模电0半导体二极管及其应用电路.ppt

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1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础电子教案电子教案 陈大钦 主编华中科技大学电信系1模拟电子技术基础模拟电子技术基础第第1章章 绪论绪论第第2章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第3章章 半导体三极管及其放大电路基础半导体三极管及其放大电路基础第第4章章 多级放大电路及模拟集成电路基础多级放大电路及模拟集成电路基础第第5章章 信号运算电路信号运算电路第第6章章 负反馈放大电路负反馈放大电路第第7章章 信号处理与产生电路信号处理与产生电路第第8章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路第第9章章 功率放大电路功率放大电路第第10章章 集成运算放大器集成运算放大器第第11章章

2、 直流电源直流电源22 2 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路2.1 PN结的基本知识2.2 半导体二极管2.3 二极管应用电路2.4 特殊二极管32.1 PN结的基本知识结的基本知识2.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性2.1.2 杂质半导体杂质半导体2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性2.1.4 PN结电容结电容半导体半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。导电的导电的导电的导电的重要特点重要特点重要特点重要特点1、其能力容易受环境因素影响（、

3、其能力容易受环境因素影响（温度温度、光照等）、光照等）2、掺杂可以显著提高导电能力、掺杂可以显著提高导电能力原子结构原子结构简化模型简化模型4图图2.1.1 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构2.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性2.1 PN结的基本知识结的基本知识1.本征半导体本征半导体 完全完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯净、结构完整的半导体晶体。在在T=0K和无外界激发时，没有和无外界激发时，没有载流子载流子，不导电，不导电原子结构原子结构简化模型简化模型5温度温度 光照光照自由电子自由电子空穴空穴本征激发本征激发空穴空穴 共价键中的空位共价键中的空位空穴的移动

4、空穴的移动空穴的运空穴的运动是靠相邻共价键中的价电动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。子依次充填空穴来实现的。由热激发或光照而产生由热激发或光照而产生自由电子和空穴对自由电子和空穴对。温度温度 载流子载流子浓度浓度 2.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性2.1 PN结的基本知识结的基本知识2.本征激发本征激发复合复合本征激发的逆过程本征激发的逆过程载流子载流子:自由移动带电粒子自由移动带电粒子61.N型半导体型半导体 掺入少量的五价元素磷掺入少量的五价元素磷P2.P型半导体型半导体 2.1.2 杂质半导体杂质半导体2.1 PN结的基本知识结的基本知识图图2.1.4 P

5、型半导体的共价键结构型半导体的共价键结构掺入少量的三价元素硼掺入少量的三价元素硼B 自由电子是多数载流子（简称多子）自由电子是多数载流子（简称多子）空穴是少数载流子（简称少子）空穴是少数载流子（简称少子）空穴是多数载流子空穴是多数载流子自由电子为少数载流子。自由电子为少数载流子。空间电荷空间电荷7 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三

6、个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响8 本征半导体、本征激发本征半导体、本征激发本节中的有关概念本节中的有关概念自由电子自由电子空穴空穴N型半导体、施主杂质型半导体、施主杂质(5价价)P型半导体、受主杂质型半导体、受主杂质(3价价)多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子杂质半导体杂质半导体复合复合*半导体导电特点半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度温度载流子浓度载流子

7、浓度导电能力导电能力*半导体导电特点半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力：掺杂可以显著提高导电能力91.浓度差浓度差多子的多子的扩散扩散运动运动2.扩散扩散空间电荷区空间电荷区内电场内电场3.内电场内电场少子的少子的漂移漂移运动运动 阻止阻止多子的多子的扩散扩散4、扩散与漂移达到、扩散与漂移达到动态平衡动态平衡载流子的载流子的运动：运动：扩散扩散运动运动浓度差产生的载流子移动浓度差产生的载流子移动漂移漂移运动运动在电场作用下，载流子的移动在电场作用下，载流子的移动P区区N区区扩散：空穴扩散：空穴电子电子漂移：电子漂移：电子空穴空穴形成过程可分成形成过程可分成4步步(动画动画)内电场内电场

8、2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性1.PN结的形成结的形成 10PN结形成的物理过程：结形成的物理过程：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 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 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动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层型半导体结合面，离子薄层形成的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，所以也称在空间电荷区，由于缺少多子

9、，所以也称耗尽层耗尽层。扩散扩散 漂移漂移否否是是宽宽112.PN结的单向导电性结的单向导电性只有在外加电压时才只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将扩散与漂移的动态平衡将定义：定义：加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏加加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏 扩散扩散 漂移漂移 大的正向扩散电流（多子）大的正向扩散电流（多子）低电阻低电阻 正向导通正向导通 漂移漂移 扩散扩散 很小的反向漂移电流（少子）很小的反向漂移电流（少子）高电阻高电阻 反向截止反向截止12 图图2.1.6 外加正向电压时的外加正向电压时的PN结结 图图2.1.7 外加反向电压时的外加反向电压时的PN结结2.PN

