第一章半导体二极管及其电路分析

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,*,南理工紫金学院,模拟电子线路,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,*,南理工紫金学院,模拟电子线路,授课教师：申继伟,电话：,13851541979,模拟电子技术,第一章 半导体二极管及其电路分析,半导体器件是构成电路的基本元件，构成半导体器件的材料是经过加工的半导体材料，因此半导体材料的性质在很大程度上决定了半导体器件的性能。,1.1 半导体的基础知识,1.2 半导体二极管及其特性,1.3 二极管基本应用电路,及其分析方法,1.4 特殊二极管,1.1 半导体的基础知识,自然界中的物体，根据导电能力(电阻率)可分为：导体、绝缘体、半导体。,常见的半导体材料为硅（Si）和锗（Ge）。,价电子,价电子,惯性核,1.1.1 本征半导体,共价键：,半导体的基础知识,对电子束缚较强,电子,-,空穴,载流子,1、本征半导体中电子空穴成对出现，且,数量少,结论：,2、半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电,3、本征半导体导电能力,弱,，并与,光照和温度,有关,。,制造半导体器件的材料不是本征半导体，而是人为的掺入杂质的半导体，目的是为了提高半导体的导电能力,1.1.2 杂质半导体,1、掺入,5,价元素（,磷、砷、锑,）,2、掺入,3,价元素（,硼、铝、铟,）,1 掺入5价元素（磷）,自由电子,电子,为多数载流子,多子,空穴,为少数载流子,少子,掺杂磷,产生的自由电子数,本征激发,产生,的电子数,自由电子数空穴数,N,型半导体,载流子数,电子数,磷原子：,施主原子,杂质半导体,N型半导体的简化图示,多子,少子,2 掺入3价元素（硼）,掺杂硼产生的空穴数热激发产生的空穴,空穴数自由电子,空穴,为,多子,电子,为,少子,P,型半导体,硼原子：,受主原子,载流子数,空穴数,P型半导体的简化图示,多子,少子,3 半导体的导电性,空 穴,自由电子,I=I,P,+I,N,本征半导体电流很弱。,N型半导体：,I,I,N,P型半导体：,I,I,P,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响。,一些典型的数据如下:,T,=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:,n,=,p,=1.410,10,/cm,3,掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:,n=,510,16,/cm,3,以上两个浓度基本上依次相差10,6,/cm,3,4杂质对半导体导电性的影响,N,型半导体：电子为多子，空穴为少子 载流子数自由电子数 施主原子提供电子，不能移动，带正电。,总结：,P,型半导体：空穴为多子，电子为少子 载流子数空穴数 受主原子提供空穴，不能移动，带负电。,1.1.3 PN结及其单向导电性,一 PN结的,形成,P,N,电子,空穴,由于载流子的,浓度差,引起多子的,扩散运动,由于,复合,使交界面形成,空间电荷区（,耗尽区,）,空间电荷区,内建电场,阻碍多子的扩散运动,有利于少子的漂移运动,引起载流子定向移动的类型,1、,扩散电流,：载流子的浓度差引起,2、,漂移电流,：由于电场引起的定向移动,在PN结中扩散和漂移最后达到,动态平衡,即扩散电流漂移电流，总电流0,PN结,PN结,二、PN 结的单向导电性,1,正向偏置,（P区接电源正极，N区接电源负极）,内电场,外电场,外电场的作用使空间电荷区变,窄,，扩散运动加剧，漂移运动减弱，从而形成,正向电流,。,此时PN结呈现低阻态，PN结处于,导通,状态，理想模型为闭合开关。,PN结,2,反向偏置,（P区接电源负极，N区接电源正极）,内电场,外电场,外电场的作用使空间电荷区变,宽,，扩散运动变弱，漂移运动加强，从而形成,反向电流，也称为漂移电流,。,此时PN结呈现高阻态，漂移电流很小，此时PN结处于,截止,状态，模型相当于开关打开。,结论,PN结,反向偏置,时，呈现高电阻，具有很小的,反向漂移电流,，,且和温度有关,。,PN结,正向偏置,时，呈现低电阻，具有较大的,正向扩散电流,；,由此可以得出结论：,PN结具有单向导电性,。,PN结,3 PN结的伏安特性,理论分析知，PN结所加电压,u,和电流,i,的关系为：,为反向饱和电流,q,为电子电量,k,为玻尔兹曼常数,常温时,加,正向电压:,加,反向电压:,PN结,1、N型半导体带负电，P型半导体带正电。这种说法是否正确？,2、N型半导体的多子是（），P型半导体的多子是（）。,3、PN结中扩散电流的方向是从（ ）区指向（ ）区，漂移电流的方向是（ ）区指向（ ）区。,4、 PN结外加正向电压时（ ）电流大于（ ）电流，此时耗尽层变（ ）。,5、采取保护措施的条件下（ ）击穿可以利用，但（ ）击穿是永久性损坏器件的击穿。,思考题,N型半导体：电子为多子，空穴为少子 载流子数自由电子数 施主原子提供电子，不能移动，带正电。