模拟电子技术-二极管

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Department of Electronics and Information Science,http:/, 半导体二极管及其基本电路,2.1,半导体的基本知识,物质导电,:,导体、绝缘体,和,半导体,。,半导体,:,电阻率为,10,-3,10,9,cm,。,常见半导体,:,硅,Si,、,锗,Ge,、砷化镓,GaAs,等,。,1,本征半导体及其导电性,本征半导体：,纯净的半导体。,纯度,99.9999999%,，常称为,“,九个,9,”,。,单晶体,形态,例如：,“,单晶硅,”,。,(1,）本征半导体的,共价键,结构,硅和锗是,四价,元素。每个原子的四个,价电子,互相形成,共价键,为它们所束缚，形成空间排列有序的晶体,见图,2.01,。,图,2.01,硅原子空间排列及共价键结构平面示意图,(a),硅晶体的空间排列,(b),共价键结构平面示意图,(,c),（,2,）,电子空穴对,图,2.02,本征激发和复合的过程,（,动画,2-1,）,电子空穴对,:,热、光激发产生的自由电子和空穴对,。,复合,:,游离的自由电子回补空穴。,动态平衡：,温度一定本征激发和复合达到平衡。,(3),两种载流子,1,）,电子,：,价,电子。定向运动形成了电子流，带,负电,；,2,）,空穴,：,价,电子离开后所留下的空位。它的运动方向与电子流相反，带,正电,。,（,动画,2-2,）,图,2.03,空穴在晶格中的移动,2,杂质半导体,杂质半导体,：,本征半导体中掺入某些,微量元素,杂质,，所形成的半导体。,两种杂质半导体：,N,型半导体,P,型半导体,杂质：,一般是三价或五价元素（硼，磷）。,掺杂目的：,改变半导体的导电性能。,N,型半导体：,电子型半导体,。,(1,）,N,型半导体,N,型半导体：,本征半导体中掺入五价元素磷形成。,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。,五价杂质原子，因,提供,自由电子成为带正电荷的,正离子,，因此五价杂质原子也称为,施主杂质,。图,2.04,。,(2)P,型半导体,P,型半导体：本征半导体中,掺入三价元素硼形成。,P,型半导体中,空穴是多数载流子,，,主要由掺杂形成；,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,。如图,2.05,所示。,P,型半导体：空穴型半导体,2.1.3,杂质对半导体导电性的影响,掺杂质对半导体导电性的影响：,T=300 K,室温下,本征硅的电子和空穴浓度,:,n,=,p,=1.410,10,/cm,3,1,本征硅的原子浓度,:,4.9610,22,/cm,3,3,以上三个浓度基本上依次相差,10,6,/cm,3,。,2,掺杂后,N,型半导体中的自由电子浓度,:,n=,510,16,/cm,3,结论：,百万分之一的掺杂，导电性能提高百万倍！,将,N,型半导体和,P,型半导体合在一起。,2.2 PN,结的,形成及特性,（,动画,2-3,）,图,2.06 PN,结的形成过程,1,、,PN,结的形成,将,N,型半导体和,P,型半导体合在一起。,2.2 PN,结的,形成及特性,（,动画,2-3,）,图,2.06 PN,结的形成过程,1,、,PN,结的形成,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,最后,多子的,扩散,和少子的,漂移,达到,动态平衡,。交界面形成,空间电荷区,PN,结,。,E,内,2,PN,结的导电特性,(1)PN,结正向特性,图,2.07,PN,结加正向电压时的导电情况及特性,（,动画,2-4,）,PN,结的正向伏安特性,正向导通,(2)PN,结反向导电特性,图,2.08 PN,结加反向电压时的导电情况及特性,（,动画,2-5,）,反向截止,P,区的电位高于,N,区的电位，称为加,正向电压,，简称,正偏,，,PN,结导电,；,P,区的电位低于,N,区的电位，称为加,反向电压,，,简称,反偏,，,PN,结不导电,。,结论：,PN,结具有,单向,导电性,!,（,3,）,PN,结的导电特性,3 PN,结的电容效应,(1),势垒电容,C,B,它由空间电荷区的离子薄层形成。当,PN,结上压降变化时，该薄层的厚度也随之改变，这相当于,PN,结中存储的电荷量在变，犹如电容的充放电。,图,2.09,势垒电容示意图,(2),扩散电容,C,D,C,D,是由多子扩散后，在结附近形成的多子浓度梯度分布而形成的，浓度梯度的变化，相当与电容的充放电。,图,2.10,扩散电容示意图,+,-,Cd,(3),电容效应,对高频信号，,PN,结的单向导电性受到影响。