第1章 半导体二极管及其应用电路

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,模拟电子技术基础,第,1,章 半导体二极管及其应用电路,半导体基础知识,1.1,半导体二极管,1.2,二极管组成的基本应用电路,1.3,1.1.1,本征半导体,1.1,半导体基础知识,导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅、锗、硒、砷化镓等。,常用的半导体材料是硅（,Si,）和锗（,Ge,），它们都是,4,价元素，,原子的最外层轨道上都有,4,个价电子,，,完全纯净的具有晶体结构的半导体称为,本征半导体。,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子。,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,动态平衡,本征激发,复合,运载电荷的粒子称为,载流子,，,半导体中有,两种载流子参与导电,。,外加电场时，,自由电子作定向运动形成,电子电流,。,价电子递补空穴的运动形成,空穴电流。,总电流是,电子电流,和,空穴电流,之和。,1.1.2,杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为,杂质半导体,。,1.N,型半导体,在本征半导体中掺入五价元素，例如磷，砷等，称为,N,型半导体,。,磷（,P,）,多数载流子,自由电子,少数载流子,空穴,施主原子,N,型半导体主要靠电子导电，掺入杂质越多，电子浓度越高，导电性越强。,1.P,型半导体,在本征半导体中掺入三价元素，例如,硼、镓,等，称为,P,型半导体,。,多数载流子,空穴,少数载流子,自由电子,硼（,B,）,受主原子,P,型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。,少子浓度,与温度有关,多子浓度,与温度无关,1.1.3 PN,结,1.PN,结的形成,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。,扩散运动,P,区空穴浓度远高于,N,区。,N,区自由电子浓度远高于,P,区。,扩散运动使靠近接触面,P,区的空穴浓度降低、靠近接触面,N,区的自由电子浓度降低，产生内电场。,因内电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了,PN,结。,漂移运动,由于扩散运动使,P,区与,N,区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从,N,区向,P,区、自由电子从,P,区向,N,区运动。,2.PN,结的单向导电性,（,1,）,PN,结外加正向电压,PN,结加正向电压导通：,耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，,PN,结处于导通状态。,2.PN,结的单向导电性,（,2,）,PN,结外加反向电压,PN,结加反向电压截止：,耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,3.PN,结的电容效应,PN,结具有一个与此等效的电容，称之为结电容。,结电容一般都很小，结面积小的约,1pF,左右，结面积大,的大约,几十至几百,pF,。,对于低频信号呈现很大的容抗，其作用可以忽略不计，,只有在信号频率较高时才考虑结电容的影响。,若,PN,结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,1.2,半导体二极管,1.2.1,二极管的结构和类型,将,PN,结加上两个电极引线和管壳，就成为半导体二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压,二极管,发光,二极管,点接触型：,它的,PN,结面积很小，因此不能通过较大电流，但由于结电容小，能在高频下工作，故一般适用于高频检波和小功率的工作，也用作,数字电路中的开关元件。,面接触型：,结面积大，结电容大，故可通过较大电流，适用于低频及大功率整流电路中。,平面型：,它用二氧化硅作保护层，使,PN,结不受污染，从而大大减小了,PN,结两端的漏电流。因此，它的质量较好，批量生产中产品性能比较,致。其中,PN,结面积大的可用作大功率整流和调整管，,PN,结面积小的可作高频管或高速开关管。,材料,开启电压,导通电压,反向饱和电流,硅,Si,0.5V,0.50.8V,1,A,以下,锗,Ge,0.1V,0.10.3V,几,十,A,1.2.2,二极管的伏安特性曲线,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,二极管的电流方程：,常温下（,T,=300K,），,26mV,。,从二极管的伏安特性可以看出,：,1.,单向导电性,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,2.,伏安特性受温度影响性,T,（）,在电流不变情况下管压降,u,反向饱和电流,I,S,，,U,(BR),T,（）,正向特性左移，反向特性下移,增大,1,倍,/10,1.2.3,二极管的主要参数,(1),最大整流电流,I,FM,二极管长期连续工,作时，,允许通过的最大正,向平均电流。,(2),最高反向工作电压,V,RM,保证二极管不被,反向击穿而允许外加的,最大反向电压。,(3),反向饱和电流,I,S,是管子未击穿时的反向电流值。,I,S,越小，二极管的单向导电性越好。,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),最高工作频率,f,M,f,M,是,二极管工作的上限频率。超过此值，由于结电容的作用，二极管的单向导电性将不能很好的体现。,C,+,-,当,f,很高时，,很小，电容近似短路，二极管,失去单向导电作用。,C,？