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1、1,模拟电子技术,刘 帆,第一章 半导体二极管及其应用电路,学习重点：1.理解PN结的单向导电性。2.了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；3.会分析含有二极管的电路。,3,1.1 PN结,图1.1表示的是由二极管、灯泡、限流电阻、开关及电源等组成的简单电路。,1.1.1 半导体的基础知识,4,按图(a)所示,闭合开关S,灯泡发光,说明电路导通,若二极管管脚调换位置,如图(b)所示,闭合开关S,灯泡不发光。,由以上演示结果可知:二极管具有单向导电性。,5,1.半导体的特性自然界中的各种物质,按导电能力划分为:导体、绝缘体、半导体。(1)半导体导电特性处于导体和绝
2、缘体之间，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。(2)当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。称热敏特性和光敏特性。(3)往纯净的半导体中掺入某些杂质(其它化学元素)，会使它的导电能力明显改变。半导体为什么有此性质呢？,6,硅原子(14),锗原子(32),2.半导体的共价键结构 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。,7,1.形成共价键结构，导电能力较弱,接近绝缘体。,2.光照
3、或受热时，,可见：本征激发同时产生电子空穴对。,自由电子,空穴,这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起,称为共价键结构。如图1.2所示。,激发价电子成为自由电子，,这一现象称为本征激发或热激发。,8,光照或受热激发使半导体导电能力增强的现象称为本征激发或热激发。可见：本征激发同时产生电子空穴对。自由电子带负电的粒子空穴带正电的粒子自由电子、空穴统称为载流子。3.杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。为何呢？1、N 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑)。,9,多余电子自由电子,施主原子,硅原子,可见：a)N 型半导体中自由电子很多(
4、多数载流子)，空穴很少(少数载流子)；b)导电性能显著增加。,不能移动的正离子,10,2、P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼(或铟)。,空穴,受主原子,硅原子,可见：a)P 型半导体中自由电子很少(少子)，空穴很多(多子)；b)导电性能显著增加。,不能移动的负离子,11,1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,a,b,4.在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是，N 型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,12,综述与问题N 型半导体特点:自由电子很多,空穴很少
5、；整块N 型半导体示意图:,P 型半导体特点:自由电子很少,空穴很多；整块N 型半导体示意图:,若将上述二者结合在一起，会如何？,13,由于在型半导体和型半导体交界面两侧存在着空穴和自由电子两种载流子浓度差，即P区的空穴浓度远大于N区的空穴浓度，N区的电子浓度远大于P区的电子浓度，因此会产生载流子从高浓度区向低浓度区的运动，这种运动称为扩散。,1.1.2 PN结的形成及单向导电特性一.PN 结的形成,14,P型半导体,N型半导体,空间电荷区耗尽层、势垒区,空间电荷区稳定后形成PN 结,P区中的多子空穴扩散到N区，与N区的自由电子复合而消失,N区中的多子自由电子扩散到P区，与P区的空穴复合而消失
6、,15,二.PN 结的单向导电性1.PN 结正向偏置(加正向电压)P 区加正,N 区加负电压,当内外电场相互抵消时,PN相当于短接:正向电流IE/R,内电场被削弱，扩散运动加强形成较大的电流。,16,2、PN 结反向偏置(加反向电压)P区加负、N 区加正电压。,I0,内外电场相互加强,PN相当于断开:反向电流I0,内电场被加强，扩散受抑制。漂移加强，形成较小的反向漂移电流0。呈现高电阻，PN结截止。,17,综上所述，PN结具有单向导电特性 即PN结正偏时导通，呈现很小的电阻，可形成较大的正向电流；PN结反偏时截止，呈现很大的电阻，反向电流近似为零。需要指出的是，反向电压超过一定数值后，反向电流
7、将急剧增加，发生反向击穿现象，单向导电性被破坏。,18,1.2 半导体二极管一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。二极管结构两层半导体，一个PN结。,二、图形符号,19,三、伏安特性,死区电压:硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降:硅管0.7V,锗管0.3V。,反向击穿电压VBR,理想二极管：死区电压=0；导通正向压降=0；反向饱和电流=0；反向击穿电压=。,反向饱和电流IS一定电压范围内保持IS0,击穿使二极管永久损坏,20,其中iD、vD 的关系为：,vD PN结两端的电压降iD流过PN结的电流IS 为反向饱和电流VT=kT/q 称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数：
