周围第01章晶体二极管.ppt

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1、主讲教师：主讲教师：周围周围 教授教授/博士博士 办公室：通信学院电工电子教学部（办公室：通信学院电工电子教学部（2教教4楼）楼）实验室：数字图书馆实验室：数字图书馆4031 Tel:62461417(办）办）62487954（实）（实）62460530（宅）（宅）电子电路基础电子电路基础(Basis of Electronic Circuits)-通信学院电工电子教学部通信学院电工电子教学部-教教材：材：电子线路电子线路(线性部分线性部分)（第四版）（第四版）谢嘉奎谢嘉奎主编主编高等教育出版社高等教育出版社1999（东南大学）（东南大学）模拟电子技术基础简明教程（第三版）杨素行模拟电子技术基

2、础简明教程（第三版）杨素行主编主编高等教育出版社高等教育出版社2006（清华大学）（清华大学）参考书：参考书：1、模拟电子技术基础（第模拟电子技术基础（第3版）版）童诗白，华成英主编童诗白，华成英主编，高教出版社，高教出版社，2001（清华）（清华）2、电子技术基础（模拟部分）、电子技术基础（模拟部分）康华光康华光编著编著高等教育出版社高等教育出版社1999（华中理工）（华中理工）3、电子线路基础教程、电子线路基础教程王成华王成华主编主编科学出版社科学出版社2000电子线路：电子线路：指包含电子器件、并能对电指包含电子器件、并能对电 信号实现某种处理的功能电路。信号实现某种处理的功能电路。概概

3、 述述电路组成：电路组成：电子器件电子器件 +外围电路外围电路电子器件：电子器件：二极管、三极管、场效应管、二极管、三极管、场效应管、集成电路集成电路。外围电路：外围电路：直流电源、电阻、电容、直流电源、电阻、电容、电流源电路等电流源电路等。1.1 1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识1.3 1.3 晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法1.2 PN1.2 PN结结1.4 1.4 晶体二极管的应用晶体二极管的应用1.0 1.0 概述概述第一章第一章 晶体二极管晶体二极管概概 述述晶体二极管结构及电路符号：晶体二极管结构及电路符号：PNPN结正偏（结正偏（结正偏（结正偏（P P接接

4、接接+、N N接接接接-），D D导通。导通。导通。导通。PN正极正极负极负极晶体二极管的主要特性：晶体二极管的主要特性：单方向导电特性单方向导电特性PNPN结反偏（结反偏（结反偏（结反偏（N N接接接接+、P P接接接接-），D D截止。截止。截止。截止。即即主要用途：主要用途：用于整流、开关、检波电路中。用于整流、开关、检波电路中。半导体：半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。1.1 1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识硅硅(Si)、锗、锗(Ge)原子结构及简化模型：原子结构及简化模型：+14 2 8 4+32 2 8418+4价电子价电子

5、惯性核惯性核 硅和锗的单晶称为硅和锗的单晶称为本征半导体本征半导体。它们是制造。它们是制造半导体器件的基本材料。半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4 硅和锗共价键结构示意图：硅和锗共价键结构示意图：共价键共价键1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体q当当T升高或光线照射时升高或光线照射时产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。q 共价键具有很强的结合力。共价键具有很强的结合力。当当T=0K（无外界影无外界影 响）时，共价键中无自由移动的电子。响）时，共价键中无自由移动的电子。这种现象称这种现象称注意：注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。空穴的出现是半导体区别于

6、导体的重要特征。本征激发本征激发。本征激发本征激发 当当原原子子中中的的价价电电子子激激发发为为自自由由电电子子时时，原原子子中中留留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。下空位，同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动空穴的运动。注意：注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子自由电子 带负电带负电半导体中有两种导电的载流子半导体中有两种导电的载流子 空穴的运动空穴的运动空空 穴穴 带正电带正电温度一定时：温度

7、一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。动态平衡。v 热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：热平衡载流子浓度：本征半导体中本征半导体中本征激发本征激发产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量电子和空穴相遇释放能量复合。复合。T导电能力导电能力ni或光照或光照热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性v N N型半导体：型半导体：1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体+4+4+5+4+4简化模型：简化模型：N型半导体型半导体多子多子自由电子自由电子少子少子空穴空穴自由电子自由电子本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量五价五价元

