晶体二极管及应用电路

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1、第一章 晶体二极管及应用电路 本 征 半 导 体 ： 纯 净 的 且 具 有 完 整 晶 体 结 构的 半 导 体 。 天 然 的 硅 和 锗 经 提 纯 （ 99. 999%以 上 ） 即 为 本 征 半 导 体 。 本 征 激 发 ： 价 电 子 因 热 运 动 获 得 能 量 ， 争 脱共 价 键 的 束 缚 ， 成 为 自 由 电 子 ， 同 时 在 共 价键 上 留 下 空 位 ， 这 一 现 象 成 为 本 征 激 发 。 图1-3 温 度 越 高 ， 本 征 激 发 越 强 ， 产 生 的 自 由 电子 和 空 穴 越 多 。 两 种 载 流 子 载 流 子 ： 能 够 导 电

2、的 电 荷 。 半 导 体 中 的 两 种 载 流 子 ：自由电子，空穴 两 种 载 流 子 导 电 的 差 异 ： 图 1-4 自 由 电 子 在 晶 格 中 自 由 运 动 空 穴 运 动 即 价 电 子 的 填 补 空 穴 的 运 动 ， 始 终 在原 子 的 共 价 键 间 运 动 。 载 流 子 的 复 合 和 平 衡 载 流 子 的 复 合 ： 自 由 电 子 与 空 穴 在 热 运 动 中 相遇 ， 使 一 对 自 由 电 子 空 穴 对 消 失 。 动 态 平 衡 ： 当 温 度 T一 定 时 ， 单 位 时 间 内 产 生 的自 由 电 子 空 穴 对 数 目 与 单 位 时

3、 间 内 因 复 合 而 消 失 掉的 自 由 电 子 空 穴 对 数 目 相 等 ， 称 为 载 流 子 的 动 态 平衡 。 本 征 浓 度 ni： 平 衡 状 态 下 本 征 半 导 体 单 位 体 积 内的 自 由 电 子 数 （ 空 穴 数 ） 。 （二）杂质半导体 杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为N型 半 导 体和 P 型 半 导 体 。一 N型 半 导 体 ： 在 本 征 Si和 Ge中 掺 入 微 量 V族 元 素 后 形 成的 杂 质 半 导 体 称 为 N型 半 导 体 。 所 掺 入 V族 元素 称 为 施 主 杂 质 ， 简 称 施

4、主 （ 能 供 给 自 由 电子 ） 。 图 1-5 二 P型 半 导 体 ： 在 本 征 Si和 Ge中 掺 入 微 量族 元 素 后 形 成的 杂 质 半 导 体 称 为 N型 半 导 体 。 所 掺 入族 元素 称 为 受 主 杂 质 ， 简 称 受 主 （ 能 供 给 自 由 电子 ） 。 图 1-6P型 半 导 体 中 ， 空 穴 为 多 子 ， 自 由 电 子 为 少 子 。 三 杂 质 半 导 体 的 载 流 子 浓 度 ： 少 量 掺 杂 ， 平 衡 状 态 下 ： ni2 =n0p0 其 中 ， ni 为 本 征 浓 度 ， n0 为 自 由 电 子 浓 度 ， p0 为 空

5、 穴 浓 度图 1-7 杂 质 半 导 体 的 电 荷 模 型 ， 图 中 少 子 未 画 出 来 。 温度 T增 加 ， 本 征 激 发 加 剧 ， 但 本 征 激 发 产 生 的 多 子 远 小 杂质 电 离 产 生 的 多 子 。 半 导 体 工 作 机 理 ： 杂 质 是 电 特 性 。 Si半 导 体 比 Ge半 导 体 有 更 高 的 温 度 。 因 为 同 温 度 时 ， Si 半 导 体 比 Ge半 导 体 本 征 激 发 弱 ， 更 高 的 温 度 时 Si半 导 体 才 会 失 去 杂 质 导 电 特 性 。 （三）漂移电流和扩散电流1 漂 移 电 流 ： 载 流 子 受

