管正向工作时主要取决于扩散电容CD：二极管反向工作时主要取决于势垒电容CB：CDCBPN8.最高工作频率等7.反相恢复时间5.耗散功率Pr6.正相压降VF通过外加散热，可提高耗散功率硅：0.7V，锗：0.2~0.3V例、设整流电路的电路如图所示，从表中选择合适的二极管，其中，元件VF(V)Pr(W)VBR(V)1D0.70.6802D0.30.3603D0.30.180vivo++--§2.4二极管基本电路及其分析方法一、图解分析法1、将二极管当作负载，由电路求出二极管的负载方程；vDOiD在二极管的伏安特性上作负载曲线；Q3、负载线与伏安特性交点Q，为二极管工作点,对应的电流与电压为二极管工作电流与电压VDID+-VDvDOiDID1V0.5V1mA0.5mA例、二极管特性曲线与应用电路如图所示，求二极管vD与iDQVDID解：由KVL方程，得：因而，因而，§2.4二极管基本电路及其分析方法二、模型分析法1.理想模型4.小信号模型3.折线模型2.恒压降模型vDOiDiD+–vD正偏时，管子导通正向压降为0；反偏时，管子截止，电流为0；1.理想模型伏安特性。2.恒压降模型vDOiD(a)iD(b)+–vD正偏时，正向压降为0.7V(硅)，(锗约为0.2V)称为导通电压，一般在电流大于等于1mA时比较正确；反偏时，电流为0。3.折线模型vDOiD(a)其中，Vth为门坎电压，硅约0.5V，锗约0.1VrD的确定。当iD

=1mA，管压降为0.7V。iD(b)+–vDVthrD0.7=Vth+1·rD=0.5+rDrD=0.2K将V-I特性用折线来近似，导通时，有：4.小信号模型当二极管在特性曲线某点Q附近工作时，这时可用Q点的切线来近似V-I特性，切线的斜率的倒数为小信号的微变电阻，即图2－14vDOQVDvDiDIDiD称为静态工作点

几个概念：直流通路；交流通路；静态与动态。

求rd：如I=2mA时，rd=13vDOQVDvDiDIDiD工作在线性区，信号为微变量，且为低频信号。

若二极管二极管可用微变电阻rd代替。+_iDvDrd图2－14(b)三、模型分析法应用举例模型分析法可分析二极管电路的静态工作情况，限幅电路、开关电路，低电压稳压等等。例2－1

设电路如图，R=10K。VDD=10V，求电路的ID和VD的值。(每种情况都用理想模型、恒压降模型、折线模型求解)VDDvDR+_VDDvDiDR解：1、理想模型：D加正偏，导通时正向压降为0。2、恒压降模型：导通时正向压降为0.7V。(锗约为0.2V)+_3、折线模型（硅）在二极管电流1mA附近，取：VDDvDR+_例2－2用恒压降模型计算下图中流过二极管中的电流ID。5V3K3KAIDB10V解：把二极管以外的部分用一个电压源和一个电阻串联等效（运用戴维南定理）2.5VAIDB1.5K二极管正向导通其正向压降为0.7V。若用折线模型5V3K3KAIDB10V例2－3一限幅电路如下图，R=1K，VREF=

3V.设vi=6sintV。试绘出相应的输出电压vo的波形。(用折线模型分析)vivoVREF+_+_RD当vi的幅值大于VREF+Vth=3.5V时，管子导通。vo=VREF+Vth+rD·iD=3.5+0.2iD当vi的幅值为6V时，管子导通时vo的波形如蓝线所示。否则，管子截止。vo=vi。vo波形如红线所示vivo+_+_DrD0.2KRiDVREF0.5V解：折线模型为t3.53.92vo6vi2．模型分析法应用举例（6）小信号工作情况分析图示电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。二极管应用之一——二极管的开关功能：将二极管断开，若阳、阴两极间所加的电压大于二极管的导通电压则闭合，否则关断。vi1,vi2取0或5V只有vi1,vi2同时取5V，输出才为5V，否则为0V数字电路中的与逻辑二极管应用之二——低电压稳压功能：合理选择参数可获得低电压稳压功能，适用于3~4V以下（多只串联），当需稳压的数值较大时用稳压管。稳压原理：正向导通电阻较小，与R分压后对电压的波动不敏感。=0.7VSi二极管（a）电路图（b）vs和vO的波形二极管应用之三——整流电路半波整流电路全波整流电路vivovivo+-+-不考虑电容时的输出vo加入电容时的输出§2.5特殊二极管一、齐纳二极管(稳压二极管)1.特点：利用齐纳击穿原理，掺入高浓度杂质（形成强内电场）反向击穿区很陡，主要作稳压器使用2.

