大连理工大学2013年模拟电子线路复习.ppt

第三章半导体二极管及其基本电路,模拟电路,第三章半导体二极管及其基本电路,3.1半导体基础知识3.2PN结的形成及特性3.3半导体二极管3.4二极管基本电路及其分析方法3.5特殊二极管,3.1半导体的基本知识,3.1.1本征半导体,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。,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。,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。,1）导体、半导体和绝缘体,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。,2）本征半导体,一、本征半导体的结构特点,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。,本征半导体：,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。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,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。,二、本征半导体的导电机理,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,自由电子,空穴,束缚电子,2.本征半导体的导电机理,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。,电子空穴对,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。,3.1.2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）。,一、N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子,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,每个磷原子给出一个电子，称为施主原子,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）。,二、P型半导体,空穴,硼原子,P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,三、杂质半导体的示意表示法,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。,3.2PN结,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，经过载流子的移动，在它们的交界面处就形成了PN结。,3.2.1PN结的形成,浓度差,P型半导体,N型半导体,扩散运动,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。,有何种影响？,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。,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,阻挡层,势垒,耗尽层,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（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,3.2.2PN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。,一、PN结正向偏置,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。,PN结导通，电阻小,二、PN结反向偏置,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,PN结截止，电阻大,三、PN结V-I特性的表达式理论分析证明，流过PN结的电流iD与外加电压vD之间的关系为(3-2-3)式中，IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；VT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时，VT=26mV。这是一个今后常用的参数。,图311PN结的伏安特性,由式(3-2-3)可知，加正向电压时，VD只要大于VT几倍以上，iDIseVD/VT，即iD随VD呈指数规律变化；加反向电压时，|VD|只要大于VT几倍以上，则iDIS(负号表示与正向参考电流方向相反)。由式(3-2-3)可画出PN结的伏安特性曲线，图中还画出了反向电压大到一定值时，反向电流突然增大的情况。,图311PN结的伏安特性,(3-2-3),3.2.3PN结的击穿特性由图311看出，当反向电压超过VBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义VBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。,图311PN结的伏安特性,一、雪崩击穿在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。,当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。,新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。,碰撞电离,倍增效应,二、齐纳击穿在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。,反向击穿过程为电击穿，过程可逆。,热击穿过程不可逆。,3.3半导体二极管,3.3.1基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,二极管的电路符号：,3.3.2伏安特性,死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压VBR,3.3.3主要参数,1.最大整流电流IF,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VBR,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VWRM一般是VBR的一半。,3.反向电流IR,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。,3.3.4二极管的等效电路1）微变电阻rD,vD,rD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，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,根据理论分析,二极管的电流与端电压VD存在如下关系:,2）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CB和扩散电容CD。,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CD。,CB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,3.4.2晶体二极管模型对电子线路进行定量分析时，电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效，根据分析手段及要求的不同，器件模型将有所不同。例如，借助计算机辅助分析，则允许模型复杂，以保证分析结果尽可能精确。而在工程分析中，则力求模型简单、实用，以突出电路的功能及主要特性。下面我们将依据二极管的实际工作条件，引出工程上便于分析的二极管模型。,3.4二极管基本电路及其分析方法,二极管是一种非线性电阻(导)元件，在大信号工作时，其非线性主要表现为单向导电性，而导通后所呈现的非线性往往是次要的。,二极管理想模型,理想二极管,vD>0,vDVD,vDVth,vD<Vth,Vth,理想二极管,二极管死区电压,3.4.3二极管基本应用电路利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限幅及电平选择等功能。一、二极管整流电路把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图317(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，vo=vi；负半周时，二极管截止(相当开关打开)，vo=0。其输入、输出波形见图317(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。,图317二极管半波整流电路及波形(a)电路；(b)输入、输出波形关系,判断原则：断开二极管，判断二极管两端电压,(,b,),vi0,二极管导通,R,VDD,D,简单二极管电路,习惯画法,vD,=0,=1mA,vD,=0.7V,vD,=0,=0.1mA,vD,=0.7V,理想模型,恒压降模型,折线模型,VDD=10V,VDD=1V,二、二极管限幅电路限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。限幅电路的传输特性如图318所示.,图318二极管上限幅电路及波形(a)电路(b)输入、输出波形关系,(,a,),(,b,),2.7V,2.7V,VD,2V,三、二极管开关电路在开关电路中，利用二极管的单向导电性来接通或断开电路，这在数字电路中得到广泛的应用。开关电路的传输特性如图320所示,图320二极管开关电路及波形(a)电路；(b)输入、输出波形关系,(,a,),t,t,t,(,b,),v,o,/,V,0,3.7,v,1,/,V,3,0,v,2,/,V,3,0,0.7,vo=o,vo=VCC,vo=o,vo=o,3.5特殊二极管,3.5.1稳压管3.5.2变容二极管3.5.3光电二极管3.5.4发光二极管,3.5.1稳压二极管,V,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,VZ,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗,稳压二极管的参数:,（1）稳定电压VZ,（3）动态电阻,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,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。,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。,求：电阻R和输入电压ui的正常值。,方程1,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。,方程2,联立方程1、2，可解得：,一般来说，对硅材料的二极管，VBR>7V时为雪崩击穿，温度系数为正值；VBR<5V时为齐纳击穿，温度系数为负值；VBR介于57V时，两种击穿都有。,3.5.2变容二极管利用PN结的势垒电容随外加反向电压的变化而变化的特性可制成变容二极管,其符号及特性如图所示。变容二极管的容量很小,为皮法数量级,所以主要用于高频场合下,例如电调谐、调频信号的产生等。,压控振荡器,3.5.3光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,图226光电二极管的符号及特性(a)符号;(b)光谱特性；(c)光照特性,3.5.4发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,图发光二极管(a)符号；(b)光谱特性,图二极管型光电耦合器,1.半导体传感器,半导体应用,2.半导体制冷器,本征半导体及其载流子,PN结及其单向导电性,杂质半导体及其载流子,PN结的击穿,半导体二极管,D1,D2,15V,12V,A,O,3k,B,-15V,-12V,0V,D1导通,D2截止,VAO=0V,10V,15V,+,-,D,25k,140k,5k,10k,18k,2k,A,B,C,VA,=1V,VC,=2.5V,VB,=VC+1V,=3.5V,VA<VB,D截止,