模擬電子技術(shù)高質(zhì)量課件

1、第三章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路,半導(dǎo)體的基本知識PN結(jié)的形成及特性半導(dǎo)體二極管（diode）二極管基本電路及其分析方法特殊二極管,§3.1　半導(dǎo)體的基本知識,導(dǎo)體,,容易傳導(dǎo)電流的稱為導(dǎo)體。如金屬。,絕緣體,,幾乎不傳導(dǎo)電流的稱為絕緣體。如橡膠，陶瓷。,半導(dǎo)體,,導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，并且受到外界光和熱的刺激或加入微量的雜質(zhì)時，導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著變化的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。如硅(Si )，鍺(Ge )。,一、

2、本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體,,完全純凈的，結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。,共價鍵,束縛電子,圖 半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)示意圖 （a）硅原子；（b）鍺原子；（c）簡化模型,自由電子,空穴,掙脫共價鍵的束縛自由活動的電子,空穴,自由電子,,,束縛電子成為自由電子后，在共價鍵中所留的空位。,二、雜質(zhì)半導(dǎo)體,雜質(zhì)半導(dǎo)體,,電子半導(dǎo)體(Negative),空穴半導(dǎo)體(Positive ),加+5價元素磷(P)、砷(As )、銻(Sb)

3、,加+3價元素硼(B )、鋁(Al )、銦(In)、鎵(Ga ),元素周期表,1、電子半導(dǎo)體(Negative) ——N型半導(dǎo)體,+5價元素磷(P)、砷(As )、銻(Sb)等在硅晶體中給出一個多余電子，故叫施主原子。,電子數(shù)目 = 空穴數(shù) + 正離子數(shù)（主要來自雜質(zhì)）（主要來自本征半導(dǎo)體） （全部來自雜質(zhì)）,多數(shù)載流子：電子少數(shù)載流子：空穴,2、空穴半導(dǎo)體(Positive ) ——P 型半導(dǎo)

4、體,+3價元素硼(B )、鋁(Al )、銦(In )、鎵(Ga )等在硅晶體中接受一個電子，故叫受主原子。,空穴數(shù)目 = 電子數(shù) + 負離子數(shù)（主要來自雜質(zhì)）（主要來自本征半導(dǎo)體） （全部來自雜質(zhì)）,多數(shù)載流子：空穴少數(shù)載流子：電子,§3.2 PN結(jié)的形成及特性,一、PN結(jié)1952年第一個PN結(jié)形成。,內(nèi)電場,,PN結(jié),在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和

5、P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:,因濃度差 ?,空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場,? 內(nèi)電場促使少子漂移,?內(nèi)電場阻止多子擴散,最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。,,,多子的擴散運動?,由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) ?,對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。,二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?

6、PN結(jié)的單向?qū)щ娦允瞧浠咎匦?1、外加正向電壓,,外加電場方向與內(nèi)電場方向相反,,內(nèi)電場,,外電場,,,2、外加反向電壓,,外加電場方向與內(nèi)電場方向相同,,內(nèi)電場,,外電場,IS很小，就可以看作PN結(jié)在外加反向偏置時呈現(xiàn)出很大的阻值。,3、PN結(jié)的反向擊穿,PN結(jié)的外加反向電壓增大到一定的數(shù)值時，反向電流會突然增加，這個現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。,反向擊穿,,熱擊穿,電擊穿,,可利用的，可逆的,,有害的，易燒壞PN結(jié),根據(jù)產(chǎn)生擊穿的原

7、因可分為：,雪崩擊穿,齊納擊穿,,,外加電場作用產(chǎn)生碰撞電離，形成倍增效應(yīng)。,在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中，外加電場直接破壞共價鍵，產(chǎn)生電子空穴對。,4、PN結(jié)的V—I特性,PN結(jié)的 V-I 特性如圖所示,反向飽和電流,反向擊穿電壓,,,,注:VD為PN結(jié)的外加電壓, VT為溫度的電壓當(dāng)量,約為0.026V, IS為反向飽和電流。,e=2.71828,5、PN 結(jié)的電容效應(yīng),1. 勢壘電容,PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)

8、生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。,2. 擴散電容,PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。,結(jié)電容：,結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦裕?問題,為什么將自然界導(dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性

9、差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？,§3.3半導(dǎo)體二極管（diode）,半導(dǎo)體二極管就是一個PN結(jié)。,一、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)不同,,：適用于高頻檢波和數(shù)字電路開關(guān)。,：適用于整流,摻雜質(zhì)濃度不同,,對稱PN型P+N型PN+型,按材料分:有硅二極管,鍺二極管和砷化鎵二極管等。按用途分:有整流、穩(wěn)壓、開關(guān)、發(fā)光、光電、變?nèi)?、阻尼等二極管。按封裝形式分:有塑封及金屬封等二

10、極管。按功率分:有大功率、中功率及小功率等二極管,點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。,面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。,平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。,二極管外形,常見二極管外形,二、二極管的V—I特性,圖 二極管伏安特性曲線,二極管兩端加正向電壓時,就產(chǎn)生正向電流,當(dāng)正向電壓較小時,正向電流極小（幾乎為零）,這一部分稱為死區(qū),相應(yīng)的A

11、(A′)點的電壓稱為死區(qū)電壓或門檻電壓(也稱閾值電壓),硅管約為0.5V,鍺管約為0.1V,如圖中OA(OA′)段。,當(dāng)正向電壓超過門檻電壓時,正向電流就會急劇地增大,二極管呈現(xiàn)很小電阻而處于導(dǎo)通狀態(tài)。這時硅管的正向?qū)▔航导s為0.6~0.7V,鍺管約為0.2~0.3V,如圖中AB(A′B′)段。,二極管兩端加上反向電壓時,在開始很大范圍內(nèi),二極管相當(dāng)于非常大的電阻,反向電流很小,且不隨反向電壓而變化。此時的電流稱之為反向飽和電流IR

