模拟电子技术第3章课件

第3章二极管及其基本电路1PN结的单向导电性2二极管的V-I特性3二极管模型及分析方法4稳压二极管重点：3.1半导体器件的基本知识3.2PN结的形成及特性3.3二极管3.4二极管的基本电路及分析方法3.5特殊二极管第3章二极管及其基本电路3.1半导体器件的基本知识导体：电阻率为10-6－10-3Ωcm;半导体：电阻率为10-3－108Ωcm;绝缘体：电阻率为108－1020Ωcm;1、物质分类2、半导体特点热敏性：温度升高时，其电阻率迅速下降；光敏性：光线变化时，其电阻率立刻变化；掺杂性：在纯净的半导体（本征半导体）中掺入其他微量元素（杂质半导体），其电阻率迅速下降；硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，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八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+44、本征半导体的导电机理在没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。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，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。载流子、自由电子和空穴温度越高，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。5杂质半导体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）。+4+4+5+4多余电子磷原子1.由磷原子提供的电子，浓度与磷原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。N型半导体自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。N型半导体：掺入＋5价元素，杂质半导体中自由电子数量大于空穴数量，电子为多数载流子，空穴为少数载流子，以自己电子导电为主。3.2PN结的形成及特性一、PN结的形成二、PN结的单向导电性三、PN结的电容效应四、PN结的反向击穿特性一、PN结的形成

在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:

因浓度差

多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

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

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。内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。二、PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

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→多子扩散形成正向电流IF正向电流(2)加反向电压——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→少子漂移形成反向电流IRPN

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。

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

(1)势垒电容CB

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电，反偏时由于结电阻大因此作用较大。(2)扩散电容CD

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，所以正偏时结电容较大。

当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。四、PN结的反向击穿特性

当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为PN结的反向击穿。有两种解释：雪崩击穿：当反向电压足够高时（U>6V）PN结中内电场较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压（U<4V），耗尽层可获得很大的场强，足以将价电子从共价键中拉出来，而获得更多的电子空穴对，使反向电流骤增。3.3.1二极管的结构类型

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、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图02.11所示。(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。(a)点接触型二极管的结构示意图

二极管的结构示意图(c)平面型(3)平面型二极管—往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管—PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型3.3.2二极管的伏安特性曲线锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管2CP10的V-I特性式中IS为反向饱和电流，VD

为二极管两端的电压降，VT=kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有VT=26mV。(2)反向特性当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：

当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。

当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。3.3.3二极管的参数

二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压VBR、最大反向工作电压VRM、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下：

(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压VBR———和最大反向工作电压VRM

二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。

(3)反向电流IR

(4)正向压降VF(5)动态电阻rd在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(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水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即

rd=VF/IF3.4二极管基本电路及分析方法

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

二极管是一种非线性器件，因而其电路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。例3.4.1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。

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3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模

将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。（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3.4.2二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（3）折线模型（a）V-I特性（b）电路模型（4）小信号模型过Q点的切线可以等效成一个微变电阻即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）（a）V-I特性（b）电路模型（4）小信号模型特别注意：小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vD>>VT

。（a）V-I特性（b）电路模型3.4.2二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的波形电路如图，R=1kΩ，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=6sintV时，绘出相应的输出电压vO的波形。（2）限幅电路（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。

对含有二极管的电路，常把二极管当做理想模型处理，正向导通时，可将其视为短路，反向截止时忽略其反向饱和电流，视为开路；分析电路时，先将二极管取下，判别原二极管二端电压方向，再将二极管接上，可知二极管导通情况。1、二极管电路如下图所示,试判断图中的二极管是导通还是截止,并求出AO两端电压VA0，设二极管是理想的。ab解：将二极管取下,Uab=-15+12=-3V二极管D反向截止,所以：UAO=-12V解：将两个二极管取下Uba=12V,二极管D1正向导通Udc=6+12=18二极管D2正向导通，abcd且Udc＞Uba所以D2先导通后将D1截止,所以：UAO=-6V

稳压二极管的伏安特性

(a)符号(b)伏安特性(c)应用电路(b)(c)(a)

齐