模拟电路第2章半导体二极管及其基本电路

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,第二章、半导体二极管及其基本电路,2-1 半导体的基本知识,导体：铜，银，铝，铁,绝缘体：云母，陶瓷，塑料，橡胶,半导体：硅，锗,半导体得以广泛应用，是因为其导电性能会随外界条件的变化而产生很大的变化。,2-1-1 半导体材料,温度,：温度上升，电阻率下降。,锗由20上升到30，电阻率降低一半。,掺杂：,掺入少量的杂质，会使电阻率大大降低。,纯硅中掺入百万分之一的硼，电阻率由,2.310,5,cm降至0.4 cm。,光照,：光照使电阻率降低。,利用半导体的这些特性制成了各种各样的半导体器件。,引起导电性能产生很大变化的外界条件有：,2-1-2 锗、硅晶体的共价键结构,1、原子结构,硅,+14,锗,+32,共同特点,：,最外层具有4个价电子。,+4,2,晶格与共价键,半导体的共价键结构,处于共价键中的电子称为,束缚电子，,能量小，不能参与导电。,2-1-3 本征半导体与本征激发,本征半导体,：高度纯净，结构完整的半导体。,本征激发,：束缚电子获得一定的能量，脱离共价键的束缚而成为,自由电子,的现象。,(锗 0.67ev 硅 1.1ev),认为空穴带正电荷，电荷量等于电子电荷量。,自由电子失去能量，重新回到共价键上，称为,复合,。,本征激发后，共价键中留下的空位叫,空穴。,本征激发产生自由电子和空穴对。,空穴,空穴的运动,半导体中有两种载流子：,自由电子,和,空穴。,半导体中的电流是电子流和空穴流之和。,在本征半导体中自由电子数总等于空穴数，且浓度很低，导电能力差。,本征激发产生的载流子浓度随温度增加急剧增大。,束缚电子填补空穴的运动称,空穴的运动。,硅,原子外层电子,比锗,离核近，受原子核束缚力大，在同样温度下本征激发小，,温度稳定性好,。,2-1-4 杂质半导体,P,型半导体,在本征半导体中掺入微量,3价,元素（如硼）形成 。,+4,+3,+4,+4,+4,空穴-多数载流子（多子）,电子-少数载流子（少子）,本征激发产生,电子-空穴,对。,每一个三价杂质原子产生一个,空穴-负离子,对。,杂质元素使共价键上缺少1个电子,三价杂质称为受主杂质。,杂质原子获得一个电子成为负离子。,硅原子的共价键上缺少一个电子形成,空穴,2 N型半导体,在本征半导体中掺入少量的,五价,元素（如磷）形成。,杂质原子多余的一个价电子容易挣脱原子核的,束缚变成自由电子。,每一个5价杂质原子,产生一个,电子-正离子对。,本征激发：,电子-空穴,对。,杂质原子失去一个电子成为正离子。,5价杂质-施主杂质,电子-多子载流子,空穴-少子载流子,结论,掺杂会大大提高半导体中载流子浓度，使导电性能大增。,掺入五价杂质产生,N型,半导体（电子,型,半导体）。,多子电子、少子空穴。,掺入三价杂质产生,P型,半导体（,空穴型,半导体）。,多子空穴、少子电子。,多子浓度近似等于杂质浓度，,少子浓度与温度密切相关。,2-2 PN结的形成及特性,1、 PN结的形成,浓度差产生多子的扩散运动,，,扩散破坏了原来的电中性,P区失去空穴，留下负离子。,N区失去电子，留下正离子。,正负离子的数量相等。,n,p,P,N,在,P区和N区交界面附近，形成由不能移动的正负离子组成的区间称,空间电荷区,，也称,PN结区。,PN,结区,空间电荷区宽度与杂质浓度成反比。,内建电场,由空间电荷形成的电场。,内建电场阻止多子的扩散运动。,耗尽层,PN结内由于扩散与复合，使载流子几乎被耗尽，是高阻区。,也称为,阻挡层,。