符号用2CW，2DW命名+－3.

伏安特性曲线：正向特性和普通二极管同反向击穿区曲线很陡，即动态电阻rZ很小，稳压性能越好。V(V)I(mA)O因此，动态电阻rZ

越小，稳压性能越好。(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

PZM4.稳压二极管主要参数(5)最大稳定工作电流IZmax(6)稳定电压温度系数VZ：温度每升高1度电压的变化量。(4)最小稳定工作电流IZmin

保证稳压管齐拉击穿的最小电流。5.并联式稳压电路当负载变化时自动调节输出电压稳定R：限流电阻RLIOVOVOIZIR分压IR限流电阻选择原则1、阻值的选择原则：保证提供最大负载电流的同时，保证稳压管的电流大于最小稳定工作电流，即：2、额定功率的选择原则：必须保证电阻最大能耗值小于额定功率，并考虑一定的保险系数，即：R：限流电阻稳压管选择原则：1、依据负载工作电压选择稳压管的稳压值2、rz越小稳定性能越好3、保证稳压管工作电流始终在最小稳定工作电流与最大稳定工作电流之间，即：R：限流电阻4、最大耗散功率大于稳压管最大能耗，即：

例设计一稳压电路，作为汽车用收音机的供电电源，已知收音机工作电源为9V，最大功率0.5W，汽车电源电压范围为12~13.6V，选择合适的稳压管(IZmin、IZmax、VZ、PZM)与电阻(阻值与额定功率)。收音机解：∵取：IZmin=5mA∴取2倍以上的保险系数，电阻额定功率取1W在负载开路且VI最大时，IZ最大：

例电路如图，设R=180Ω，VI=10±1V,RL=1kΩ,稳压管的Vz=6.8V，IZT=10mA，rz=20Ω，Izmin=5mA,求ΔV0解：∵VZ=Vz0+rZIZ将Vz，IzT代入可求得Vz0=6.8-20x0.01=6.6Vn1由KCL，得n1节点方程由KVL，得回路方程又∵VZ=Vz0+rZIZ(1)(2)(3)由(1)(2)(3)得：在VI=9V与VI=11V时可求得Iz，分别为5.95mA与15.78mA，因而，ΔVo=ΔIZrz=0.2V例设硅稳压管DZ1、DZ2的稳定电压分别为5V、10V，又已知DZ1、DZ2正向压降为0.7V，求V0解：(a)DZ1、DZ2工作在反向击穿区V0=5+10=15V(b)DZ1、DZ2工作在正向导通区V0=0.7+0.7=1.4VDZ1DZ2+25V1KV0(a)DZ1DZ2+25V1KV0(b)

由于稳压管稳压值变化较小，定性分析时，通常可看为恒定值。二、变容二极管（a）符号（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）三、肖特基二极管（a）符号（b）正向V-I特性优点：电容小，响应速度快，适合与高频和开关状态；正向导通电压较低。缺点：反向击穿电压低，漏电流大。特点：阳极为金属材料，阴极为N半导体；多数载流子导电器件；耗尽区集中在N区，较薄；四、光电子器件1.光电二极管

（a）符号（b）电路模型（c）特性曲线在光照下，破坏共价键，载流子增多，从而反相电流增大2.发光二极管符号光电传输系统用途：1、指示灯与显示器