12、,見圖中OC（OC′）段。,二極管反向電壓加到一定數(shù)值時,反向電流急劇增大,這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。此時對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓,用UBR表示,如圖中CD(C′D′)段。,導(dǎo)通壓降: 硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。,,反向擊穿電壓U(BR),,,,三、二極管的參數(shù),1、最大整流電流IF：指二極管長期運行時允許通過的最大正向平均電流。,2、最高反向工作電壓：VBD= ½ VBR

13、 （VBR為反向擊穿電壓。）,3、極間電容：在高頻時要考慮極間電容。 勢壘電容CB在反向偏置時較大 擴散電容CD在正向偏置時較大,4、最高工作頻率：指二極管能保持單向?qū)щ娦缘淖畲箢l率。超過了這個頻率二極管就失去了單向?qū)щ娦浴?小知識:二極管的簡易測試 將萬用表置于R×100或R×1k(Ω)擋（R×1擋電流太大,用R×10k(Ω)擋電壓

14、太高,都易損壞管子）。如圖所示,圖 萬用表簡易測試二極管示意圖 (a)電阻??；(b)電阻大,§3.4 二極管基本電路及其分析方法,一、四種建模,1、理想模型正向偏置時，管壓降為0V， 反向偏置時，電阻為無窮大。,2、恒壓降模型正向偏置時，管壓降為恒定,一般為0.7V， 反向偏置時，電阻為無窮大。,適用：電源電壓>>二極管壓降,適用：iD≥1mA,3

15、、折線模型 認為二極管的壓降隨著電流的增加而增加。可用一個電池和一個電阻近似。電池壓降為二極管的門坎電壓。,適用：需考慮到rD變化時，輸入電壓不高,4、小信號模型,在靜態(tài)工作點Q附近工作時，可以將二極管V-I特性看作一條直線，其斜率的倒數(shù)就是二極管小信號模型的微變電阻。,,,,適用：二極管僅在V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作,二、分析方法應(yīng)用,例1,電路如圖所示，分別用理想模型，恒壓降模型和折線模型來求電路的ID和VD。,解,首

16、先標(biāo)出參考方向,1)理想模型VD=0V, ID=VDD/R=1mA,2)恒壓降模型VD=0.7V, ID=(VDD-VD)/R=0.93mA,3）折線模型,例2,設(shè)二極管是理想的，分析圖中各二極管的導(dǎo)通或截止情況，并求AO兩端的電壓UAO。,解,分析方法：先將要分析的二極管斷開，求VD,VD=(-15V)-(-12V)=-3V<0所以二極管截止VAO=-12V,解,分析方法：如果電路中有兩個二極管，則先

17、將不分析的二極管所在的支路斷開，再按前面所學(xué)的方法分析。,但VD1 >VD2 管壓降大的管子優(yōu)先導(dǎo)通,二極管D1先導(dǎo)通從而導(dǎo)致二極管D2截止VAO=0V,VD1=5V>0 所以二極管D1導(dǎo)通,VD2=5V-3V=2V>0 所以二極管D2導(dǎo)通,例３,設(shè)二極管是理想的，分析圖中各二極管的導(dǎo)通或截止情況。,解,分析方法：先將要分析的二極管斷開，求VD,因為VB>VA所以D截止.,圖

18、 二極管半波整流電路 (a)電路；(b)輸出波形,三、晶體二極管應(yīng)用電路舉例 1. 整流電路,2. 門電路,圖 二極管門電路,3. 二極管限幅電路,圖 二極管限幅電路 (a)電路; (b)波形,§3.5特殊二極管,一、穩(wěn)壓二極管,二極管可分為：普通二極、穩(wěn)壓管、變?nèi)莨堋?光電管、發(fā)光管、隧道管、微波管、恒流管等。,穩(wěn)壓管又稱為齊納二極管，它的雜質(zhì)濃度較大，空間電荷區(qū)很窄，容

19、易形成強電場。產(chǎn)生反向擊穿時反向電流急增。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于，電流增量很大，只引起很小的電壓變化。,圖中的VZ表示反向擊穿電壓，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于，電流增量ΔIZ很大，只引起很小的電壓變化ΔVZ。曲線愈陡，動態(tài)電阻rz=ΔVZ/ΔIZ愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈好。一般地說，VZ為8V左右的穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻較小，低于這個電壓的，rZ隨齊納電壓的下降迅速增加，因而低壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能較差。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓VZ，低的為3

20、V，高的可達300V，它的正向壓降約為0.6V。,二、變?nèi)荻O管,二極管結(jié)電容的大小除了與本身結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小，這種效應(yīng)顯著的二極管稱為變?nèi)荻O管。 圖a為變?nèi)荻O管的代表符號，圖b是變?nèi)荻O管的特性曲線。不同型號的管子，其電容最大值可能是5~300pF。最大電容與最小電容之比約為5:1。變?nèi)荻O管在高頻技術(shù)中應(yīng)用較多。,圖 變?nèi)荻O管（a）圖形符號;（b）結(jié)電容

21、與電壓的關(guān)系（縱坐標(biāo)為對數(shù)刻度）,三、光電二極管,光電二極管是光電子系統(tǒng)的電子器件。它可用來作為光的測量，可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。 光電二極管的結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管類似，管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照。這種器件的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運行，它的反向電流隨光照強度的增加而上升。圖a是光電二極管的代表符號，圖b是它的等效電路，而圖c則是它的特性曲線。其主要特點是，它的反向電流與照度成正比，靈敏度的典型值為0.1mA/lx