,结区,E,P,N,漂移运动,载流子在电场作用下产生的运动。,内建电场有利于少子的漂移运动。,扩散与漂移达到动态平衡时，形成PN结。,动态平衡时流过PN结的总电流为0,。,V,o,: 硅 0.60.8V,锗 0.10.3V,P,N,结区,E,V,0,电位,分布图,-qV,0,电子势能分布图,势垒区,空间电荷在结区内形成电位差，,称,接触电位差或结电压,2.2.2 PN结的单向导电性,(1) 外加正向电压,内电场,外电场,正向偏置,:,P区接电源端,N区接电源端,在外电场的作用下,P区空穴向结区运动，中和部分负离子。,N区自由电子向结区运动，中和部分正离子。,空间电荷减少，,结区变窄,。,V,F,原来的动态平衡被打破,多子的扩散电流远大于少子的漂移电流，,产生较大的正向电流I,F,。,P区、N区为低阻区，结区为高阻区，所以外加电压主要加在结区，抵消内电场的作用。, 结内电位差减小，势垒减小。,V,F,V,0,V,0,-V,F,外加电压很小变化，将引起电流的较大变化。,PN结正向导通，其正向导通电阻很小。,(2) 外加反向电压,内电场,V,R,外电场,反向偏置 :,P区接电源端，,N区接电源端。,结内电位差增加，,势垒提高。, P区的空穴，N区的自由电子，均背离结区运动，致使：,空间电荷增加，,结区变宽。,V,0,V,0,+V,R,多子的扩散电流趋于0，,由少子的漂移电流产生反向电流。,少子浓度很小，所以,反向电流很小。,PN结反向截止，反向截止电阻很大。,少子由本征激发产生，其浓度与材料及温度有关，,所以,反向电流几乎与反向电压的大小无关，而随温度增加急剧增大,结论,:,加正向电压，很小的电压能产生较大的 电流，外加电压很小变化，将引起电流的较大变化。,加反向电压，只能产生微小的反向电流，且反向电流的大小几乎与反向电压无关。,PN结正向电阻小，反向电阻大，具有单向导电性。,(3) PN 结的V-I特性,I,S,反向饱和电流,V,T,温度的电压当量,V,T,=kT /q,K=1.3810,-23,（J/K）,q=1.610,-19,C,T 绝对温度,当T=300K时 V,T,26mV,i,D,I,S,v,D,加正向电压,v,D,0,几乎与反向电压的大小无关,加反向电压,v,D,6V),反向击穿电压随温度上升而增加(正温度系数)。,PN 结电击穿的形式：,齐纳击穿,（场致击穿）,发生在搀杂浓度较高的PN结。,反压虽不太大，但结区窄，结内有很强的电场，将共价键的电子直接大量吸引出来而产生的。,特点,：击穿电压较小(管压降的情况,如开关电路,i,D,0v,D,=0,v,D,0i,D,=0,i,D,v,D,i,D,v,D,i,D,v,D,i,D,v,D,2、,恒压降模型,二极管正向导通时，认为其管压降V,F,=常数,（,硅管取0.7V,)。,用于直流分析时，电源电压较大，工作电流较大，,（1mA)，正向电压变化较小的情况。,i,D,v,D,i,D,v,D,i,D,v,D,i,D,v,D,3、折线模型,V,th,:门坎电压,(,硅管一般取0.5v,),i,D,v,D,二极管的正向压降随流过二极管正向电流的增加而线性增加。一般用于电源电压较小，工作电流较小的场合,。,r,D,V,th,i,D,v,D,根据二极管的电流I,D,和管压降V,D,可以求出r,D,I,D,V,D,i,D,v,D,V,th,i,D,v,D,4、,小信号模型,当输入变化的信号时，且信号幅度很小，二极管,工作在静态工作点Q附近的小范围内,则可以在小范围内把V-I特性曲线看成是过Q点的切线。,其斜率的倒数称微变电阻r,d,（动态电阻）,小信号模型只用于动态分析，,方程中求解的变量是信号量。