,复习,P,型半导体：空穴为多子，电子为少子 载流子数空穴数 受主原子提供空穴，不能移动，带负电。,半导体中有两种自由电荷参与导电：,电子和空穴。,PN结,反向偏置,时，呈现高电阻，少子的定向移动形成很小的,反向漂移电流,，,且和温度有关。,PN结,正向偏置,时，呈现低电阻，多子的定向移动形成较大的,正向扩散电流,，电流方向由P指向N。,PN结具有单向导电性,。,PN结,1.2.1 二极管的结构与类型,构成：,PN 结 + 管壳 + 引线=二极管(Diode),1.2 半导体二极管及其特性,分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,半导体二极管的类型,稳压二极管,按用途分,整流二极管,开关二极管,检波二极管,点接触型,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等,高频小电流,电路。,半导体二极管,面接触型,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,半导体二极管,平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,半导体二极管,二极管的符号：,阳极,阴极,半导体二极管,1.2.2 二极管的伏安特性,半导体二极管,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,U,th,死区,电压,反向特性,I,S,O,u,D,/V,i,D,/mA,-U,(BR),反向击穿,U,一 正向特性,i,D,= 0,U,th,=,0.5 V,0.1 V,(硅管),(锗管),U,U,th,i,D,急剧上升,0,U,U,th,U,D(on),= (0.6,0.8) V,硅管,0.7 V,(0.1,0.3) V,锗管,0.2 V,O,u,D,/V,i,D,/mA,正向特性,U,th,反向特性,I,S,-U,(BR),反向击穿,-U,(BR),U,0,i,D,=,I,S,(硅),0.1,A,几十,A,(锗),U,-,U,(BR),反向电流急剧增大,(反向击穿),二 反向特性,O,u,D,/V,i,D,/mA,正向特性,U,th,反向特性,I,S,-U,(BR),反向击穿,硅管的伏安特性,锗管的伏安特性,60,40,20, 0.02, 0.04,0,0.4,0.8,25,50,i,D,/ mA,u,D,/ V,i,D,/ mA,u,D,/ V,0.2,0.4, 25, 50,5,10,15,0.01,0.02,0,三 反向击穿特性：,电击穿,热击穿,反向击穿原因,：,齐纳击穿,：,(Zener),反向电场太强，将电子强行拉出共价键。,(,击穿电压, 6 V,),四 温度对二极管特性的影响：,60,40,20, 0.02,0,0.4,25,50,i,D,/ mA,u,D,/ V,20,C,90,C,随着温度的升高，,正向,特性曲线,左移,，即正向压降减小；,反向,特性曲线,下移,，即反向电流增大。,一般在室温附近，温度每,升高1,，其,正向压降减小2-2.5mV,；,温度每,升高10,，,反向电流,大约,增大1倍左右。,半导体二极管,1.2.3 二极管的参数,1.,I,F,最大整流电流,(二极管长期连续工作时允许通过的最大正向平均电流 ),2,.,U,BR,管子反向击穿时的电压,半导体二极管,3,.,U,RM,最高反向工作电压,，,实际上只按照,U,(BR),的一半来计算,4,.,I,R,反向电流,(管子未被击穿前的反,向电流，该值越小单向导电性越好),6,.,f,M,最高工作频率,(二极管工作的,上限频率，超过该频率时，结电容起,作用，不能很好的体现单相导电性)。,5,.,U,D(on),导通电压：,二极管在正向电压工作时，管两端会产生正向电压降，其压降值越小管越好。硅为0.7V，锗为0.2V。,半导体二极管,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,半导体二极管,一、理想二极管,特性曲线,u,D,i,D,符号及等效模型：,S,正偏导通，,u,D,= 0；,反偏截止，,i,D,= 0,S,1.3 二极管基本应用电路及其分析方法,半导体二极管,二极管基本电路如图所示，,V,DD,=10,V,，应用理想模型求解电路的,U,D,和,I,D,。,例1,I,D,=（V,DD,-U,D,）R,= （10-0）V10K,=1mA,U,D,=0V,解：,半导体二极管,二、二极管的恒压降模型,u,D,i,D,U,D(on),u,D,=,U,D(on),0.7 V (Si),0.2 V (Ge),i,D,u,D,U,(BR),I,F,U,RM,O,半导体二极管,硅二极管基本电路如图所示，试求电流,I,1,I,2,I,O,和,U,O,例,半导体二极管,1、限幅电路：,它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。,例,：一限幅电路如图所示，,R,=1K，,V,REF,=3V。当U,i,=6sint(V)时，利用,恒压降模型,绘出相应的输出电压,U,O,的波形。