8、素构成。元素构成。v P P型半导体型半导体+4+4+3+4+4简化模型：简化模型：P型半导体型半导体少子少子自由电子自由电子多子多子空穴空穴空空 穴穴本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量三价三价元素构成。元素构成。杂质半导体中载流子浓度计算杂质半导体中载流子浓度计算N型半导体型半导体（热平衡条件）（热平衡条件）（电中性方程）（电中性方程）P型半导体型半导体杂质半导体呈电中性杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。少子浓度取决于温度。多子浓度取决于掺杂浓度。多子浓度取决于掺杂浓度。1.1.3 1.1.3 两种导电机理两种导电机理漂移和扩散漂移和扩散 载流子在电场作用下的运动运动称载流子在电场

9、作用下的运动运动称漂移运动，漂移运动，所形成的电流称所形成的电流称漂移电流。漂移电流。漂移电流密度漂移电流密度总漂移电流密度：总漂移电流密度：迁移率迁移率漂移与漂移电流漂移与漂移电流电导率：电导率：半导体的电导率半导体的电导率电阻：电阻：电压：电压：V=E l电流：电流：I=S Jt+-V长度长度l截面积截面积S电场电场EI 载流子在浓度差作用下的运动称载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，扩散运动，所形成的电流称所形成的电流称扩散电流。扩散电流。扩散电流密度扩散电流密度:扩散与扩散电流扩散与扩散电流N N 型型 硅硅光照光照n(x)p(x)载流子浓度载流子浓度xnopo1.2 1.2 PN结

10、结多子：多子：多子：多子：空穴空穴少子：少子：自由电子自由电子少子：少子：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。型半导体。此时将在此时将在N型半导体和型半导体和P型半导体的结合面上形成型半导体的结合面上形成如下物理过程如下物理过程:自由电子自由电子空穴空穴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 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移,而少子漂移可削弱内电场而少子漂移可削弱内电场 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

11、动态平衡。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 PN结的形成结的形成多子多子：空穴：空穴多子多子：自自由电子由电子内电场方向内电场方向少子少子：自由电子自由电子少子少子：空穴：空穴内电场方向内电场方向 PN结的形成结的形成空间电荷区空间电荷区（耗尽层）（耗尽层）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层。注意：注意：掺杂浓度（掺杂浓度（Na、Nd）越大，内建电位差）越大，内建电位差

12、VB 越高，阻挡层宽度越高，阻挡层宽度 l0 0 越小。越小。内内建建电位差：电位差：阻挡层宽度：阻挡层宽度：室温时室温时锗管锗管 VB 0.2 0.3V硅管硅管 VB 0.5 0.7V1.2.2 1.2.2 PN结的伏安特性结的伏安特性 PN结结单向导电特性单向导电特性P+N内建电场内建电场E Elo+-+-VPN结结正偏正偏阻挡层变薄阻挡层变薄内建电场减弱内建电场减弱多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移多子扩散形成多子扩散形成较大较大的正向电流的正向电流IPNPN结导通结导通I电压电压V V 电流电流I I PN结结单向导电特性单向导电特性P+N内建电场内建电场E Elo-+-+VPN结结反偏

13、反偏阻挡层变宽阻挡层变宽内建电场增强内建电场增强少子漂移少子漂移多子扩散多子扩散少子少子漂移漂移形成形成微小微小的反向电流的反向电流IRPNPN结截止结截止IRI IR R与与V V 近似无关。近似无关。温度温度T T 电流电流I IR R结论：结论：PNPN结具有单方向导电特性。结具有单方向导电特性。PN结结伏安特性方程式伏安特性方程式PNPN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：热电压热电压 26mV（室温）（室温）其中：其中：IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。无关，但受温度影响很大

14、。正偏时：正偏时：反偏时：反偏时：PN结结伏安特性曲线伏安特性曲线ID(mA)V(V)VD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-910-16)A硅硅PNPN结结VD(on)=0.25V锗锗PNPN结结IS=(10-610-8)AV VD(on)时时 随着随着V 正向正向R R很小很小 I PNPN结导通；结导通；V 6V)形成原因形成原因:碰撞电离碰撞电离。V(BR)ID(mA)V(V)形成原因形成原因:场致激发。场致激发。发生条件发生条件PNPN结掺杂浓度较高结掺杂浓度较高 (lo o较窄较窄)外加反向电压较小外加反向电压较小(6V)因为因为T 载流子运动的平均自由路程载