,（电压和电流瞬时值的变化量）,r,d,D,r,d,的计算,r,d,与静态工作电流有关。,2-4-2 二极管模型分析法,1、静态分析,图解法,V,DD,V,D,I,D,R,I,D,=f（V,D,）,V,D,=V,DD,-I,D,R,V,Q,I,Q,R,V,DD,V,D,I,D, 模型分析法,理想模型,V,DD,0: I,D,=V,DD,/R,V,D,=0,V,DD,V,F,: V,D,=V,F,=0.7V,I,D,=(V,DD,-0.7)/R,V,DD,V,th,: I,D,=(V,DD,-V,th,)/(R+r,D,),V,D,=V,th,+I,D,r,D,=V,DD,-I,D,R,V,DD,0 V,i,3V 二极管导通,V,DO,0 V,i,0 V,i,3V 二极管导通,V,o,=V,R,=3V,V,DO,0 V,i,0.7V，,所以二极管采用恒压降模型。,计算二极管的微变电阻,r,d,= 26mV/I,D,= 28 欧姆,画微变等效电路,：直流电源取零值，二极管用其微变电阻代替，电路中的变量是电压、电流的变化量。,V,D,=0.7V,I,D,=（10-0.7）/10 =0.93mA,v,D,=,vr,d,/(R+r,d,),= 2.79mV,V,DD,R,D,I,D,0.7V,V,D,R,r,d,2-5 特殊二极管,2.5.1,稳压管,1、,原理,：,利用二极管反向击穿特性实现稳压,。反向击穿后，电流急剧增加，但电压基本保持不变。,只要反向电流限制在一定范围之内，管子不会损坏。,理想稳压管的特性,稳压值V,Z,与温度有关,V,Z,5.7V，雪崩击穿为主，具有正温度系数,V,Z,5.7V,温度系数最小,v,D,i,D,V,Z,V,D,i,D,0.7V,2、稳压管参数,稳定电压V,Z,反向电击穿时的工作电压。,稳定电流I,Z,测量稳定电压，动态电阻时的参考电流值。,i,Z,I,Z,，稳压性能较好，r,Z,减小。,额定功耗P,M,允许的最大功耗，一般 I,ZM,=P,M,/V,Z,动态电阻r,Z,反向击穿区斜率的倒数 r,Z,=dV,Z,/di,Z,|,i,Z,=I,Z,温度系数,温度变化1，稳定电压变化的百分数。,R限流电阻,使稳压管的电流在正常工作范围之内。,稳压过程,:,v,i,v,o,i,Z,i,R,v,R,v,o,R,L,i,o,i,R,v,o,i,Z,i,R,v,o,3 稳压管的应用,稳压,电平移动,限幅等,基本稳压电路,v,i,v,o,i,R,i,o,i,Z,R,R,L,例：V,z,=6V，I,zmin,=5mA ，I,zmax,=25mA,V,i,=10V、15V、35V, 求V,o,、I,Z,V,i,V,o,I,R,R,R,L,1K,0.5K,I,Z,V,i,V,o,R/R,L,I,Z,限流电阻的计算,输入电压的变化范围为:,V,imin,V,imax,负载电流的变化范围为:,I,omin,I,omax,稳压管正常工作电流范围为:,I,zmin,i,Z,I,zmax,V,i,V,Z,I,R,I,o,i,Z,R,R,L,已知 V,imin,=12V，V,imax,=13.6V, V,o,=9V, P,omax,=0.5W,稳压管参数：V,Z,=9V，P,M,=1W，I,Z,=5mA，,I,ZM,=P,M,/V,Z,=110mA，,求限流电阻R。,解:负载电流的的范围为:,I,omin,=0 I,omax,=P,omax,/V,o,=56mA,取标称值 R=47,V,i,V,o,I,R,I,o,i,Z,R,R,L,教材上取R=51,，只检验了稳压管的耗散功率，,没有检验其电流范围。,