,C,d,C,D,C,B,（,几个十几个,pf,）,1,二极管的结构类型,PN,结加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有三大类。,(1),点接触型二极管,PN,结面积小，结电容小，,用于高频电路。,(a),点接触型,图,2.11,二极管的结构示意图,2.3,半导体二极管,图,2.11,二极管的结构示意图,(c),平面型,(3),平面型二极管,常用于集成电路工艺中。,PN,结面积可大可小。,(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,（,4,）、二极管的符号,2,半导体二极管的伏安特性曲线,第一象限,:,正向特性；第三象限：反向特性。,图,2.12,二极管的伏安特性曲线,二极管的伏安特性曲线的近似表达。,I,S,：反向饱和电流；,V,：,二极管两端的电压；,V,T,=,kT/q,室温下,V,T,=26 mV,。,(1),正向特性,硅,二极管的死区电压,V,th,=0.5 V,左右，,锗,二极管的死区电压,V,th,=0.1 V,左右。,1),0,V,V,th,时，正向电流为零，二极管截止,;,正向区又分为两段：,2),V,V,th,时，正向电流，并按指数规律增长。,(2),反向特性,当,V,0,时，处于反向特性区域。,反向区也分两个区域：,1),当,V,BR,V,0,时，出现,反向饱和电流,I,S,很小，基本不随反向电压的变化而变化,。,2),当,VV,BR,时，反向电流急增,反向击穿,。,V,BR,称为,反向击穿电压,。,3,半导体二极管的参数,几个主要参数：,(1),最大整流电流,I,F,二极管连续工,作时，允许通过的最大,电流的平均值。,(2),反向击穿电压,V,BR,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,V,BR,。,(3),反向电流,I,R,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。,(4),正向压降,V,F,硅二极管的正向压降约,0.6,0.8V,；,锗二极管约,0.2,0.3V,。,4,半导体二极管的温度特性,温度与反向电流呈,指数,规律。,硅管,每增加,8,，反向电流,翻一翻,；,锗管,每增加,12,，反向电流,翻一翻,。,每增加,1,，正向压降,V,F,(,V,D,),大约减小,2,mV,，,具有,负的温度系数,。,（,1,）反向情形,（,2,）正向情形,图,2.13,温度对二极管特性的影响,5,、二极管电路分析,（,1,）理想模型,正向导通压降,V,D,=0,。,反向截止,I,R,=0,（,2,）恒压模型,正向导通压降,V,D,=0.7V,，,反向截止,I,R,=0,。,（,3,）折线模型,正向导通压降：,V,D,=0.5V+I,D*,r,D,。,0.7V,0.5V,（,4,）电路举例,1,）整流电路,2,）限幅电路,10v,5V,10v,5V,Vo,10v,5V,Vo,试画出输出,Vo,的波形。,试画出输出,Vo,的波形。,6,、稳压,(,齐纳,),二极管,稳压二极管是工作在反向击穿区的特殊硅二极管。,(b),图,2.15,稳压二极管的伏安特性,(a),符号,(b),伏安特性,(c),应用电路,(c),用于稳定它两端的输出电压。,稳压二极管主要参数,(1),稳定电压,V,Z,(2),动态电阻,r,Z,在规定的稳压管反向工作电流,I,Z,下，所对应的反向工作电压。,动态电阻是从它的反向特性上求取的。,r,Z,愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,r,Z,=,V,Z,/,I,Z,(3),最大耗散功率,P,ZM,最大功率损耗取决于,PN,结的散热等条件。反向时,PN,结的功耗为,P,Z,=,V,Z,I,Z,，,由,P,ZM,和,V,Z,可以决定,I,Zmax,。,(4),最大稳定工作电流,I,Zmax,和最小稳定工作,电流,I,Zmin,最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即,P,Zmax,=,V,Z,I,Zmax,。而,I,zmin,对应,V,Zmin,。若,I,Z,I,Zmin,则不能稳压。,V,zmin,V,i,V,L,=,V,Z,I,Z,V,L,I,R,V,R,I,Z,R,R,L,V,L,V,i,V,Z,I,L,I,R,稳压调节过程,八、变容二极管,利用二极管的结电容以及该电容大小与外接电压有关的特点制成。,九、光电二极管,使用光敏材料制成，当光照强弱变化时，其反向电流大小亦随之变化。,十、发光二极管,有电流通过时，发光二极管对外发光。,十一、激光二极管,有电流通过时，激光二极管对外发激光。,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,