6、外 电 场 力 作 用 做 宏 观 定 向 运 动 形 成 漂 移 电 流 。 漂 移 电 流 与 电 场 强 度 、 载 流 子 浓 度 成 正 比 。2 扩 散 电 流 ： 因 扩 散 运 动 形 成 的 电 流 ， 称 为 扩 散 电 流 。 扩 散 运 动 ： 因 载 流 子 浓 度 差 而 产 生 的 载 流 子 宏 观 定 向 运 动 。 物 理 现 象 ： 半 导 体 （ N型 P型 ） 内 的 载 流 子 浓 度 分 布 不 规 则 ，无 规 则 热 运 ， 载 流 子 从 高 浓 度 向 低 浓 度 方 向 净 迁 移 。 1-2 PN结 工 作 原 理 PN结 ： 将 P型

7、 和 N型 半 导 体 采 用 特 殊 工 艺 制 造 成 半 导 体 半 导 体 内 有 一 物 理 界 面 ， 界 面 附 近 形 成 一 个 极 薄 的 特 殊 区 域 ， 称 为 PN结 。一 PN结 的 形 成 ： 内 建 电 场 ： 由 N区 指 向 P区 的 电 场 E。 阻 止 两 区 多 子 的 扩 散 。 电 场 E产 生 的 两 区 少 子 越 结 漂 移 电 流 将 部 分 抵 消 因 浓 度 差 产 生 的 使 两区 多 子 越 结 的 扩 散 电 流 。 扩 散 进 一 步 进 行 ， 空 间 电 荷 区 内 的 暴 露 离 子 数 增 多 ， 电 场 E增 强 ，

8、 漂移 电 流 增 大 ， 当 扩 散 电 流 =漂 移 电 流 时 ， 达 到 平 衡 状 态 ， 形 成 PN结 。 无 净电 流 流 过 PN结 。 二 PN结 的 特 点 ： 1 空 间 电 荷 区 是 非 线 性 中 性 区 ， 内 建 电 场 和 内 建电 位 差 0 （ 内 建 电 压 ） 。2 PN结 又 称 耗 尽 层 。3 PN结 又 称 阻 挡 层 ： 内 建 电 场 E阻 止 两 区 多 子 越结 扩 散 。 PN结 又 称 势 垒 区 ：4 不 对 称 PN结 。 三 PN结 的 单 向 导 电 特 性 ： 无 外 接 电 压 的 PN结 开 路 PN结 ， 平 衡

9、状 态 PN结 PN结 外 加 电 压 时 外 电 路 产 生 电 流1 正 向 偏 置 （ 简 称 正 偏 ） PN结 ： 图 1-10 PN结 外 加 直 流 电 压 V： P区 接 高 电 位 （ 正 电 位 ） ， N区接 低 电 位 （ 负 电 位 ） 正 偏 正 向 电 流 2 反 向 偏 置 （ 简 称 反 偏 ） PN结 ： 图 1-11反 偏 ： P区 接 低 电 位 （ 负 电 位 ） ， N区 接 高 电 位 （ 正电 位 ） 。 硅PN结的Is 为 pA级 温 度 T增 大 Is 3 PN结 的 伏 安 特 性 伏 安 特 性 方 程 ： PN结 的 伏 安 特 性 曲

10、 线 ： 图 1-12 1-3 晶 体 二 极 管 二 极 管 的 结 构 和 符 号 ： 图 1-13（ a） 为 结 构 ， （ b）为 符 号 。一 二极管的伏安特性：1 单 向 导 电 特 性 ：2 导 通 电 压 VON ：3 锗管的Is比硅管的Is大三个数量级；4 Is随温度升高而增大： 图 1-145 锗 管 与 硅 管 伏 安 特 性 的 差 异 ： 图 1-15 二 极 管 的 RD和rd 1 直流电阻RD： 二 极 管 的 伏 安 特 性 为 曲 线 二 极 管 为 非线 性 电 阻 器 件 。结论： Q点处的电流越大，二 极 管 的 直 流电 阻 RD越小； 二 极 管

