模拟电子技术基础1半导体二极管及其应用-ch

,电子线路由有源电子器件和电阻、电容、电感等元件组成,半导体器件是构成电子线路的核心部件。本章首先阐述半导体的导电特性和,PN,结的形成机理,再讨论半导体二极管,的结构、伏安特性主要参数和等效电路模型，并列举了半导体二极管典型应用电路。,本章简介,1.1,半导体的基础知识,1.,3,半导体二极管,1.,2,PN,结的形成及其单向导电性,1.,4,半导体二极管的典型应用,1,半导体二极管及其应用,模拟电子技术基础,本征半导体,杂质半导体,及载流子的运动,1,、,N,型半导体,2,、,P,型半导体,3,、,半导体中载流子的运动,本节内容,1.1,半导体,的基础知识,1.1.1,本征半导体,无杂质,稳定的结构,本征半导体,是,纯净,的具有,晶体结构,的半导体。,(,在,T,=0K,时，相当于绝缘体,),。,什么是半导体？什么是本征半导体？,导体,铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体,惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间，如,硅（,Si,）、锗（,Ge,）等，均为四价元素（,其原子最外层电子一般为,4,个,，受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间）。,1.1,半导体,的基础知识,导电特性：,(1),掺杂效应：,在本征半导体,(,纯净的且晶体结构完整的半导体，在,T,=0K,时，相当于绝缘体。,),中掺入少量其他元素,(,杂质,),，可以改变和控制半导体的导电能力和导电类型，藉此特性可制造各种半导体器件；,(2,),热敏效应,：温度变化可以改变半导体的导电能力，藉此热敏效应可制造热敏元件；,(3),光敏效应,：光照可以改变半导体的导电能力，并产生电动势，藉此光电效应可制造光电晶体管、光电耦合器和光电池等光电器件。,1.1,半导体,的基础知识,(,1,),本征半导体,的,结构,(1),T,=0K(-273),共价键结构稳定，无自由电子,-,不导电,(3),复合,：自由电子填补空穴，自由电子,-,空穴成对消失。,一定温度下，本征激发与复合运动达到动态平衡，自由电子与空穴的浓度一定且相等，可按,式,(1-1),计算。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，本征半导体的导电能力增强。,(2),本征激发,（热激发）,T,、光照，电子,-,空穴成对出现：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，共价键中留有一个空位置，称为空穴。,+4,+4,价电子,自由电子,空穴,+4,+4,+4,共价键,注意区别：价电子与自由电子,1.1,半导体,的基础知识,本征半导体中载流子数目少，导电性差。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。,热力学温度,0K,时不导电。,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？,(2),、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子,。,两种载流子,本征半导体中存在两种载流子,-,带负电的自由电子和带正电的空穴。外加电场作用下，两种载流子均参与导电，且运动方向相反。,理解与区别：二者导电的本质。,1.1,半导体,的基础知识,自由电子：本征激发施主杂质提供,-,多,(,数载流,),子,空穴：本征激发产生,-,少,(,数载流,),子,掺入五价元素杂质的半导体主要靠自由电子导电，掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强，因此称为,电子型或,N,型半导体,。,1.1.2 杂质半导体 - 载流子数,杂质一般有两种,:,五价,(,磷,) N(,电子,),型； 三价,(,铟,) P(,空穴,),型,1. N,型半导体,-,掺入五价施主杂质,1.1,半导体,的基础知识,1.1.2 杂质半导体 - 载流子数,2. P,型半导体,-,掺入三价受主杂质,杂质半导体以多子导电为主。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电能力越强，实现导电性可控。,空穴：本征激发受主杂质提供,-,多子,自由电子：本征激发产生,-,少子,掺入三价元素杂质的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，因此称为,空穴型或,P,型半导体,。,1.1,半导体,的基础知识,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控,。,N,型半导体主要靠电子导电，其多数载流子是电子，掺入杂质越多，电子浓度越高，导电性越强。