ch3二極管及其基本電路

1、,3 二極管及其基本電路,3.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),3.3 半導(dǎo)體二極管,3.4 二極管基本電路及其分析方法,3.5 特殊二極管,3.2 PN結(jié)的形成及特性,,3.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),3.1.1 半導(dǎo)體材料,3.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),3.1.3 本征半導(dǎo)體,3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體,3.1.1 半導(dǎo)體材料,,根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。,典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等

2、。,,,3.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及晶體結(jié)構(gòu),,3.1.3 本征半導(dǎo)體,完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。,晶體中原子的排列方式,硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu),共價(jià)健,共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱(chēng)為價(jià)電子。,絕對(duì)零度時(shí)，本征半導(dǎo)體的價(jià)電子被共價(jià)鍵束縛，無(wú)載流子，不導(dǎo)電，相當(dāng)于絕緣體。,價(jià)電子,價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位

3、，稱(chēng)為空穴（帶正電）。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,空穴,溫度愈高，產(chǎn)生的電子-空穴愈多。,自由電子,本征激發(fā)----由于溫度升高，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的現(xiàn)象,復(fù)合---自由電子會(huì)被空穴吸引，填補(bǔ)回去而成對(duì)消失。,溫度一定時(shí)，電子空穴的數(shù)量是常數(shù),當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流 (1)自由電子逆著電場(chǎng)運(yùn)動(dòng) ?電子電流 (2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴 ，空穴沿著電場(chǎng)移動(dòng)?空穴電流 (3)電子和空穴都可以產(chǎn)生電流

4、：通稱(chēng)為載流子,注意：溫度愈高， 載流子的數(shù)目愈多, 導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)本征半導(dǎo)體器件性能影響很大。,3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體,摻入五價(jià)元素,,,多余電子,磷原子,在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?失去一個(gè)電子變?yōu)檎x子,在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。,在N 型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。,1.N型半導(dǎo)體,摻入三價(jià)元素,,,在 P 型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子

5、。,硼原子,接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子,,,,空穴,無(wú)論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。,2. P 型半導(dǎo)體,1. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。,2. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。,3. 當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量 （a. 減少、b. 不變、c. 增多）。,a,b,c,,,,4.

6、在外加電壓的作用下，P 型半導(dǎo)體中的電流主要是 ，N 型半導(dǎo)體中的電流主要是 。 （a. 電子電流、b.空穴電流）,,,b,a,,本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體,本節(jié)中的有關(guān)概念,自由電子、空穴,N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體,多數(shù)載流子、少數(shù)載流子,. 本征激發(fā)、復(fù)合,3.2 PN結(jié)的形成及特性,,3.2.2 PN結(jié)的形成,3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿,3.2

7、.5 PN結(jié)的電容效應(yīng),3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散,3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散,,,漂移： 在電場(chǎng)作用引起載流子的定向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生的電流稱(chēng)為漂移電流。 電流方向?yàn)檎姾梢苿?dòng)的方向，大小與電場(chǎng)成正比。,擴(kuò)散： 由載流子濃度差引起載流子的定向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生的電流稱(chēng)為擴(kuò)散電流。 電流的方向?yàn)橛蓾舛忍荻雀咧赶驖舛忍荻鹊?，大小與濃度梯度成正比。,,3.2.2 PN結(jié)的形成,,多子的擴(kuò)

8、散運(yùn)動(dòng),少子的漂移運(yùn)動(dòng),濃度差,P 型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,,內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。,空間電荷區(qū)也稱(chēng) PN 結(jié),擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,形成空間電荷區(qū),3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN 結(jié)加正向電壓（正向偏置）,PN 結(jié)變窄,P接正、N接負(fù),,IF,內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。,PN 結(jié)加正向電

9、壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。,2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）,P接負(fù)、N接正,PN 結(jié)變寬,內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。,,IR,P接負(fù)、N接正,溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。,PN 結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。,,,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；簡(jiǎn)稱(chēng)正偏。

10、 PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流；簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。 由此可以得出結(jié)論： PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?,3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿,當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱(chēng)為PN結(jié)的反向擊穿。,熱擊穿——不可逆,,3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng),(1) 擴(kuò)散電容CD,(2) 勢(shì)壘電容CB,3.3 二極管,,3.3.1 二極管的結(jié)構(gòu),3.3.2 二極管的伏安特性,3.3.