11、的 正 反 向 直 流 电 阻 相 差 很 大 。2 交流电阻rd 二 极 管 工 作 点 Q处 的 微 变 电 压 增 量 dvD 和 微 变电 流 增 量 di D 之 比 ， 称 为 该 点 处 的 交 流 电 阻 rd 。图 1-18。 3 二 极 管 的 参 数 ： 最 大 平 均 整 流 电 流 ： 最 大 反 向 工 作 电 压 VR 反 向 电 流 IR ： 最 高 工 作 频 率 fm ： 二 极 管 的 模 型 ： 器 件 模 型 ： 由 理 想 元 件 构 成 的 能 近 似 反 映电 子 器 件 特 性 的 等 效 电 路 。1 二 极 管 的 伏 安 特 性 的 分

12、段 线 性 近 似 模 型 理 想 开 关模 型 ： 二 极 管 理 想 开 关 正 偏 时 正 向 电 压 = 0， 反 偏 时 反 向 电 流 = 0 图 1-19 恒 压 源 模 型 ： 图 1-20原 因 ： 二 极 管 导 通 时 电 流 较 大 ， rd很 小 ， 近 似 认为 二 极 管 的 端 电 压 不 随 电 流 变 化 恒 压 特 性 。 折 线 近 似 模 型 ：图 1-21例 1-1 ： P13 14解 法 1： 图 解 法 或 负 载 线 法 。解 法 2： 估 算 法 。 二 极 管 的 交 流 小 信 号 模 型 工 作 点 Q处 的 交 流 电 阻 rd图 1

13、-24。交 流 通 路 ： 图 1-25（ b） 和图1-26 （ d） 。直流通路：图1-26 （ b） 例 1-3： 电 路 图 1-26（ a） ，V(t)=2sin2104t(mV) C=200 F ， 估 算 二极 管 电 流 中 的 交 流 成 分 id(t) 。解 1） v(t)=0V 时 ， 画 出 直 流 通 路 1-26（ b） 图 。 2）当v(t) 加入后，画交流通路时将C短路。 图1-26（d）。 交 流 通 路 及 电 容 C：（ 1） C称 为 隔 直 电 容 ：（ 2） C称 为 耦 合 电 容 ：四 二 极 管 应 用 电 路 （ 1） 低 频 及 脉 冲 电

14、 路 中 ， 做 整 流 、 限 幅 、 钳 位 、 稳 压 、波 形 变 换 （ 2） 集 成 运 放 加 二 极 管 构 成 指 数 、 对 数 、 乘 法 、 除 法等 运 算 电 路 （ 3） 高 频 电 路 中 做 检 波 、 调 幅 、 混 频 等 1 整 流 电 路 ： 图 1-27整 流 ： 利 用 二 极 管 的 单 向 导 电 特 性 ， 将 交 流 变成 单 向 （ 即 直 流 ） 脉 动 电 压 的 过 程 ， 称 为 整流 。 图 1-28为 典 型 的 单 相 半 波 整 流 电 路 。 分 析 如 下 ： （ 1） 当 vi(t)0 二 极 管 正 偏 （ 2）

15、当 vi(t) 0 二 极 管 反 偏 2 限 幅 电 路 ：（ 1） 双 向 限 幅 电 路 ： 图 1-30， 设 vi(t)=3sint （ 2） 单 向 限 幅 电 路 （ 取 Er =0即 为 教 材 上 的 例题 ） ：（ 3） 幅 度 可 调 的 双 向 限 幅 电 路 ： 3 钳 位 电 路 ： 能 改 变 信 号 的 直 流 电 压 成 分 ， 又 叫 直 流 恢 复 电路 。 图 1-31。 设 vi(t) 是2.5V 的 方 波 信 号 1-31（ b） ， 1-3 PN结 的 反 向 击 穿 及 其 应 用一 反 向 击 穿 PN结 反 向 击 穿 ： PN结 反 向