15、流子运动的平均自由路程 V(BR)(BR)。击穿电压的温度特性击穿电压的温度特性 雪崩击穿电压雪崩击穿电压具有正温度系数。具有正温度系数。齐纳击穿电压齐纳击穿电压具有负温度系数。具有负温度系数。因为因为T 价电子获得的能量价电子获得的能量 V(BR)(BR)。稳压二极管稳压二极管VZID(mA)V(V)IZminIZmax+-VZ Z 利用利用PNPN结的反向击穿特结的反向击穿特性，可性，可制成稳压二极管。制成稳压二极管。要求：要求：Izmin Iz CD，则则 Cj CT PN结总电容：结总电容：Cj=CT+CD PN结正偏时，结正偏时，CD CT，则则 Cj CD故：故：PN结正偏时，以结

16、正偏时，以CD为主。为主。故：故：PNPN结结反偏时，以反偏时，以CT为主。为主。通常：通常：CD 几十几十PF 几千几千PF。通常：通常：CT 几几PF 几十几十PF。1.3 1.3 晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法 晶晶体体二二极极管管的的内内部部结结构构就就是是一一个个PNPN结结。就就其其伏伏安安特特性性而而言言，它它有有不不同同的的表表示示方方法法，或或者者表表示为不同形式的模型：示为不同形式的模型：适于任一工作状态的适于任一工作状态的通用曲线模型通用曲线模型 便于计算机辅助分析的便于计算机辅助分析的数学模型数学模型直流简化电路模型直流简化电路模型交流小信号电路模型交流小

17、信号电路模型 电路分析时采用的电路分析时采用的数学模型数学模型伏安特性方程式伏安特性方程式理想模型：理想模型：修正模型：修正模型：r rS S 体电阻体电阻+引线接触电阻引线接触电阻+引线电阻引线电阻其中：其中：n 非理想化因子非理想化因子I I 正常时正常时:n 1 1I I 过小或过大时过小或过大时:n n 2 2注意：注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际漏电流的影响，实际I IS S理想理想I IS S。1.3.1 1.3.1 晶体二极管的模型晶体二极管的模型曲线模型曲线模型伏安特性曲线伏安特性曲线V(BR)I(mA)V

18、(V)VD(on)-IS当当V VD(on)时时 二极管二极管导通导通当当V 0，则管子导通；反之截止。，则管子导通；反之截止。实际二极管：若实际二极管：若VVD(on)，管子导通；反之截止。，管子导通；反之截止。当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子 优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。例例2 2：设二极管是理想的，求设二极管是理想的，求VAO值。值。图图(a)(a)，假设，假设D开路，则开路，则D D两端电压：两端电压：VD=V1V2=6 12=18 0V，VD2=V2(V1)=15V 0V 由于

19、由于VD2 VD1 ，则，则D2优先导通优先导通。此时此时VD1=6V 2V时，时，D D导通，则导通，则vO O=vivi 2V时，时，D D截止，则截止，则vO O=2V由此可画出由此可画出vO O的波形。的波形。+-DV+-+-2V100RvO Ovit620vi(V)vO O(V)t026小信号分析法小信号分析法 即即将将电电路路中中的的二二极极管管用用小小信信号号电电路路模模型型代代替替，利利用用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。分析步骤：分析步骤：将直流电源短路，画交流通路。将直流电源短路，画交流通路。用小信号电路模型代替二极管

20、，得小信号等效电路。用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。1.4 1.4 晶体二极管的应用晶体二极管的应用电源设备组成框图：电源设备组成框图：电电 源源变压器变压器整流整流电路电路滤波滤波电路电路稳压稳压电路电路vivO Otvitv1tv2tv3tvO O1.4.1 1.4.1 整流与稳压电路整流与稳压电路当当u2(t)在正半周时，在正半周时，D导通，导通，uo(t)=u2(t)（1）单相半波整流电路单相半波整流电路u2t0U2muot0U2m输出电压输出电压uo的平均值：的平均值：当当u2(t)在负

21、半周时，在负半周时，D截止，截止，uo(t)=0 u1u2RLuoD+-*T*+-+-原理图原理图io可见，效率较低可见，效率较低ioUo当当u2(t)在正半周时，在正半周时，D1,D3导通，导通，D2,D4截止，截止，uo(t)与与 u2(t)正半周波形相同，电流正半周波形相同，电流i0从从bcu2t0U2miou1u2RLuo+-*T*+-+-原理图原理图io-D1D2D3D4dabcuot0U2m当当u2(t)在负半周时，在负半周时，D2,D4 导通，导通，D1,D3截止，截止，电流电流i0仍从仍从bc，uo(t)与与 u2(t)负半周波形反负半周波形反相。相。全波整流全波整流（2 2）