11、3 二極管的主要參數(shù),3.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu),,,在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類(lèi)。,(1) 點(diǎn)接觸型二極管,PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。,,（a）面接觸型 （b）集成電路中的平面型,(2) 面接觸型二極管,PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。,(b)面接觸型,電路符號(hào),,3.3.2 二極管的伏安特性,1.二極管的伏安特性公式表示,硅二極

12、管的V-I 特性,VT---與溫度有關(guān)的常數(shù)。,Is ---反向飽和電流,vD > 0 時(shí)，,正偏時(shí)成指數(shù)函數(shù),vD < 0 時(shí)，,反偏時(shí)為飽和電流,在常溫下（T=300K）,,硅管0.5V鍺管0.1V,,,3.反向擊穿電壓U(BR),導(dǎo)通壓降,外加電壓大于死區(qū)電壓（門(mén)坎）二極管才能導(dǎo)通。,外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?1.正向特性,2.反向特性,2. V-I特性曲線,硅0.6~0.8V鍺0.2~

13、0.3V,死區(qū)電壓,反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。,3.3.3 二極管的主要參數(shù),,(1) 最大整流電流IF,(2) 反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM,(3) 反向電流IR,(4) 正向壓降VF,二極管應(yīng)用問(wèn)題,種類(lèi)、型號(hào)選擇－－查器件手冊(cè)。表3.3.1正負(fù)極判斷（P72 3.3.2）,,3.4 二極管基本電路及其分析方法,,3.4.1 簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法,3.4.2 二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法,

14、3.4.1 簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法,,,二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡(jiǎn)單，但前提條件是已知二極管的V -I 特性曲線。,例3.4.1 電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過(guò)二極管的電流iD 。,,解：由電路的KVL方程，可得,即,是一條斜率為-1/R的直線，稱(chēng)為負(fù)載線,Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)

15、稱(chēng)為電路的工作點(diǎn),,,3.4.2 二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法,,1.二極管V-I 特性的建模,（1）理想模型---理想二極管,V -I 特性 代表符號(hào),正向偏置時(shí)的電路模型:短路,反向偏置時(shí)的電路模型：開(kāi)路,（2）恒壓降模型（iD≥1mA時(shí)）,0.7V 硅管0.2V 鍺管,正偏時(shí)：,,反偏時(shí):,放大電路多用此模型,（3）折線模型,（硅二極管）,折線段：,正偏時(shí)：,反偏時(shí):,,,,二級(jí)管電路的計(jì)算方法：1)

16、 將二極管斷開(kāi)，求正向開(kāi)路電壓VDO;2) 如果VDO>Vth, 則D導(dǎo)通，可用理想模型、恒壓模型或折線模型代替二極管；3) 如果VDO<Vth , D截止, iD = 0,2．模型分析法應(yīng)用舉例,例1 二極管整流電路,（1）vs和vo的波形,整流---將交流信號(hào)變換為直流信號(hào),半波整流---脈動(dòng)直流,vs>0,導(dǎo)通，vD=0 , vs<0 , D截止，iD=0,（2）靜態(tài)工作情況分析,理想

17、模型,恒壓模型,（硅二極管典型值）,折線模型,（硅二極管典型值）,設(shè),（a）簡(jiǎn)單二極管電路 （b）習(xí)慣畫(huà)法,電路中為理想二極管，求：VAB,V陽(yáng) =－6 V V陰 =－12 V V陽(yáng)-V陰 >0，二極管導(dǎo)通采用理想模型，二極管可看作短路，VAB =－ 6V,例2：,取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。,在這里，二極管起鉗位作用。,兩個(gè)二極管的陰極接在一起取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極

18、管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。,V1陽(yáng) =－6 V，V2陽(yáng)=0 V，V1陰 = V2陰= －12 VVD1 = 6V，VD2 =12V ∵ VD2 >VD1 ∴ D2 優(yōu)先導(dǎo)通， D1截止。使用理想模型，二極管可看作短路，VAB = 0 V,,例2:,D1承受反向電壓為－6 V,流過(guò) D2 的電流為,電路中為理想二極管，求：VAB,如何判斷二極管在電路中是導(dǎo)通的還是截止的,先假設(shè)二極管兩端斷開(kāi)，確定二極管兩