16、电 压 增 大 到 一 定 量 值时 ， 反 向 电 流 激 增 ， 这 一 现 象 称 为 PN结反 向 击 穿 。 反 向 击 穿 电 压 ： 反 向 击 穿 时 的 电 压 值 。1 雪 崩 击 穿 -价 电 子 被 碰 撞 电 离 ： 发 生 雪 崩 击 穿 条 件 是 ： 反 偏 电 压 6V。 温 度 增 加 ， 击 穿 电 压 增 大 。 2 齐 纳 击 穿 -价 电 子 被 场 致 激 发 大 反 偏 电 压 下 结 会 有 很 强 的 电 场 大 电 场 力 将共 价 键 上的 价 电 子 拉 出 共 价 键 自 由 电 子 空 穴 对 结 内 载流 子 激 增反 向 电 流

17、 激 增 齐 纳 击 穿 。 反 偏 电 压 4V 齐 纳 击 穿 。 温 度 增 加 ， 击 穿 电 压 减 小 。 二 稳 压 管 专 门 工 作 与 反 向 击 穿 状 态 的 二 极 管 稳 压 管 。电 路 符号 图 1-33（ b） ， 特 性 曲 线 图 1-33（ a） 。1 稳 压 管 的 参 数 ： 稳 定 电 压 Vz 最 小 稳 定 电 流 IzMIN ： 最 大 稳 定 电 流 IzMAX ： 动 态 电 阻 rz ： 动 态 电 阻 的 温 度 系 数 ：图 1-34 2 稳 压 管 应 用 电 路 ： 图 1-35 RL ： 负 载 电 阻 ； R： 限 流 电

18、阻 ； 要 求 输 入 电 压VIVZ 用 负 载 线 法 分 析 ： 画 出 等 效 电 路 图 1-36（ a）求 出 稳 压 管 的 负 载 线 图 1-36（ b） ： 1-5 PN结 电 容 效 应 及 应 用 现 象 ： 半 波 整 流 电 路 中 交 流 电 压 从 50Hz改 为500KHz， 在 输 入 电 压 的 负 半 周 时 ， 二 极 管上 也 有 导 通 电 流 。原 因 ： 二 极 管 PN结 存 在 电 容 效 应 。结 论 ： 高 频 时 二 极 管 失 去 电 向 导 电 特 性 。一 势 垒 电 容 CT ： 图 1-40图 （ a） ： 线 性 电 容

19、的 充 电 过 程 。 图 （ b） ： 势 垒 电 容 的 充 电 过 程 。结 论 ： 正 偏 V加大空 间 电 荷 区 变 窄 极 板 距 离 减 小 CT 反 偏 V加大空 间 电 荷 区 变 宽 极 板 距 离 增 大CT 二 扩 散 电 容 CD 图 1-41， 两 区 在 PN结 正 偏 时 ， 多 子 存 在 净 的 越 结扩 散 ， 进入 对 方 区 域 中 成 为 非 平 衡 少 子 ， 在 空 间 电 荷 区 两 侧积 累 ， 形成 非 平 衡 少 子 浓 度 分 布 P(x) 和pn(x)。 存 在 非 平 衡 少子 浓 度分 布 的 两 个 区 域 扩 散 区 。 C

20、D PN结 正 向 直 流 电 流 。 PN结 反 偏 时 扩 散 区 内 少 子 浓 度 分 布 线 如 图 1-42。 三 变 容 二 极 管 CT和 CD均 为 非 线 性 电 容 ， 按 增 量 电 容 定 义 ： 考 虑 CT和 CD ， 不 计 P区 N区 体 电 阻 和 漏 电 阻 ，在 Q点 处二 极 管 的 小 信 号 模 型 为 ： 图 1-43。 CT和 CD对 外电 路 并 连等 效 ， 总 的 电 容 Cj ： Cj =CT+CD C j称 为 PN结 的 结 电 容 。 变 容 二 极 管 ： 利 用 反 偏 时 势 垒 电 容 工 作 于 电 路 的 二 极 管 变 容 二 极 管 ，简 称 变 容 管 。 图 1-44为 变 容 管 电 路 符 号 。 图 1-45为 变 容 管 压 控 特 性 曲 线 。