10、结的单向导电性结的单向导电性 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性13图图2.1.8 PN结伏安特性结伏安特性3.PN结的伏安特性结的伏安特性 正向特性正向特性 反向特性反向特性 反向击穿特性反向击穿特性 倍增效应倍增效应 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性14 用来描述势垒区的空间用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而变电荷随外加电压变化而变化的电容效应化的电容效应 多数载流子的扩散运动是多数载流子的扩散运动是形成扩散电容的主要因素形成扩散电容的主要因素(1)势垒电容势垒电容CB(2)扩散电容扩散电容CD 2.1.4 PN结电容

11、结电容2.1 PN结的基本知识结的基本知识图图2.1.9 势垒电容与外加电压关系势垒电容与外加电压关系152.2 半导体二极管半导体二极管2.2.1 二极管的结构二极管的结构2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数2.2.4 二极管模型二极管模型PN结结加上引线和封装加上引线和封装 二极管二极管按结构分类按结构分类点接触型点接触型 面接触型面接触型平面型平面型16点接触型点接触型 面接触型面接触型平面型平面型 2.2.1 二极管的结构二极管的结构17正向特性正向特性2.2 半导体二极管半导体二极管Vth（硅）（硅）Vth（锗）（锗）2.2.2 二

12、极管的伏安特性二极管的伏安特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性注注意意1.死区电压（门坎电压）死区电压（门坎电压）2.反向饱和电流反向饱和电流 硅：硅：A；锗：；锗：10 A3.PN结方程（近似）结方程（近似）18图图2.2.4 温度对二极管特性曲线的影响示意图温度对二极管特性曲线的影响示意图温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响 191.最大整流电流最大整流电流IF 2.最高反向工作电压最高反向工作电压VRM 3.反向电流反向电流IR 4.极间电容极间电容Cd5.最高工作频率最高工作频率fM 2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数2.2 半导体二极管半导体二极管图图2.2

13、.3 锗二极管锗二极管2AP15的伏安特性的伏安特性20图图2.2.5 理想模型理想模型（a）伏安特性曲线）伏安特性曲线 （b）代表符号）代表符号 （c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d）反向）反向偏置时的电路模型偏置时的电路模型 2.2.4 二极管模型二极管模型2.2 半导体二极管半导体二极管21 图图2.2.6 恒压降模型恒压降模型 图图2.2.7 折线模型折线模型(a)伏安特性曲线伏安特性曲线 (b)代表符号代表符号 (a)伏安特性曲线伏安特性曲线 (b)代表符号代表符号22图图2.2.8 小信号模型小信号模型(a)伏安特性曲线伏安特性曲线 (b)代表符号代表符号232.

14、3 二极管应用电路二极管应用电路2.3.1 整流电路整流电路2.3.2 限幅电路限幅电路2.3.3 钳位电路钳位电路24 2.3.1 整流电路整流电路 （a）（b）图图2.3.1 单向半波整流电路单向半波整流电路（a）电路图）电路图 （b）vI和和vO的波形的波形2.3 二极管应用电路二极管应用电路25 （a）（b）图图2.3.2 单向全整流电路单向全整流电路（a）电路图）电路图 （b）v2和和vo的波形的波形26 （a）（b）（c）图图2.3.3 二极管限幅电路二极管限幅电路（a）电路图）电路图 （b）viVB时的等效电路时的等效电路 （c）viVB时的等效电路时的等效电路 2.3.2 限幅

15、电路限幅电路2.3 二极管应用电路二极管应用电路27图图2.3.4 二极管限幅电路波形图二极管限幅电路波形图28 图图2.3.5 二极管钳位电路二极管钳位电路(a）电路图）电路图 （b）输入电压波形）输入电压波形 （c）电容两端电压波形）电容两端电压波形 （d）输出电压波形）输出电压波形(a)(c)2.3.3 钳位电路钳位电路2.3 二极管应用电路二极管应用电路292.4 特殊二极管特殊二极管2.4.1 稳压二极管稳压二极管2.4.2 光电二极管光电二极管 2.4.3 发光二极管发光二极管 2.4.4 激光二极管激光二极管 301.稳压管及其稳压作用稳压管及其稳压作用 2.稳压管的主要参数稳压

16、管的主要参数(1)稳定电压稳定电压VZ(2)稳定电流稳定电流IZ(3)动态电阻动态电阻rZ（a）（b）图图2.4.1 稳压管电路符号与伏安特性稳压管电路符号与伏安特性（a）电路符号）电路符号 （b）伏安特性）伏安特性(4)额定功耗额定功耗PZ(5)稳定电压的温度系数稳定电压的温度系数K 2.4.1 稳压二极管稳压二极管2.4 特殊二极管特殊二极管31图图2.4.3 光电二极管光电二极管（a）电路符号）电路符号 （b）等效电路）等效电路 （c）特性曲线）特性曲线 2.4.2 光电二极管光电二极管2.4 特殊二极管特殊二极管32图图2.4.4 发光二极管的电路符号发光二极管的电路符号 图图2.4.5 光隔离器电路光隔离器电路 2.4.3 发光二极管发光二极管2.4 特殊二极管特殊二极管33