8、1.381023 J/Kq 为电子电荷量1.6109 CT 为热力学温度,单位为K 对于常温(相当T=300 K)时：则有VT=0.026V,21,四、PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。1、热击穿 热击穿的特征：二极管承受很大反向电压时，反向电流急剧增大，二极管的结电阻为0，失去单向导电性，永久损坏二极管，并很容易烧坏PN结。一般的整流、检波二极管击穿时均为热击穿，因此在实际使用中应避免热击穿。2、电击穿 电击穿的特征：可逆。在反向电压作用下反向电流急剧增大，但只要结功率不超过耗散功率，电流不超过最大值，就不会损坏二极管，当
9、反向电压降低后，二极管仍可恢复原来的工作状态。稳压二极管(齐纳二极管)击穿时一般为电击穿。,22,RD 0,UD=,0.7V(硅管)0.3V(锗管),0(E较大时),相当于短接称为导通,E 0.5V(硅管)、0.2V(锗管)时：I 0，处在死区,尚未导通。实际中这种情况要避免。E 0.7V(硅管)、0.3V(锗管)时：,五、二极管特点总结1、当二极管上加正向电压时：(即PN结正向偏置),23,2、当二极管上加反向电压时(即PN结反向偏置),PN结或二极管具有 单向导电性,E 击穿电压时：RD,I 0UD E二极管相当于断开，称为截止。E 击穿电压时：RD 0，UD 0,二极管相当于短接，坏了。
10、这种情况要避免。,24,二极管半波整流电路如图所示。画出输出电压uo 的波形。,例1,25,六、PN结的电容效应1、势垒电容CB 当PN结外加反向电压发生变化时，耗尽层(PN结)的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,CB大小式,26,2、扩散电容CD 当PN结外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,CD大小式二极管的极间电容(结电容)CdCB+CD电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来。,27,七、二极管的主要参数1.最大整流电流 IF 二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向工
11、作峰值电压UBR 是保证二极管不被击穿而给出的反向电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.反向峰值电流IRM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高IRM越大。硅管的反向电流较小(nA级)，锗管的反向电流较大(A级)，为硅管的几十到几百倍。4.极间电容CdCdCB+CD5.反向恢复时间TRR,28,6.半导体二极管、三极管的型号(国家标准),2AP9,3DG110B,29,二极管总结1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极
12、管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,30,3.4 二极管的基本电路及其分析方法一、模型法1、理想模型(理想二极管)理想模型将二极管看成：死区电压=0；导通正向压降=0；反向饱和电流=0；反向击穿电压=。理想二极管模型,US0,US0,i=US/R,i=0,伏安特性,31,U D为二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。,2、恒压降模型(实际二极管)恒压降模型将二极
13、管看成：导通正向压降硅管 0.7V；锗管 0.3V；反向饱和电流0；反向击穿电压=。恒压降模型,USUD,USUD,i=(US-U D)/R,i=0,伏安特性,32,Uth为二极管的死区压降：硅管 0.5V；锗管 0.1V。rD为二极管的动态电阻，约为200。,3、折线模型折线降模型将二极管看成：反向饱和电流0；反向击穿电压=。折线模型,斜率为1/rD,USUth,USUth,33,US为恒定电压；ui为动态小信号电压。设：ui Um sint 若电路工作在线性段，则根据叠加定理，电路可等效为：,4、小信号模型所谓小信号模型如图示：,用前面学过的方法求,34,US为恒定电压；ui为动态小信号电
14、压。ui Um sint显然，二极管上的电压电流关系，即负载线方程为：,证明：,当ui0时称为静态，此时负载线称为直流负载线，它与伏安特性的交点Q(UD,ID)称为静态工作点。,当ui0时称为动态，此时负载线称为交流负载线，它随ui 的变化而移动，它与伏安特性的交点在Q和Q之间移动。,US+Um,US-Um,35,此时工作点的变化范围很小，且在Q点附近，即在伏安特性的线性段移动，故对小输入信号ui而言，二极管相当于一个电阻rd，大小可由下列方法求得：,i,u,所以：,即：,36,二、图解分析法前提条件：已知二极管的V-I曲线。,例1,已知二极管的V-I曲线及其各元件参数,求uD、iD,解：由电
