模擬電子技術(shù)-二極管.ppt

第二章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路,2.1 半導(dǎo)體的基本知識,物質(zhì)導(dǎo)電: 導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體: 電阻率為10-3109 cm。 常見半導(dǎo)體:硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs等。,1 本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性,本征半導(dǎo)體：純凈的半導(dǎo)體。 純度99.9999999%，常稱為“九個9”。 單晶體形態(tài)例如：“單晶硅”。,(1）本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu),硅和鍺是四價元素。每個原子的四個價電子互相形成共價鍵, 為它們所束縛，形成空間排列有序的晶體, 見圖2.01。,（2）電子空穴對,圖2.02 本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動畫2-1）,電子空穴對: 熱、光激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴對。 復(fù)合: 游離的自由電子回補(bǔ)空穴。 動態(tài)平衡：溫度一定本征激發(fā)和復(fù)合達(dá)到平衡。,(3)兩種載流子,1）電子：價電子。定向運(yùn)動形成了電子流，帶負(fù)電； 2）空穴：價電子離開后所留下的空位。它的運(yùn)動方向與電子流相反，帶正電。,（動畫2-2）,圖2.03 空穴在晶格中的移動,2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,雜質(zhì)半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素雜質(zhì)，所形成的半導(dǎo)體。,兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體：,N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體,雜質(zhì)：一般是三價或五價元素（硼，磷）。 摻雜目的：改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。,N型半導(dǎo)體：電子型半導(dǎo)體。,(1）N型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體中摻入五價元素磷形成。,N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由 雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。,五價雜質(zhì)原子，因提供自由電子成為帶正電荷的 正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。圖2.04。,(2) P型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體中摻入三價元素硼形成。,P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成； 電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。,空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三 價雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。如圖2.05所示。,P型半導(dǎo)體：空穴型半導(dǎo)體,2.1.3 雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響,摻雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響：,以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。,結(jié)論：百萬分之一的摻雜，導(dǎo)電性能提高百萬倍！,將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體合在一起。,2.2 PN結(jié)的形成及特性,（動畫2-3）,圖2.06 PN結(jié)的形成過程,1、PN結(jié)的形成,將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體合在一起。,2.2 PN結(jié)的形成及特性,（動畫2-3）,圖2.06 PN結(jié)的形成過程,1、PN結(jié)的形成,濃度差 多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū), 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(kuò)散,最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。交界面形成空間電荷區(qū)PN結(jié)。,2 PN結(jié)的導(dǎo)電特性,(1) PN結(jié)正向特性,正向?qū)?(2) PN結(jié)反向?qū)щ娞匦?P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏，PN結(jié)導(dǎo)電；,P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏，PN結(jié)不導(dǎo)電。,結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?,（3）PN結(jié)的導(dǎo)電特性,3 PN結(jié)的電容效應(yīng),(1) 勢壘電容CB,它由空間電荷區(qū)的離子薄層形成。當(dāng)PN結(jié)上壓降變化時，該薄層的厚度也隨之改變，這相當(dāng)于PN結(jié)中存儲的電荷量在變，猶如電容的充放電。,圖 2.09 勢壘電容示意圖,(2) 擴(kuò)散電容CD,CD是由多子擴(kuò)散后，在結(jié)附近形成的多子濃度梯度分布而形成的，濃度梯度的變化，相當(dāng)與電容的充放電。,圖 2.10 擴(kuò)散電容示意圖,Cd,(3) 電容效應(yīng),對高頻信號，PN結(jié)的單向?qū)щ娦允艿接绊憽?CdCDCB （幾個十幾個pf）,1 二極管的結(jié)構(gòu)類型,PN結(jié)加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有三大類。,(1) 點(diǎn)接觸型二極管,PN結(jié)面積小，結(jié)電容小， 用于高頻電路。,2.3 半導(dǎo)體二極管,(3) 平面型二極管,常用于集成電路工藝中。PN 結(jié)面積可大可小。,(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,（4）、二極管的符號,2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線,第一象限:正向特性；第三象限：反向特性。,圖 2.12 二極管的伏安特性曲線,二極管的伏安特性曲線的近似表達(dá)。,IS ：反向飽和電流； V：二極管兩端的電壓； VT =kT/q 室溫下VT=26 mV。,(1) 正向特性,硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5 V左右， 鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1 V左右。,1) 0VVth時，正向電流為零，二極管截止;,正向區(qū)又分為兩段：,2) VVth時，正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。,(2) 反向特性,當(dāng)V0時，處于反向特性區(qū)域。 反向區(qū)也分兩個區(qū)域：,1) 當(dāng)VBRV0時，出現(xiàn)反向飽和電流IS,很小，基本不隨反向電壓的變化而變化。,2) 當(dāng)VVBR時，反向電流急增反向擊穿。VBR稱為反向擊穿電壓 。,3 半導(dǎo)體二極管的參數(shù),幾個主要參數(shù)：,(1) 最大整流電流IF,二極管連續(xù)工 作時，允許通過的最大 電流的平均值。,(2) 反向擊穿電壓VBR,二極管反向電流 急劇增加時對應(yīng)的反向 電壓值稱為反向擊穿 電壓VBR。,(3) 反向電流IR,硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。,(4) 正向壓降VF,硅二極管的正向壓降約0.60.8V；鍺二極管約0.20.3V。,4 半導(dǎo)體二極管的溫度特性,溫度與反向電流呈指數(shù)規(guī)律。 硅管每增加8，反向電流翻一翻； 鍺管每增加12，反向電流翻一翻。,每增加1，正向壓降VF(VD)大約減小2mV， 具有負(fù)的溫度系數(shù)。,（1）反向情形,（2）正向情形,圖 2.13 溫度對二極管特性的影響,5、二極管電路分析,（1）理想模型,正向?qū)▔航礦D=0。,反向截止IR=0,（2）恒壓模型,正向?qū)▔航礦D=0.7V，反向截止IR=0。,（3）折線模型,正向?qū)▔航担篤D=0.5V+ID*rD。,0.7V,0.5V,（4）電路舉例,1）整流電路,2）限幅電路,10v,試畫出輸出Vo的波形。,試畫出輸出Vo的波形。,6、穩(wěn)壓(齊納)二極管,穩(wěn)壓二極管是工作在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。,(b),用于穩(wěn)定它兩端的輸出電壓。,穩(wěn)壓二極管主要參數(shù),(1) 穩(wěn)定電壓VZ ,(2) 動態(tài)電阻rZ ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。,動態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ,(3) 最大耗散功率 PZM,最大功率損耗取決于PN結(jié)的散熱等條件。反向時PN結(jié)的功耗為 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以決定IZmax。,(4) 最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作 電流IZmin,最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin對應(yīng)VZmin。 若IZIZmin則不能穩(wěn)壓。,穩(wěn)壓調(diào)節(jié)過程,八、變?nèi)荻O管 利用二