,那么空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,P,型半导体主要靠空穴导电，其多数载流子是空穴，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。,那么空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,1.1,半导体,的基础知识,3,、,半导体中载流子的运动,注意,:,自由电子导电,-,是在外电场或浓度梯度作用下，本身的定向,运动,空穴导电,-,是在外电场或浓度梯度作用下，价电子依次,填补空穴的运动。,载流子浓度差,(,浓度梯度,),作用下，载流子的定向运动产生扩散电流,电子流,外电场作用下，载流子定向运动产生 漂移电流,空穴流,扩散运动,漂移运动,1.1,半导体,的基础知识,1.2.1,PN,结的形成,1.2.2,PN,结的单向导电性,1. PN,结正偏导通,2.,PN,结反偏截止,1.2.3,PN,结的电容特性,1.,势垒电容,2.,扩散电容,本节内容,1.2 PN,结,及其单向导电性,P,区,N,区,空间电荷区,PN,结的形成,E,0,U,x,x,-,x,P,x,N,(b),O,U,为接触电位差,，,是当,E,0,恒定时，在,PN,结中产生的电位差,浓度差,多子扩散,复合,多子扩散,少子漂移,动态平衡时空间电荷区宽度恒定,PN,结形成,:,内电场,少子漂移,空间电荷,内电场,多子扩散,内电场,少子漂移,不利于多子扩散,有利于少子漂移,内电场,形成空间电荷区,E,1.2 PN,结,及其单向导电性,PN,结的形成,因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,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，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,(,有利于漂移运动的进行,),。,1.2 PN,结,及其单向导电性,PN,结的,单向导电性,正偏电流大,反偏电流小,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。,1.,正偏导通,U,E,外,与,E,0,反向,PN,结厚度,电位差,(U,- U,),有利多子扩散，不利少子漂移，扩散电流远大于漂移电流,在,PN,结中形成从,P,区流向,N,区的数值较大的正向电流,I,F,，二极管导通。,1.2 PN,结,及其单向导电性,PN,结的,单向导电性,正偏电流大,反偏电流小,U,E,外,与,E,0,同向,PN,结厚度,电位差,(U,- U,),不利于多子扩散，利于少子漂移，扩散电流少于漂移电流,但少子数很少,，反向电流很小,二极截止。,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。,2.,反偏截止,I,R,I,S,(,几乎恒定,)-,反向饱和电流,1.2 PN,结,及其单向导电性,PN,结的电容效应,1.,势垒电容,PN,结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容,C,T,。,2.,扩散电容,PN,结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容,C,D,。,结电容：,结电容不是常量！若,PN,结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,反偏时：,C,T,C,D,，,C,J,C,T,正偏时：,C,D,C,T,，,C,J,C,D,1.2 PN,结,及其单向导电性,1.3.1,半导体二极管的结构与符号,1.3.2,半导体二极管的伏安特性,1.3.3,半导体二极管的主要参数,1.3.4,半导体二极管的小信号等效电路模型,本节内容,1.,3,半,导体二极管,半导体二极管的结构与符号,将,PN,结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,点接触型：,结面积小，结电容小,(100MHz),(,用于高频和小功率整流,),面接触型：,结面积大，结电容大，结允许的电流大，最高工作频率低,(,一般仅作为整流管,),平面型：,结面积可小、可大；小的工作频率高，作为,数字电路中的开关管,，大的结允许的电流大，,用于大功率整流,常见外形,1.,3,半,导体二极管,1.3.2,半导体二极管的伏安特性,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性,4,2,6,8,10,1,2,3,i,D,(mA),(,A),Si,Ge,0.2,0.4,0.6,0.8,-20,-40,-60,0,-U,(BR),-U,(BR),I,s,U,D(th),u,D,(V),击穿电压,反向饱和电流,开启电压,温度的,电压当量,常温下,材料,开启电压,导通电压,反向饱和电流,硅,Si,0.50.6V,0.60.8V,1,A,以下,锗,Ge,0.10.2V,0.10.3V,几十,A,1.,3,半,导体二极管,1.3