(2.7)--第三章《二极管及其基本电路》模拟电子技术.ppt

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1、半导体的基本知识导体(conductor)：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(semiconductor)：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(insulator)：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。半导体材料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。半导体材料半导体的共价键结构GeSi硅和锗的共价键(covalentbond)结构共价键共用电子对+

2、4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子半导体的共价键结构本征半导体的导电作用1.本征半导体(intrinsicorpureinsulator)硅和锗的晶体结构：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。2.载流子、自由电子和空穴(carrier、freeelectronsandholes)+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子本征半导体的导电作用3.载流子的产生与复合+4+4+4+4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。本征半导体的导电作用杂质半导体1.P型半导体+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。2.N型半导体+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载

3、流子是什么？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）。杂质半导体PN结的形成及特性PN结的形成P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散(diffusion)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(drift)运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E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。动画演示动画演示PN结的形成+空间电荷区N型区P型区电位VV

4、0PN结的形成PN结的单向导电性PN结(PNjunction)正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，扩散 飘移，正向电流大空间电荷区变薄PN+_正向电流动画演示动画演示PN结(PNjunction)反向偏置+空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流很小，A级动画演示动画演示PN结的单向导电性PN结的反向击穿电击穿(可逆)热击穿(不可逆)击穿雪崩击穿(avalanchebreakdown):碰撞,载流子倍增效应。齐纳击穿(zenerbreakdown):局部电场增强,分离。整流二极管雪崩击穿(多数)稳压二极管齐纳击穿(多数)击穿PN结的电容效应PN结的两种

5、电容效应：扩散电容CD和势垒电容CBPN结处于正向偏置时，多子的扩散导致在P区（N区）靠近结的边缘有高于正常情况的电子（空穴）浓度，这种超量的浓度可视为电荷存储到PN结的邻域PN结的电容效应直接影响半导体器件的高频和开关性能1.扩散电容PN结反向偏置时，载流子数目很少，扩散电容可忽略1.扩散电容PN结的电容效应势垒区是积累空间电荷的区域，当反向偏置电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化2.势垒电容类似于平板电容器两极板上电荷的变化PN结的电容效应PN结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映，在高频运用时，须考虑PN结电容的影响PN结电容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关。正偏时

6、，结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时，结电容较小（主要决定于势垒电容）PN结的电容效应二极管半导体二极管的结构半导体二极管(diodeinsulator)图片在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管(a)点接触型二极管的结构示意图PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。半导体二极管的结构(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型半导体二极管的结构(3)平面型二极管(c)平面型(4)二极管的代表符号(symbol)anodecathode往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大

7、可小，用于高频整流和开关电路中。半导体二极管的结构PN结的伏安特性正向特性反向特性反向击穿特性二极管的伏安特性(volt-amperecharacteristic)曲线的表示式：硅二极管2CP10的V-I特性二极管的参数1.最大整流电流IF二极管长期运行时，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约为击穿电压的一半。3.反向电流IR指管子未击穿时的反向电流。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。4.二

8、极管的极间电容（parasiticcapacitance）二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容(barrier（depletion）capacitance)CB和扩散电容(diffusioncapacitance)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。二极管的参数4.二极管的极间电容扩散电容：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。P+

9、-NCB在高频和反向偏置时明显。CD在正向偏置时明显。二极管的参数5.微变电阻rDiDvDIDVDQ iD vDrD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。二极管的参数二极管基本电路及其分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.理想模型（idealdiode)vDiD当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此模型作近似分析。iDvD2.恒压降模型（offsetmodel)二极管导通后，认为其压降是恒定的，典型值为0.7V，只有当二极管的电流大于等于1mA时，才是正确的。vDiDvDiDVth二极管电路的简化模型分析方法3.折线模型(pi

10、ecewiselineardiodemodel)认为其压降不是恒定的，而是随着二极管电流的增加而增加，用一个电池与一个电阻的串联来进一步的近似。rD近似为200。vDiDVth0.5VvDVthrDiD二极管电路的简化模型分析方法4.小信号模型(smallsignalmodel)当二极管在其伏安特性的某一小范围内工作，可以把伏安特性看出一条直线。小信号模型的微变等效电阻rd26（mv）/ID。vDiDvDiDiDvDrD二极管电路的简化模型分析方法应用举例1.整流电路二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零（忽略二极管正向压降），反向电阻为无穷大DRvOvs+-vsvO2.二极管的静

11、态工作情况分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V时恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设（2）VDD=1V时（自看）+-iDVDDvDR应用举例3.限幅电路有一限幅电路如图所示，R=1k，VREF=3V,二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解一下两问：（）vI=0V、4V、6V时，求相应的输出电压vO的值；（）当vI=sinwt(V)时，绘出相应的输出电压波形。应用举例4.开关电路+5VvI1vI2VCC&4.7kvO5.低电压稳压电路应用举例6.小信号工作情况分析求 vD、iDvi=0.1sintVVDD=5V，VD0.7VID=(5-0.7)/5k=0.8

12、6mA静态分析vi=0动态分析VDD=0叠加原理应用举例特殊体二极管齐纳二极管vZ/ViZ/mAIZIZmax VZ IZ稳压误差曲线越陡，电压越定。+VZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。齐纳二极管的典型应用电路齐纳二极管（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压管（zenerdiode)的参数:（1）稳定电压VZ（2）电压温度系数U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻齐纳二极管稳压管稳压电路负载增加 Io VO(VZ)IR VO(VZ)IZ IR 电源电压波动VI增加使VO VZ IZ IR VO 齐纳二极管变容二极管变容二极管(V

13、aractorDiodes)又称可变电抗二极管，是利用PN结反偏时结电容大小随外加电压而变化的特性制成的。反偏电压增大时结电容减小、反之结电容增大，变容二极管的电容量一般较小，其最大值为几十皮法到几百皮法，最大电容与最小电容之比约为5:1。它主要在高频电路中用作自动调谐、调频、调相等、例如在电视接收机的调谐回路中作可变电容。光电子器件1.光电二极管光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，称为暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电

14、流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。2.发光二极管发光二极管是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，它在照明领域应用广泛。发光二极管可高效地将电能转化为光能。1962年被研制出来，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛地应用于显示器和照明。光电子器件3.激光二极管激光二极管包括单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好。光电子器件