《模拟电子电路》二极管及其基本电路--课件

单击此处编辑母版标题样式,(1-,*,第三章,二极管及其基本电路,模拟电子电路,(1-,1,),第三章,二极管及其基本电路,3.1,半导体基本知识,3.2,PN,结及半导体二极管,(1-,2,),3.1.1,导体、半导体和绝缘体,一、导体,自然界中很容易导电的物质称为,导体,，金属一般都是导体。,二、绝缘体,有的物质几乎不导电，称为,绝缘体,，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,三、半导体,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。,3.1,半导体基本知识,(1-,3,),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。例如：,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。,(1-,4,),3.1.2,本征半导体,一、本征半导体结构,Ge,Si,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成,晶体,。,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。,(1-,5,),本征半导体：,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,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。,硅和锗的晶体结构：,(1-,6,),硅和锗的共价键结构,共价键共,用电子对,+4,+4,+4,+4,+4,表示除去价电子后的原子,(1-,7,),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。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,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,(1-,8,),二、本征激发,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,。,1.,载流子、自由电子和空穴,(1-,9,),+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,束缚电子,(1-,10,),2.,本征半导体的导电机理,+4,+4,+4,+4,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，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。,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,。,(1-,11,),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。,本征半导体中电流由两部分组成：,1.,自由电子移动产生的电流。,2.,空穴移动产生的电流。,(1-,12,),3.1.3,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。,P,型半导体：,空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N,型半导体：,自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,(1-,13,),一、,N,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，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，其中四个与相邻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,。,(1-,14,),+4,+4,+5,+4,多余,电子,磷原子,N,型半导体中的载流子是什么？,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。,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,）。,(1-,15,),二、,P,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼，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，与相邻的,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,。,+4,+4,+3,+4,空穴,硼原子,P,型半导体中空穴是多子，电子是少子,。,(1-,16,),杂质半导体的示意表示法：,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,杂质,型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子,。近似认为多子与杂质浓度相等。,(1-,17,),小结,1,、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。,2,、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。,3,、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。,4,、,P,型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。,N,型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。,5,、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。,(1-,18,),1.2.1,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。,3.2,PN,结及半导体二极管,一、多子扩散,(1-,19,),P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,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。,空间电荷区，,也称耗尽层。,(1-,20,),漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,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。,二、少子漂移,(1-,21,),+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,空间电荷区,N,型区,P,型区,电位,V,V,0,(1-,22,),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,区,中的空穴、,N,区,中的电子（,都是多子,）向对方运动（,扩散运动,）。,3.,P,区中的电子和,N,区中的空穴（,都是少,），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意,:,(1-,23,),3.2.2,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。,(1-,24,),+,+,+,+,R,E,一、,PN,结正向偏置,内电场,外电场,变薄,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,(1-,25,),二、,PN,结反向偏置,+,+,+,+,内电场,外电场,变厚,N,P,+,_,内电场被被加强，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。,R,E,(1-,26,),3.2.3,半导体二极管,一、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,触丝线,基片,点接触型,PN,结,面接触型,P,N,二极管的电路符号：,(1-,27,),二、伏安特性,U,I,死区电压 硅管,0.6V,锗管0,.2V,。,导通压降,:,硅管,0.60.7V,锗管,0.2,0.3V,。,反向击穿电压,U,BR,(1-,28,),三、主要参数,1.,最大整流电流,I,OM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.,反向击穿电压,U,BR,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,U,WRM,一般是,U,BR,的一半。,(1-,29,),3.,反向电流,I,R,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，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,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，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,(1-,30,),4.,微变电阻,r,D,i,D,u,D,I,D,U,D,Q,i,D,u,D,r,D,是二极管特性曲线上工作点,Q,附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，,r,D,是对,Q,附近的微小变化区域内的电阻。,(1-,31,),5.,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,C,B,和,扩散电容,C,D,。,势垒电容：,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,。,扩散电容：,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。,这样所产生的电容就是扩散电容,C,D,。,P,+,-,N,(1-,32,),C,B,在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，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,r,d,(1-,33,),二极管：,死区电压,=0.5V,，正向压降,0.7V(,硅二极管,),理想二极管：,死区电压,=0,，正向压降,=0,R,L,u,i,u,o,u,i,u,o,t,t,二极管的应用举例,1,：,二极管半波整流,(1-,34,),二极管的应用举例,2,：,t,t,t,u,i,u,R,u,o,R,R,L,u,i,u,R,u,o,(1-,35,),3.2.4,稳压二极管,一、结构,用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管。,二、特性,其正向特性与普通二极管相似；,因采用了特殊的设计和工艺，只要反向电流在一,定的范围内，,PN,结的温度不会超过允许值，不会,造成永久性击穿。,电流增量,I,Z,很大，只引起很小的电压增量,U,Z,一般工作在反向击穿区。,(1-,36,),U,I,I,Z,I,Zmax,U,Z,I,Z,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,+,-,U,Z,动态电阻：,r,z,越小，稳压性能越好。,(1-,37,),（,4,）,稳定电流,I,Z,、,最大、最小稳定电流,I,zmax,、,I,zmin,。,（,5,）最大允许功耗,三、稳压二极管的参数,（,1,）,稳定电压,U,Z,（,2,）,电压温度系数,U,（,%/,）,稳压值受温度变化影响的的系数。,（,3,）动态电阻,(1-,38,),负载电阻,。,要求,当输入电压由正常值发生,20%,波动时，负载电压基本不变。,稳压二极管的应用举例,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,稳压管的技术参数,:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为,I,z,max,。,求：,电阻,R,和输入电压,u,i,的正常值。,方程,1,(1-,39,),令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为,I,z,min,。,方程,2,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,联立方程,1,、,2,，可解得：,(1-,40,),3.2.5,特