15、路得二极管两端电压电流的关系为：uDUDDiDR 在V-I曲线图上作此直线方程，通过两曲线的交点即可求出uD、iD。,负载线,37,三、迭代法前提条件：已知二极管的V-I曲线的数学模型。,例2,已知二极管的V-I曲线方程为：,解：由电路得二极管两端电压电流的关系为：uDUDDiDR 联立两个方程求解即可。,求图示电路uD、iD 的大小。,恒压源模型,测量值：9.32 mA,相对误差：,理想二极管模型,相对误差：,例3,求图示二极管上的电流 I。,二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、恒压源模型计算电流I 和输出电压
16、uo,解：(1)采用理想模型分析。,(2)采用恒压源模型模型分析。,例4,uo=UREF=2V,uo=UD+UREF=0.7+2=2.7V,如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图(b)所示。分别采用理想二极管模型和恒压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：(1)采用理想二极管模型分析。波形如图所示。,例5,(2)采用恒压源模型分析，波形如图所示。,42,电路如图，求：UAB,V阳=6 V V阴=12 VV阳V阴 二极管导通理想二极管模型：二极管可看作短路，UAB=6V恒压源模型：UAB=6.3或UAB=6.7V在这里，二极管起钳位作用。,解：取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管
17、阳极和阴极的电位。,例6,43,解：两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6 V，V2阳=0 VV1阴=V2阴=12 VUD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通，D1截止。由于二极管是理想:UAB=0 VD1承受反向电压为6 V在这里，D2 起钳位作用，D1起隔离作用。,已知二极管是理想的,求:UAB,例7,44,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo=8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo=ui,已知：ui18sint V，二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开
18、关、元件保护、温度补偿等。,参考点,解：二极管阴极电位为 8 V,例8,45,2、伏安特性,3.5 特殊二极管一、齐纳二极管(稳压二极管)稳压管结构：两层硅半导体，一个PN结,UZ,稳压管反向击穿时,只要IZIZmax,就不会永久击穿。,稳定电压,斜率很大：1/rZ=I/U,1、图形符号,稳压管正向使用时与普通硅二极管相同。,死区电压:0.5V,导通压降:0.7V,46,3、工作原理(1)当稳压管正向偏置时,E 0.5V时：I 0，处在死区。稳压管尚未导通。E 0.7V时：稳压管电阻：RD 0稳压管电压稳定在:UD=0.7V稳压管相当于短接,称为导通图中电流：,47,(2)当稳压管反向偏置时,
19、稳压作用,当EUZ时：稳压管电阻：RD 图中电流：IZ0稳压管电压：UZ E稳压管相当于断开，称为截止。当E UZ时,稳压管击穿，上述电路等效为：,一般rZ0,即稳压管两端电压很稳定,为稳定电压UZ。,48,4、主要 参数(1)稳定电压UZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。(2)动态电阻rZrZU/I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)最小稳定工作 电流Izmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。(4)最大稳定工作电流Izmax 超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。,49,二、变容二极管1、图形符号,3、结电容与电压的关系曲线,2、结
20、电容与电压的关系结电容随反向电压的增加而减少,50,三、肖特基二极管1、图形符号,2、肖特基二极管的特点(1)结电容很小，工作速度很快，适合用于高频电路或开关状态。(2)正向门坎电压和正向导通电压约低于普通二极管导通电压0.2V，很小。(3)能承受的反击穿电压较低，大多低于60V，最高约100V。反向漏电流比普通二极管大,51,四、光电子器件1、光电二极管(1)图形符号,(2)工作特点反向电流随光照强度的增加而上升。,照度增加,52,2、发光二极管,(2)工作特点 有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光。它的电特性与一般二极管类似。正向电压较一般二极管高。电流为几 几十mA。,(1)图形符号,53,第三章二极管及其基本电路结 束,54,第1章 半导体二极管及其应用电路1.1 PN结1.2 半导体二极管1.3 整流滤波电路1.4 特殊二极管,55,