二极管的恒压降为0.7V。,U,i,3.7V时D导通， U,O,=0.7+3=3.7V,U,i,0V时D2、D3导通，,U,O,= U,i,U,i,0V时D4、D1导通，,U,O,= -U,i,半导体二极管,半导体二极管,二极管的单向导电性应用很广，可用于：限幅、整流、开关、检波、元件保护等。,应用,半导体二极管,三、二极管的折线近似模型,u,D,i,D,U,ON,U,I,斜率1/,r,D,r,D,U,ON,i,D,u,D,U,(BR),I,F,U,RM,O,半导体二极管,三 小信号模型,如果二极管工作在V-I特性的某一小范围内工作时，则可以把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是动态电阻,r,d,半导体二极管,例:如图所示,输入电压,U,I,为,10V,分析当,U,I,变化,1V,时,输出电压,U,O,的相应变化量和输出电压量.,1.4 特殊二极管,1.4.1 稳压管,稳压管又称齐纳二极管，它是一种特殊工艺制造的半导体二极管。它的符号如图所示。,当反向电压加到某一定值时,U,Z,，产生反向击穿，反向电流急剧增加，,只要控制反向电流不超过一定值,，管子就不会损坏。,1、稳压管的伏安特性,工作在反向击穿特性区,_,2、稳压管的主要参数, 稳定电压,U,Z,指规定电流下稳压管的反向击穿电压。稳压管的稳定电压低的为,3V,，高的可达,300V,，它的正向电压约为,0.6V,。, 稳定电流,I,Z,（,I,zmin,-I,zmax,）,指稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流低于,I,zmin,时稳压效果变坏，甚至根本不稳压。,_, 额定功耗,P,ZM,指稳压管的稳定电压与最大稳定电流的乘积。, 温度系数,指温度每变化1,时稳压值的变化量。,V,Z,小于4V的管子具有负温度系数，,V,Z,大于7V的管子具有正温度系数。4V至7V的管子温度系数非常小。, 动态电阻,r,z,指稳压管两端的电压变化与电流变化之比。曲线越陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻,电阻的作用一是起,限流,作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以,调节,稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,注意,接法：,反接,电阻,R,的作用：,限流,R,L,代表：,负载,工作区：,反向击穿,3、稳压管的基本电路,三、应用,例1：,电路如图，求流过稳压管的电流,I,Z,，,R,是否合适？,解：,故，,R,是合适的。,例2：,电路如图，,I,Zmax,=50mA，,R,=0.15K,UI,=24V,I,Z,=5mA,U,Z,=12V，问当,R,L,= 0.2K 时，电路能否稳定，为什么？当,R,L,= 0.8K 时，电路能否稳定，为什么？,解：,例3、,电路如图，,U,I,=,12,V ，U,Z,=,6,V ，R=,0.15,K ，I,Z,=,5,mA，I,ZMAX,=,30,mA,问保证电路正常工作时,RL,的取值范围,解：,例4：,已知,u=10sin(,t)V ,U,Z,= 6V, I,Z,=10mA ，,I,zmax,=30mA, 画出,uo,的波形，并求限流电阻R的最小值。,例5：已知,u=10sin(,t)V ,UZ=,+,6V, IZ=10mA ，,Izmax=30mA, 画出,uo,的波形，并求限流电阻R的最小值。,例6：,已知,u=3sin(,t)V ,U,Z,= 6V, I,Z,=10mA ，,I,zmax,=30mA, 画出,uo,的波形，并求限流电阻R的最小值。,例7,稳压电路如图所示，直流输入电压V,I,的电压在,12V13.6V,之间。负载为,9V,的收音机，当它的音量最大时，需供给的功率为,0.5W,。稳压管的,V,Z,=9V,，稳定电流,I,Zmin,=5mA,，额定功率为,1W,，,R=51,。试分析稳压管电路能否正常工作。,收音机所需电流,流过R的电流为,流过稳压管的电流为,由于收音机音量最大时，稳压管流过的电流,稳压管的稳定电流范围为：,所以,稳压管失去了稳压作用。,其它类型二极管,发光二极管,光电二极管,发光二极管,发光二极管是通过电流时发光的一种器件，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。发出的光的波长由所使用的基本材料而定。它的符号如图所示。,发光二极管基本电路,工作区：,正向偏置,接法：,正接,作用：,把电信号转换成光信号,主要应用：,作为显示器件,光电二极管,光电二极管的结构与普通二极管类似，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。这种器件的PN结在,反向偏置状态,下运行，它的反向电流随光照度的增加而上升。它的符号如图所示。,光电二极管基本电路,接法：,反接,工作区：,反向偏置,作用：,把光信号转换成电,信号,光电二极管的伏安特性,