22、单相桥式整流电路（全波整流）单相桥式整流电路（全波整流）u1u2RLuo+-*T*+-+简化图简化图io-输出电压输出电压uo的直流成分：的直流成分：同理：同理：Io2/RL（均为半波整流的（均为半波整流的2倍）倍）二极管参数要求：二极管参数要求：（每个二极管只有半周导通）（每个二极管只有半周导通）1.符号及稳压特性符号及稳压特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在稳压时工作在反向电击穿反向电击穿状态。状态。(a)稳压二极管符稳压二极管符号号DZ(b)伏安特性伏安特性UZ UZU/V稳压二极管及稳压电路稳压二极管及稳压电路(1)稳定电

23、压稳定电压UZ(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=UZ/IZ(3)(3)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(4)*稳定电压温度系数稳定电压温度系数 :定义为定义为=UZ/T2.稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数rZ 越小，稳压效果越好越小，稳压效果越好 UZUZU/V3.稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 UO=UZ(1)稳压稳压 原原理理a.若若RL不变而不变而Ui改变改变若若Ui UZUZU/VUiUo U0(UZ)IZ

24、IR UR U0 反之，若反之，若Ui减小，变化过程相反。减小，变化过程相反。b.设设Ui不变而不变而RL变化变化若若RL U0 IZ IR UR U0 反之，若反之，若RL减小，变化过程相反减小，变化过程相反综上，经稳压后综上，经稳压后U0基本稳定在基本稳定在UZ值值#稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？IZmin IZ IZmax#不加不加不加不加R R可以吗？可以吗？可以吗？可以吗？#上述电路上述电路上述电路上述电路U Ui i为正弦波，且幅值大于为正弦波，且幅值大于为正弦波，且幅值大于为正弦波，且幅值大于U UZ Z ，能实现稳压吗能实现稳压吗能实现稳压吗能

25、实现稳压吗？UZUZU/VUiUo不行。不行。R称称为限流电阻为限流电阻，其作用是保，其作用是保证稳压管可靠地工作在反向击穿区。证稳压管可靠地工作在反向击穿区。二、限流电阻的选择二、限流电阻的选择UiUo要求：要求：1.当电网电压最高、负载电流最小时，当电网电压最高、负载电流最小时，IZ 将会最大，但将会最大，但2.不应超过不应超过Izmax。2.当电网电压最低、负载电流最大时，当电网电压最低、负载电流最大时，IZ 将会最小，但将会最小，但 不应小于不应小于Izmin。例（例（不讲不讲）：如上图，）：如上图，U2=10V，C=100 F，稳压管的稳压值，稳压管的稳压值UZ=6V，Izmin=6

26、mA，Izmax=40mA,若若:（1）RL在在200600 之间之间变化；（变化；（2）电网电压波动为）电网电压波动为 10%。试选择限流电阻。试选择限流电阻R值。值。解：解：例：例：（1）根据如下方框图画出电路原理图）根据如下方框图画出电路原理图单相交流电源桥式整流电容滤波并联式稳压负载u1u2CDZRLRI0U0UiIZ因因I0=UZ/RL故故:I0max=6V/200=30mAI0min=6V/600=10mA例：如上图，例：如上图，U2=10V，C=100 F，稳压管的稳压值，稳压管的稳压值UZ=6V，Izmin=6mA，Izmax=40mA,若若:（1）RL在在200600 之间变

27、化；之间变化；（2）电网电压波动为）电网电压波动为 10%。试选择限流电阻。试选择限流电阻R值。值。u1u2CDZRLRI0U0UiIZ解：解：对桥式整流、电容滤波有：对桥式整流、电容滤波有：Ui2=12V电压波动电压波动10%，有：，有：Uimax UiUimin Ui=10.8 V利用前面公式有：利用前面公式有：选选R=120 此时此时R=120 消耗的平均功率：消耗的平均功率：故可选故可选120，1W的电阻。的电阻。1.4.2 1.4.2 限幅电路限幅电路(或削波电路或削波电路）V2viV1时，时，D1、D2截止截止,vo=vi t0vit0vO OVi V1时，时，D1导通、导通、D2截止截止,vo=V1 Vi V2时，时，D2导通、导通、D1截止截止,vo=V2 由此由此，电路实现双向限幅功能。，电路实现双向限幅功能。vO Ovi+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中其中：V1为上为上限幅电平，限幅电平，V2为下为下限幅电平。限幅电平。V1-V2-V2V1