19、端的電位差；,若電路出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上二極管，應(yīng)先判斷承受正向電壓較大的管子優(yōu)先導(dǎo)通，再按照上述方法判斷其余的管子是否導(dǎo)通。,根據(jù)二極管兩端加的是正電壓還是反電壓判定二極管是否導(dǎo)通，若為正電壓且大于閾值電壓，則管子導(dǎo)通，否則截止；,ui - 8V>0，二極管導(dǎo)通，可看作短路 uo = 8V ui - 8V<0，二極管截止，可看作開(kāi)路 uo = ui,已知： 二極管是理想的，試畫(huà)出 uo 波形。,8V,例3：限

20、幅電路,,二極管陰極電位為 8 V,3.5 特殊二極管,1. 符號(hào),,VZ,IZ,IZM,? VZ,,? IZ,2. 伏安特性,穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。,使用時(shí)要加限流電阻,穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。,,,3.5.1 齊納二極管(穩(wěn)壓二極管),3. 主要參數(shù),(1) 穩(wěn)定電壓VZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓。

21、,(2) 動(dòng)態(tài)電阻,(3) 穩(wěn)定電流 IZ 、最大穩(wěn)定電流 IZM,rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。,4. 穩(wěn)壓電路,正常穩(wěn)壓時(shí) VO =VZ,限流電阻R的計(jì)算：,IR = IZ+ IL,IR= (VI-VZ) / R,Io = Vz/RL,Izmin< Iz <Izmax,(VI-Vz)/(Izmax+ IL )<Rmin,(VI-Vz)/(Izmin+ IL )>Rmax,ui > 8V，穩(wěn)壓管

22、反向擊穿，穩(wěn)壓 uo = Vz = 8V0 < ui < 8V，穩(wěn)壓管反向截止，可看作開(kāi)路 uo = ui,已知：試畫(huà)出 uo 波形。,8V,例：穩(wěn)壓管應(yīng)用電路,ui < 0V，穩(wěn)壓管正向?qū)?，uo = -0.7V,3.5.2 變?nèi)荻O管,,（a）符號(hào) （b）結(jié)電容與電壓的關(guān)系（縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)刻度）,特點(diǎn)：工作在反偏狀態(tài)，電容與反向電壓成正比。,3.5.3 肖特基二極管,,（a）符號(hào) （b

23、）正向V-I特性,特點(diǎn)：電容小、工作速度快、門(mén)檻電壓低，常用作開(kāi)關(guān)管,3.5.4 光電子器件,,1. 光電二極管,（a）符號(hào) （b）電路模型 （c）特性曲線,特點(diǎn)：工作在反偏狀態(tài)，反向電流與光的照度成正比。,2. 發(fā)光二極管,符號(hào),光電傳輸系統(tǒng),特點(diǎn)：正向?qū)〞r(shí)能發(fā)光，為可見(jiàn)光。,3. 激光二極管,（a）物理結(jié)構(gòu) （b）符號(hào),{end},特點(diǎn)：正向?qū)〞r(shí)能發(fā)光，不是可見(jiàn)光，而是紅外線。

24、,第三章小結(jié),半導(dǎo)體在本征激發(fā)后具有導(dǎo)電性能，載流子濃度與溫度有關(guān)；P型半導(dǎo)體中多子為空穴，少子為電子； N型半導(dǎo)體中多子為電子，少子為空穴；PN結(jié)具有單相導(dǎo)電性；,二極管的三種模型,正向偏置時(shí)：管壓降為0，電阻也為0。,反向偏置時(shí)：電流為0，電阻為∞。,當(dāng)iD≥1mA時(shí)， vD=0.7V（硅）vD=0.2V（鍺）,1. 理想模型,2. 恒壓降模型,3. 折線模型（實(shí)際模型）,第三章習(xí)題常見(jiàn)類(lèi)型,半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)正確的判斷；