.2,半导体二极管的伏安特性,分为三个工作区,:,4,2,6,8,10,1,2,3,i,D,(mA),(,A),Si,Ge,0.2,0.4,0.6,0.8,-20,-40,-60,0,u,D,(V),-U,(BR),-U,(BR),I,s,图,1-12,二极管伏安特性曲线,U,D(th),正向工作区,(2),反向工作区,(3),击穿区,1.,3,半,导体二极管,1.3.2,半导体二极管的伏安特性,从二极管的伏安特性可以反映出：,1.,单向导电性,2.,伏安特性受温度影响,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,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,1.,3,半,导体二极管,1.3.3,半导体二极管的主要参数,最大整流电流,I,F,：,允许通过的最大正向平均电流,最大反向工作电压,U,R,：二极管在使用时所允许的最大反向电压,(,瞬时值,),反向电流,I,R,：即,I,S,最高工作频率,f,M,：,由,PN,结电容决定的频率参数,直流电阻,交流电阻,静态工作点,（,动态电阻、微变电阻）,I,DQ,、,U,DQ,R,D,r,d,非线性,1.,3,半,导体二极管,理想,二极管,近似分析中最常用,理想开关,导通时,U,D,0,截止时,I,S,0,导通时,U,D,U,on,截止时,I,S,0,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1.3.4,半导体二极管的等效电路,导通时,i,与,u,成线性关系,(1),理想模型,(2),恒压降模型,(3),折线模型,适用于电源电压远大于二极管的管压降,只有当二极管的电流,i,D,1,mA,才是正确的,二极管的导通电压随其电流而变,这些模型用于直流分析或交流输入信号幅度较大的电路（如整流、限幅）,1.,3,半,导体二极管,(4),小信号等效电路模型,Q,越高，,r,d,越小。,u,i,=0,时直流电源作用,小信号作用,当二极管在静态基础上有一小幅度交流信号作用时，可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也即微变,(,小信号,),等效电路。,当信号频率较低时，,C,J,的容抗远大于,r,d,C,J,可视为开路,二极管的低频小信号模型只由,r,d,组成。,1.,3,半,导体二极管,(1),电路符号与伏安特性,由一个,PN,结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变,实现稳压。,(2),主要参数,稳定电压,U,Z,最小稳定电流,I,Zm,最大功耗,P,ZM,I,ZM,U,Z,动态电阻,r,z,U,Z,/,I,Z,1.3.5,稳压管,稳压性能,Z,r,I,Z,I,ZM,，,即,P,Z,P,ZM,VS,会烧毁。,最大允许电流,I,ZM,工作电流,I,Z,应,I,Zm,I,Z,I,ZM,-,由限流电阻保证,稳压管应用注意事项,：,(1),选取稳压值,U,Z,=,U,O,，,且,VS,与,R,L,并联；,(2),VS,反偏，且,U,I,U,Z,(,一般,U,I,1.5,U,Z,),；,(3),稳压电路由限流电阻,R,与,VS,串联构成。,1.,3,半,导体二极管,应用,-,并联型稳压电路,U,Imin,U,Imax,I,Lmax,I,Lmin,R,Lmin,R,Lmax,如何取,R,值，才能保证,I,Zm,I,Z,I,ZM,？,入手点：令,I,Zmin,I,Zm,I,Zmax,I,ZM,由,U,I,=,U,R,+,U,Z,I,R,=,I,Z,+,I,L,当,U,I,=,U,I,min,，,I,L,=,I,Lmax,时，,I,Z,=,I,Zmin,当,V,I,=,V,Imax,，,I,L,=,I,Lmin,时，,I,Z,=,I,Zmax,令,I,Zmax,I,ZM,R,min,R,R,max,1.,3,半,导体二极管,令,I,Zmin,I,Zm,讨论一,判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。,判断二极管工作状态的方法？,讨论二,1.,已知,V,2V,二极管的导通电压,U,D,=0.7V,二极管中的直流电流为多少？,2.,若输入电压为正弦波,其有效值为,U,i,=10mV,，则流过二极管中的交流有效值为多少？最大值为多少,?,1.,4,半,导体二极管的典型应用,1.4.1,二极管整流电路,利用二极管的单向导电性将交流电压变成单一极性的直流脉动电压,-,整流,。,电路实现半波整流功能。,1.,4,半,导体二极管的典型应用,1.4.2,二极管限幅和钳位电路,限幅电路的传输特性,二极管限幅电路及波形图,电路实现限幅和钳位功能。,1.,4,半,导体二极管的典型应用,1.4.3,稳压管稳压电路,【,例,1-1】,已知稳压管的稳定电压,U,Z,=,5.1V,，最小稳定电流,I,Zm,=,5mA,；最大允许电流,I,ZM,=25mA ;,负载电阻,R,L,=600,。求限流电阻,R,的取值范围。,解：,