第二章二极管及基本电路

第二章二极管及基本电路1第一页，共八十一页，2022年，8月28日§2.1半导体的基本知识1.导体、半导体和绝缘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。有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。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，共八十一页，2022年，8月28日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。比如：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，共八十一页，2022年，8月28日2.本征半导体现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi第四页，共八十一页，2022年，8月28日通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。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，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，共用一对价电子。第五页，共八十一页，2022年，8月28日硅和锗的晶体结构第六页，共八十一页，2022年，8月28日硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4第七页，共八十一页，2022年，8月28日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。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4第八页，共八十一页，2022年，8月28日本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,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。第九页，共八十一页，2022年，8月28日+4+4+4+4本征半导体的导电机理自由电子空穴束缚电子第十页，共八十一页，2022年，8月28日本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。第十一页，共八十一页，2022年，8月28日本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。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。第十二页，共八十一页，2022年，8月28日3.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。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。第十三页，共八十一页，2022年，8月28日N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，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，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。第十四页，共八十一页，2022年，8月28日+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子第十五页，共八十一页，2022年，8月28日N型半导体N型半导体中的载流子1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。3、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。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。？第十六页，共八十一页，2022年，8月28日P型半导体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取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。第十七页，共八十一页，2022年，8月28日+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子第十八页，共八十一页，2022年，8月28日杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体第十九页，共八十一页，2022年，8月28日总结1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，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。2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。第二十页，共八十一页，2022年，8月28日§2.2PN结的形成及特性1.PN结的形成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。第二十一页，共八十一页，2022年，8月28日－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区P型半导体N型半导体PN结处载流子的运动第二十二页，共八十一页，2022年，8月28日－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动P型半导体N型半导体PN结处载流子的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。第二十三页，共八十一页，2022年，8月28日－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动P型半导体N型半导体PN结处载流子的运动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。第二十四页，共八十一页，2022年，8月28日－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0第二十五页，共八十一页，2022年，8月28日请注意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中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。第二十六页，共八十一页，2022年，8月28日2.PN结的单向导电性PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。第二十七页，共八十一页，2022年，8月28日PN结正向偏置－－－－++++内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。VFIF第二十八页，共八十一页，2022年，8月28日PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。VRIR第二十九页，共八十一页，2022年，8月28日iD/mAvD/V00.51.0-0.5-1.01.00.5硅二极管PN结V-I特性PN结V-I特性的表达式IS：反相饱和电流，其值很小；VT：温度的电压当量，为26mV;第三十页，共八十一页，2022年，8月28日vDiDVBRPN结的反相击穿当PN结两端反相电压增大到一定值（VBR）时，反相电流突然增大，这个现象称为反相击穿。0产生反相击穿的原因：在强电场的作用下大大增加了自由电子和空穴的数目，引起反相电流剧增。两种反相击穿现象：雪崩击穿、齐纳击穿。第三十一页，共八十一页，2022年，8月28日§2.3半导体二极管1.基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型第三十二页，共八十一页，2022年，8月28日PN结面接触型PNak阳极阴极第三十三页，共八十一页，2022年，8月28日2、二极管的V-I特性UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)正向特性反向特性反向击穿特性第三十四页，共八十一页，2022年，8月28日3.