模拟电路第2章半导体二极管及其基本电路.ppt
第二章、半导体二极管及其基本电路2-1 半导体的基本知识导体：铜，银，铝，铁绝缘体：云母，陶瓷，塑料，橡胶半导体：硅，锗半导体得以广泛应用，是因为其导电性能会随外界条件的变化而产生很大的变化。2-1-1 半导体材料温度：温度上升，电阻率下降。锗由20上升到30，电阻率降低一半。掺杂：掺入少量的杂质，会使电阻率大大降低。纯硅中掺入百万分之一的硼，电阻率由 2.3105cm降至0.4 cm。光照：光照使电阻率降低。利用半导体的这些特性制成了各种各样的半导体器件。引起导电性能产生很大变化的外界条件有：2-1-2 锗、硅晶体的共价键结构1、原子结构硅+14 锗+32共同特点：最外层具有4个价电子。+42 晶格与共价键半导体的共价键结构处于共价键中的电子称为束缚电子，能量小，不能参与导电。2-1-3 本征半导体与本征激发本征半导体：高度纯净，结构完整的半导体。本征激发本征激发：束缚电子获得一定的能量，脱离共价键的束缚而成为自由电子的现象。(锗 0.67ev 硅 1.1ev)认为空穴带正电荷，电荷量等于电子电荷量。自由电子失去能量，重新回到共价键上，称为复合复合。本征激发后，共价键中留下的空位叫空穴。本征激发产生自由电子和空穴对。空穴空穴的运动半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。半导体中的电流是电子流和空穴流之和。在本征半导体中自由电子数总等于空穴数，且浓度很低，导电能力差。本征激发产生的载流子浓度随温度增加急剧增大。束缚电子填补空穴的运动称空穴的运动。硅原子外层电子比锗离核近，受原子核束缚力大，在同样温度下本征激发小，温度稳定性好。2-1-4 杂质半导体1.P型半导体在本征半导体中掺入微量3价元素（如硼）形成。+4+3+4+4+4 空穴-多数载流子（多子）电子-少数载流子（少子）本征激发产生电子-空穴对。每一个三价杂质原子产生一个空穴-负离子对。杂质元素使共价键上缺少1个电子三价杂质称为受主杂质。杂质原子获得一个电子成为负离子。硅原子的共价键上缺少一个电子形成空穴2 N型半导体在本征半导体中掺入少量的五价元素（如磷）形成。杂质原子多余的一个价电子容易挣脱原子核的束缚变成自由电子。每一个5价杂质原子产生一个电子-正离子对。本征激发：电子-空穴对。杂质原子失去一个电子成为正离子。5价杂质-施主杂质 电子-多子载流子 空穴-少子载流子结论掺杂会大大提高半导体中载流子浓度，使导电性能大增。掺入五价杂质产生N型型半导体（电子型型半导体）。多子多子电子、少子电子、少子空穴。空穴。掺入三价杂质产生P型型半导体（空穴型空穴型半导体）。多子多子空穴、少子空穴、少子电子。电子。多子浓度近似等于杂质浓度，少子浓度与温度密切相关。2-2 PN结的形成及特性1、PN结的形成浓度差产生多子的扩散运动，扩散破坏了原来的电中性,P区失去空穴，留下负离子。N区失去电子，留下正离子。正负离子的数量相等。npPN在在P区和N区交界面附近，形成由不能移动的正负离子组成的区间称空间电荷空间电荷区区，也称PN结区。结区。PN结区空间电荷区宽度与杂质浓度成反比。内建电场内建电场 由空间电荷形成的电场。内建电场阻止多子的扩散运动。耗尽层耗尽层 PN结内由于扩散与复合，使载流子几乎被耗尽，是高阻区。也称为阻挡层阻挡层。结区EPN漂移运动载流子在电场作用下产生的运动。内建电场有利于少子的漂移运动。扩散与漂移达到动态平衡时，形成PN结。动态平衡时流过PN结的总电流为0。Vo:硅 0.60.8V 锗 0.10.3VPN 结区EV0 电位分布图-qV0电子势能分布图势垒区势垒区 空间电荷在结区内形成电位差，称接触电位差或结电压2.2.2 PN结的单向导电性(1)外加正向电压内电场外电场正向偏置:P区接电源端区接电源端 N区接电源端区接电源端在外电场的作用下P区空穴向结区运动，中和部分负离子。N区自由电子向结区运动，中和部分正离子。空间电荷减少，结区变窄。VF原来的动态平衡被打破,多子的扩散电流远大于少子的漂移电流，产生较大的正向电流IF。P区、N区为低阻区，结区为高阻区，所以外加电压主要加在结区，抵消内电场的作用。结内电位差减小，势垒减小。VFV0V0-VF外加电压很小变化，将引起电流的较大变化。PN结正向导通，其正向导通电阻很小。(2)外加反向电压内电场VR外电场反向偏置:P区接电源端，区接电源端，N区接电源端。区接电源端。结内电位差增加，势垒提高。P区的空穴，N区的自由电子，均背离结区运动，致使：空间电荷增加，结区变宽。V0V0+VR多子的扩散电流趋于0，由少子的漂移电流产生反向电流。少子浓度很小，所以反向电流很小。PN结反向截止，反向截止电阻很大。