模拟电子技术 3二极管及其基本电路

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1、2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.3 半导体二极管半导体二极管2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法2.5 特殊二极管特殊二极管2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分的不同，来划分 导体、绝缘体和半导体。导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。导电能力介于导体与绝缘体之间的物体，都是导电能力介于导体与绝缘体之间的物体，都是 半导体。半导体。硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体

2、结构价电子：最外层原子轨道上具有的电子（价电子：最外层原子轨道上具有的电子（4个）。个）。本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单 晶体形态。晶体形态。空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而产生的自由电子和空穴对产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。依次充填空穴来实现的。在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主使半导

3、体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为为杂质半导体杂质半导体。N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。（Negative负的字头）P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的 半导体。半导体。（Positive 正正的字头)1.N型半导体型半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价

4、键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原它主要由杂质原子提供子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。2.P型半导体型半导体 因三价杂质原子因三价杂质原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电键时，缺少一个价电子而在共价键中留下子而在共价键中留下一个空穴。一个空穴。在在P型半导体中型半导体中

5、空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺它主要由掺杂形成杂形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念end 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质

6、质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半导体和型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物型半导体的结合面上形成如下物理过程理过程:因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽

7、层。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 P 区 N 区载 流 子 的 扩 散 运 动P 区 空 间 电 荷 区 N 区P N 结 及 其 内 电 场内 电 场 方 向1.扩散运动扩散运动 2.PN PN结结3.漂移运动漂移运动 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为区的电位，称为加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。(1)PN结加正向电压时结加正向电压时PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电

8、流iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性结的伏安特性iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性结的伏安特性 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为区的电位，称为加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。(2)PN结加反向电压时结加反向电压时PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故

9、少子形成的漂移电流是少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。iD/mA1.00.5iD=IS0.51.00.501.0 D/V PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单结具有单向导电性。向导电性。(3)PN结结V-I 特性表达式特性表达式其中

10、其中iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=IS0.51.00.501.0 D/V)1(/SDD TVveIiIS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）V026.0 qkTVTmV 26 当当PN结的反向电压增加结的反向电压增加到一定数值时，反向电到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现流突然快速增加，此现象称为象称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。iDOVBR D热击穿热击穿不可逆不可逆PN结的电流和温升不断增结的电流和温升不断增加，使加，使PN结的发热超过它结

11、的发热超过它的耗散功率。的耗散功率。电击穿电击穿可逆可逆雪崩击穿雪崩击穿：由于碰撞电离使载流子产生倍增效应，使反向电流急剧增大由于碰撞电离使载流子产生倍增效应，使反向电流急剧增大。齐纳击穿齐纳击穿：在杂质浓度特别大的在杂质浓度特别大的PN结中加有较高的反向电压，破坏共价键结中加有较高的反向电压，破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子空穴对，使反向电流急剧增大。将束缚电子分离出来造成电子空穴对，使反向电流急剧增大。在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平点接触型、面接触型和平面型面型三大类。三大类。(

12、1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检波和变频等高频电路。高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造往往用于集成电路制造工艺中。工艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底(4)二

13、极管的代表符号二极管的代表符号(d)代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 aD二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1(/SDD TVveIi0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/AiD/mA死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性+iDvD-R正向特性正向特性反向特性反向特

14、性反向击穿特性反向击穿特性(1)最大整流电流最大整流电流IF(2)反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM(3)反向电流反向电流I IR R(4)正向压降正向压降VF(5)极间电容极间电容CB(A)势垒电容势垒电容CB 势垒电容示意图势垒电容示意图（Barrier Capacitance)用来描述势垒区的空用来描述势垒区的空间电荷随电压变化而间电荷随电压变化而产生的电容效应。产生的电容效应。在高频、反向偏置时在高频、反向偏置时CB起主要作用。起主要作用。(B)扩散电容扩散电容CD扩散电容示意图扩散电容示意图（Diffusion Capacitance)反映了在外

15、加正电压作反映了在外加正电压作用下，载流子在扩散过用下，载流子在扩散过程中积累的电容效应。程中积累的电容效应。在高频、正向偏置时在高频、正向偏置时CD起主要作用。起主要作用。半导体二极管图片end 1.理想模型理想模型3.折线模型折线模型 2.恒压降模型恒压降模型 4.小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。其正向特性可以等效成一个微变电阻。常温下（常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 1.二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型

16、理想模型（R=10k）（1）VDD=10V 时时mA 93.0/)(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7.0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型V 5.0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931.0DthDDD rRVVI k 2.0Dr设设V 69.0DDthD rIVV+DiDVDD+DiDVDDVD+DiDVDDrDVth（2）VDD=1V 时时（自看）（自看）例：电路如图所示，已知例：电路如图所示，已知E=5V，ui=10sint V，二极管的正向压降可忽略不计，试画出二极管的正向压降可忽略不计，试画出uo的波形的波形RDEu0ui0tuiu0

17、解：解：ui 例：下图中，已知例：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，为锗管，求输出端求输出端Y的电位并说明的电位并说明二极管的二极管的作用。作用。DA 12VFABDBR解：解：DA优先导通，则优先导通，则VF=30.3=2.7VDA导通后导通后,DB因反偏而截止因反偏而截止,起隔离作用起隔离作用,DA起钳位作用起钳位作用,将将Y端的电位钳制在端的电位钳制在+2.7V。3.开关电路开关电路例例2.4.3（略）（略）规律：共阳极接法，电压低者先导通；规律：共阳极接法，电压低者先导通；共阴极接法，电压高者先导通。共阴极接法，电压高者先导通。4.低电压稳压电路（略）低电压稳压电路

18、（略）(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性(1)稳定电压稳定电压VZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向工作电流工作电流IZ下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常稳压时正常稳压时 VO=VZUUOUZ IZUOUR IR 例：稳压二极管的应用例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技

19、术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值U UZWZW=10V=10V，I Izmaxzmax=12mA=12mA，I Izminzmin=2mA=2mA，负载电阻，负载电阻R RL L=2k=2k，输入，输入电压电压u ui i=12V=12V，限流电阻，限流电阻R=200 R=200 。若若负载电阻负载电阻变化范围为变化范围为1.5 1.5 k k -4 -4 k k ，是，是否还能稳压？否还能稳压？RLuiuORDZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mA Izmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5 k ,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k ,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化负载变化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之间之间,所以稳压管仍能起所以稳压管仍能起稳压作用稳压作用