二极管参数最大整流电流IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。反向击穿电压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VWRM一般是VBR的一半。第三十五页，共八十一页，2022年，8月28日反向电流IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、保护等。下面介绍两个交流参数。第三十六页，共八十一页，2022年，8月28日微变电阻rDiDvDIDVDQiDvDrD是二极管特性曲线工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化量的电阻。第三十七页，共八十一页，2022年，8月28日二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。第三十八页，共八十一页，2022年，8月28日为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（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。正向电流大，积累的电荷多。P+-N这样所产生的电容就是扩散电容CD。第三十九页，共八十一页，2022年，8月28日CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，载流子很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd第四十页，共八十一页，2022年，8月28日§2.4二极管基本电路及其分析方法1.二极管正向V-I特性的建模（1）理想模型正向偏置时，其管压降为0；反相偏置时，认为电阻无穷大，电流为0。0iDvDvD+-iD第四十一页，共八十一页，2022年，8月28日（2）恒压降模型0iDvDvD+-iD当二极管导通后，认为其管压降是恒定的，且不随电流而变。硅管为0.6~0.7V,锗管为0.2~0.3V。第四十二页，共八十一页，2022年，8月28日（3）折线模型0iDvDvD+-iDVthrD二极管的管压降不是恒定的，是随其电流iD的增加而增加，在模型用一个电池和一个电阻来近似。第四十三页，共八十一页，2022年，8月28日（4）小信号模型0iDvDvDiD+-rDQVDIDiDvD第四十四页，共八十一页，2022年，8月28日2.模型分析法应用举例（1）二极管电路的静态工作情况分析例二极管基本电路如图（a）,习惯画法如图（b），R=10k,对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值：（1）VDD=10V;（2）VDD=1V第四十五页，共八十一页，2022年，8月28日iDVDDR+-vD-vD+线性部分非线性部分如图（a）二极管基本电路图（b）习惯画法VDD=10V第四十六页，共八十一页，2022年，8月28日iDVDDR+-vD-vD+线性部分非线性部分如图（a）二极管基本电路图（b）习惯画法VDD=10V第四十七页，共八十一页，2022年，8月28日iDVDDR+-vD-vD+线性部分非线性部分如图（a）二极管基本电路图（b）习惯画法VDD=10V第四十八页，共八十一页，2022年，8月28日iDVDDR+-vD-vD+线性部分非线性部分如图（a）二极管基本电路图（b）习惯画法VDD=1V第四十九页，共八十一页，2022年，8月28日iDVDDR+-vD-vD+线性部分非线性部分如图（a）二极管基本电路图（b）习惯画法VDD=1V第五十页，共八十一页，2022年，8月28日iDVDDR+-vD-vD+线性部分非线性部分如图（a）二极管基本电路图（b）习惯画法VDD=1V第五十一页，共八十一页，2022年，8月28日结论：当电源电压远大于二极管管压降时，可采用恒压降模型；当电源电压较低时，可采用折线模型。第五十二页，共八十一页，2022年，8月28日（2）限幅电路在电子技术中,常用限幅电路对各种信号进行处理.它是用来让信号在预置的电平范围内,有选择地传输一部分.第五十三页，共八十一页，2022年，8月28日例：一限幅电路如图（a），R=1k，VREF=3V解：因输入电压不高，且参考电压VREF=3V，故作用于二极管两端的电压不高，选折线法。D-vI+-R+vOVREF（a）VthrDVREFRvIvO+-+-D（b）vI=0V、4V、6V时，求相应的vO值。第五十四页，共八十一页，2022年，8月28日D-vI+-R+vOVREF（a）VthrDVREFRvIvO+-+-D（b）第五十五页，共八十一页，2022年，8月28日v1=6sintV时，绘出相应的v0波形。解：先利用（1）中所得结果，作出vI-vO传输特性；在通过传输特性作出输出电压vO的波形。斜率=19360396vO/VvI/V936vO/VvI>(VREF+Vth)时vI<(VREF+Vth)时第五十六页，共八十一页，2022年，8月28日（3）开关电路在开关电路中,利用二极管的单向导电性以接通或断开电路,在数字电路中应用很广.第五十七页，共八十一页，2022年，8月28日例：一二极管开关电路如图.当 vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值不同组合情况下，输出电压vO的值。设二极管是理想的。（a）4.7kvOvI1VCC5VD1D2vI2D1++--D2vI1vI2VCC5V4.7k（b）第五十八页，共八十一页，2022年，8月28日（a）4.7kvOvI1VCC5VD1D2vI2D1++--D2vI1vI2VCC5V4.7k（b）分析方法：判断电路中二极管处于导通还是截止状态，可先将二极管断开，然后观察（或经过计算）阴、阳极间是正向电压还是反向电压，从而得出是导通还是截止。第五十九页，共八十一页，2022年，8月28日解：（1）当vI1=0V、vI2=5V时，D1为正向偏置，vO=0V（因二极管是理想的），D2为反向偏置，此时D1导通，D2截止。（a）4.7kvOvI1VCC5VD1D2vI2D1++--D2vI1vI2VCC5V4.7k（b）第六十页，共八十一页，2022年，8月28日（2）依此类推，将vI1和vI2的其余三种组合及输出电压列于下表：vI1

vI20V0V0V5V5V0V5V5V二极管工作状态D1D2导通导通截止截止导通截止导通截止0V0V0V5VvO第六十一页，共八十一页，2022年，8月28日（4）低电压稳压电路稳压电源是电子电路中常用的组成部分,利用二极管的正向压降特性,可实现低电压稳压电路.第六十二页，共八十一页，2022年，8月28日-vD+（b）DRVIiD+-R（a）iDVIDvO+-vD第六十三页，共八十一页，2022年，8月28日-vD+（b）DRVIiD（c）-+R+-rd+-R（a）iDVIDvO+-vD第六十四页，共八十一页，2022年，8月28日例：如图所示的低电压稳压电路，直流电压VI的正常值为10V，R=10k，若VI变化±1V，问相应的硅二极管电压（输出电压）的变动如何？（b）DRVI（c）-+R+-rdR（a）iDVIDvO+-vD+-iD+-vD第六十五页，共八十一页，2022年，8月28日（b）DRVI（c）-+R+-rdR（a）iDVIDvO+-vD+-iD+-vD解：（1）当VI为正常值10V时，利用二极管恒压降模型有:VD0.7V第六十六页，共八十一页，2022年，8月28日（b）DRVI（c）-+R+-rdR（a）iDVIDvO+-vD+-iD+-vD（2）在此Q点上,按下面式子计算二极管的微变电阻rd为第六十七页，共八十一页，2022年，8月28日（b）DRVI（c）-+R+-rdR（a）iDVIDvO+-vD+-iD+-vD（3）当VI有1V的波动时，可视为一峰-峰值2V的交流信号，则二极管两端信号电压波动为：第六十八页，共八十一页，2022年，8月28日例：二极管的应用：RRLvivRvotttvivRvo第六十九页，共八十一页，2022年，8月28日实际问题的电路设计某便携式数据采集器工作时采用车载电源13.8V供电，当脱离车辆工作或车载电源没电时，为防止数据丢失，数据采集器自动启动内置备份9V电池供电。试设计一个不间断电源切换电路满足使用要求。便携式数据采集器工作电压为8-15V。工作电流0.5A。第