少子由本征激发产生，其浓度与材料及温度有关，所以反向电流几乎与反向电压的大小无关，而随温度增加急剧增大结论结论:加正向电压，很小的电压能产生较大的 电流，外加电压很小变化，将引起电流的较大变化。加反向电压，只能产生微小的反向电流，且反向电流的大小几乎与反向电压无关。PN结正向电阻小，反向电阻大，具有单向导电性。(3)PN 结的V-I特性IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量VT=kT/q K=1.3810-23（J/K）q=1.610-19CT 绝对温度 当T=300K时 VT26mViD ISvD1)加正向电压2)vD0几乎与反向电压的大小无关2)加反向电压3)vD6V)反向击穿电压随温度上升而增加(正温度系数)。PN 结电击穿的形式：齐纳击穿（场致击穿）发生在搀杂浓度较高的PN结。反压虽不太大，但结区窄，结内有很强的电场，将共价键的电子直接大量吸引出来而产生的。特点：击穿电压较小(管压降的情况如开关电路iD0vD=0vD0iD=0iDvDiDvDiD vD iD vD 2、恒压降模型二极管正向导通时，认为其管压降VF=常数（硅管取0.7V)。用于直流分析时，电源电压较大，工作电流较大，（1mA)，正向电压变化较小的情况。iDvDiDvDiD v D iD vD 3、折线模型Vth:门坎电压(硅管一般取0.5v),iDvD二极管的正向压降随流过二极管正向电流的增加而线性增加。一般用于电源电压较小，工作电流较小的场合。rDVthiD v D 根据二极管的电流ID和管压降VD可以求出rDIDVDiDvDVthiD vD 4、小信号模型 当输入变化的信号时，且信号幅度很小，二极管工作在静态工作点Q附近的小范围内,则可以在小范围内把V-I特性曲线看成是过Q点的切线。其斜率的倒数称微变电阻rd（动态电阻）小信号模型只用于动态分析，方程中求解的变量是信号量。（电压和电流瞬时值的变化量）rdDrd的计算rd与静态工作电流有关。2-4-2 二极管模型分析法1、静态分析图解法 VDD VDIDRID=f（VD）VD=VDD-IDRVQIQR VDD VDID 模型分析法理想模型VDD0:ID=VDD/R VD=0VDDVF:VD=VF=0.7V ID=(VDD-0.7)/RVDDVth:ID=(VDD-Vth)/(R+rD)VD=Vth+IDrD=VDD-IDR VDD0 Vi3V 二极管导通VDO0 Vi0 Vi3V 二极管导通Vo=VR=3VVDO0 Vi0.7V，所以二极管采用恒压降模型。计算二极管的微变电阻 rd=26mV/ID=28 欧姆画微变等效电路：直流电源取零值，二极管用其微变电阻代替，电路中的变量是电压、电流的变化量。VD=0.7V ID=（10-0.7）/10=0.93mAvD=vrd/(R+rd)=2.79mVVDDRDID0.7VVDRrd2-5 特殊二极管2.5.1 稳压管1、原理：利用二极管反向击穿特性实现稳压。反向击穿后，电流急剧增加，但电压基本保持不变。只要反向电流限制在一定范围之内，管子不会损坏。理想稳压管的特性稳压值VZ与温度有关VZ5.7V，雪崩击穿为主，具有正温度系数VZ5.7V,温度系数最小vDiDVZVDiD0.7V2、稳压管参数稳定电压VZ 反向电击穿时的工作电压。稳定电流IZ 测量稳定电压，动态电阻时的参考电流值。iZIZ，稳压性能较好，rZ减小。额定功耗PM 允许的最大功耗，一般 IZM=PM/VZ动态电阻rZ 反向击穿区斜率的倒数 rZ=dVZ/diZ|iZ=IZ温度系数 温度变化1，稳定电压变化的百分数。R限流电阻,使稳压管的电流在正常工作范围之内。稳压过程:vivoiZiRvRvoRLioiRvoiZiRvo3 稳压管的应用稳压电平移动 限幅等基本稳压电路vivoiRioiZRRL例：Vz=6V，Izmin=5mA，Izmax=25mA Vi=10V、15V、35V,求Vo、IZViVoIRRRL1K0.5KIZViVoR/RLIZ限流电阻的计算 输入电压的变化范围为:ViminVimax 负载电流的变化范围为:IominIomax 稳压管正常工作电流范围为:IzminiZIzmaxViVZIRIoiZRRL例:2.5.1已知 Vimin=12V，Vimax=13.6V,Vo=9V,Pomax=0.5W,稳压管参数：VZ=9V，PM=1W，IZ=5mA，IZM=PM/VZ=110mA，求限流电阻R。解:负载电流的的范围为:Iomin=0 Iomax=Pomax/Vo=56mA取标称值 R=47ViVoIRIoiZRRL教材上取R=51，只检验了稳压管的耗散功率，没有检验其电流范围。