,1.2.4,二极管的等效模型,1.,实用模型,近似分析中最常用,导通时,U,D,V,on,截止,时,I,S,0,2.,理想模型,理想,二极管,理想开关,导通时,U,D,0,截止时,I,S,0,应,根据不同情况选择,不同的等效模型！,3.,低频小信号交流等效模型（,微变等效电路,）,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,u,i,=0,时直流电源作用,小信号作用,Q,点越高，,r,d,越小。,静态电流,1.2.5,其它类型二极管,1.,稳压二极管,稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管。,由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，,故简称稳压管。,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,（,1,）稳定电压,V,Z,稳压管的主要参数,:,稳定电压是稳压管在正常工作时管子两端的电压。,（,2,）稳定电流,I,Z,（,3,）电压温度系数,I,Z,是稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流小于此值，稳压管的,稳压效果变差，电流大于此值，只要不超过额定功耗，电流越大，稳,压效果越好。,表示温度每变化,1,，稳压值的变化量。这是说明稳压值受温度变化,影响的参数。,（,4,）,动态电阻,r,z,r,z,U,Z,/,I,Z,（,5,）最大允许耗散功率,P,ZM,P,ZM,I,ZM,U,Z,2.,发光二极管,发光二极管,也具有单向导电性,。只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，它的开启电压比普通二极管的大，红色的在,1.61.8V,之间，绿色的约为,2V,。,发光二极管导通以后（有电流通过），能发出红、黄、绿、橙等不同颜色的光，发光颜色取决于管子所用的材料。,3,光电二极管,光电二极管是远红外线接收管，是一种光电转换器件。,它的结构与,PN,结二极管类似，但在它的,PN,结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照，并将接收到的光的强弱变化转换成电流的变化。,这种器件正常工作时，,PN,结处于反向偏置状态,，它的反向电流会随光照强度（照度）的增加而增加。,4.,变容二极管,变容二极管是根据二极管外加反向电压时，其,等效电容随外加反向电压的变化而变化,的特性制成的一种半导体器件相当于压控电容。,1.2.6,二极管组成的基本应用电路,例,1.2.1,如图,1.2.8,所示电路，,R,=1k,，,V,REF,=3V,，二极管为硅管。分别用理想化模型和实用化模型求解以下两问：（,1,）,v,I,=0V,、,3.3V,、,5V,时，求出相应的输出电压值；（,2,）当,v,I,=6sin,t,(V),时，画出相应的输出电压波形。,解：,（,1,）,v,I,（,V,）,0,3.3,5,(,理想模型,),二极管状态,v,O,(,V,）,(,实用模型,),二极管状态,v,O,(V,）,0,0,3,3,3.3,3.7,截止,导通,导通,截止,截止,导通,1.,限幅电路,（,2,）,理想模型,当,v,I,=6sin,t,(V),时,当,v,I,-3,0,，即,v,I,3V,时，二极管导通，,这时,v,O,=,V,REF,=3V,。,当,v,I,-30,，即,v,I,3V,时，二极管截止，,v,O,=,v,I,。,实用模型,当,v,I,-3,0.7V,，即,v,I,3.7V,时，二极管导通，,这时,v,O,=0.7+,V,REF,=3.7V,当,v,I,-30.7V,，即,v,I,3.7V,时，二极管截止，,v,O,=,v,I,。,二极管导通，,u,L,=,u,2,二极管截止,u,L,=0,u,2,0,时:,u,2,0,时:,u,2,u,L,u,D,t,2,3,4,0,2.,整流电路,半波整流电路,全波整流电路,+,+,原理：,+,+,变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压,u,2,当,u,2,正半周时，,D,1,导通，,D,2,截止。,当,u,2,负半周时，,D,2,导通，,D,1,截止。,全波整流电压波形,u,2,u,L,u,D1,t,2,3,4,0,u,D2,v,I1,/V,v,I2,/V,v,O,/V,D,1,状态,D,2,状态,0,0,0,5,5,0,5,5,例,1.2.3,导通,导通,0,导通,截止,0,截止,导通,0,截止,截止,5,解：,3.,开关电路（二极管与门）,v,I1,v,I2,Y,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,1,(1),输入保护,4,集成运放输入（输出）保护电路,(2),电源保护,输入端保护电路使净输入电压最大值为,U,D,第,3,章 作业,3.1,3.2 3.3,3.4(b,、,d,、,f)3.5,（,b,、,d,）,3.6 3.11,三、基本电路的组成,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻必不可少！,稳压管组成的,限幅电路,在,电压比较器中，,为保护运放输入端，需限制其输入电压幅值；为,适应负载对电压幅值的要求，输出端需加限幅电路。,U,OH,U,Z1,U,D2,必要吗？,U,OL,(,U,Z2,U,D1,),U,OH,U,Z,U,OL,U,D,锗管,输出低电平接近零的限幅电路,例,4,：图示电路，已知发光二极管的导通电压为,1.6,V,，,正向电流为,5 20,mA,时才能发光。试问：,（,1,）开关处于何位置时发光二极管可能发光,（,2,）为使发光二极管发光，电路中,R,的取值范围是多少,解：,1,）,开关断开时。,2,）,R,的取值范围是,220 880,。,例,3.2.1,图示电路，二极管导通电压为,0.7,V,，,试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。,解：,1,）,开关断开时。,2,）,开关闭合时。,