模擬電子線路第一章半導(dǎo)體二極管及其基本電路

1、第一章半導(dǎo)體二極管及其基本電路第一節(jié)學(xué)習(xí)要求第二節(jié)半導(dǎo)體的基本知識(shí)第三節(jié)PN結(jié)的形成及特性第四節(jié)半導(dǎo)體二極管第五節(jié)二極管基本電路及其分析方法弟八節(jié)特殊二極管第一節(jié) 學(xué)習(xí)要求(1) 了解半導(dǎo)體器件中擴(kuò)散與漂移的概念、PN結(jié)形成的原理。(2) 掌握半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦院头蔡匦浴?3 )掌握二極管基本電路及其分析方法。(4)熟悉硅穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓原理和主要參數(shù)。第二節(jié)半導(dǎo)體的基本知識(shí)多數(shù)現(xiàn)代電子器件是由性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的半導(dǎo)體材料制成的。為了從電路的觀點(diǎn)理解這些器件的性能，首先必須從物理的角度了解它們是如何工作的。一、半導(dǎo)體材料從導(dǎo)電性能上看，物質(zhì)材料可分為三大類：導(dǎo)體：電阻率 p &l

2、t; 10 -4 cm絕緣體：電阻率p > 109 cm半導(dǎo)體：電阻率p介于前兩者之間。目前制造半導(dǎo)體器件的材料用得最多的有：硅和錯(cuò)兩種、本征半導(dǎo)體及本征激發(fā)1、本征半導(dǎo)體沒(méi)有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體單晶，叫做本征半導(dǎo)體2、本征激發(fā)當(dāng)溫度升高時(shí)，電子吸收能量擺脫共價(jià)鍵而形成一對(duì)電子和空穴的過(guò)程, 稱為本征激發(fā)。三、雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的變化。因摻入雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為空穴（P）型半導(dǎo)體和電子（N）型半導(dǎo)體兩大類。1、P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入少量的三價(jià)元素雜質(zhì)就形成P型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。2、N型半導(dǎo)

3、體在本征半導(dǎo)體中摻入少量的五價(jià)元素雜質(zhì)就形成N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是電子，少數(shù)載流子是空穴。圖22返回第三節(jié) PN結(jié)的形成及特性一、PN結(jié)及其形成過(guò)程在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，正負(fù)電荷數(shù)是相等的，它們的作用相互抵消，因此保持電中性。1、載流子的濃度差產(chǎn)生的多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后， 在它們的交界處就岀現(xiàn)了電子和空穴 的濃度差，N型區(qū)內(nèi)的電子很多而空穴很少，P型區(qū)內(nèi)的空穴很多而電子很少，這樣電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散，因此，有些電子要從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散， 也有一些空穴要從 P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。2、電子和空穴的復(fù)合形成了空間電荷區(qū)電子和空穴帶有相反的電荷

4、，它們?cè)跀U(kuò)散過(guò)程中要產(chǎn)生復(fù)合（中和），結(jié) 果使P區(qū)和N區(qū)中原來(lái)的電中性被破壞。P區(qū)失去空穴留下帶負(fù)電的離子， N區(qū)失去電子留下帶正電的離子，這些離子因物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，它們不能移動(dòng)，因此稱為空間電荷， 它們集中在 P區(qū)和N區(qū)的交界面附近， 形成了一個(gè)很薄的 空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結(jié)。3、空間電荷區(qū)產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)E又阻止多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在空間電荷區(qū)后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)中形成一個(gè)電場(chǎng)，其方向從帶正電的 N區(qū)指向帶負(fù)電的 P區(qū)，由于該電場(chǎng)是由載流子擴(kuò) 散后在半導(dǎo)體內(nèi)部形成的，故稱為內(nèi)電場(chǎng)。因?yàn)閮?nèi)電場(chǎng)的方向與電子的擴(kuò)散方向相同，與空穴的擴(kuò)散方向相反，所以它是阻止載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

5、的。圖: E :綜上所述，PN結(jié)中存在著兩種載流子的運(yùn)動(dòng)。一種是多子克服電場(chǎng)的阻 力的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；另一種是少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的漂移運(yùn)動(dòng)。因此，只有當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到 動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)建電場(chǎng)才能相對(duì)穩(wěn)定。由于兩種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流方向相反，因而在無(wú)外電場(chǎng)或其他因素激勵(lì)時(shí)，PN結(jié)中無(wú)宏觀電流。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)在外加電壓的作用下，動(dòng)態(tài)平衡將被打破，并顯示岀其單向?qū)щ姷?特性。1、外加正向電壓當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的萬(wàn)向相反，內(nèi)電場(chǎng)變?nèi)?，結(jié) 果使空間電荷區(qū)（PN結(jié)）變窄。同時(shí)空間電荷區(qū)中載流子的濃度增加，電阻 變小。這時(shí)的外加電壓稱為正向電壓或正向偏置

6、電壓用Vf表示。在Vf作用下，通過(guò) PN結(jié)的電流稱為正向電流 I f。外加正向電壓的電路女口 圖所示。O 9 00OOOO OOOO o QO0 o o o O 0060P4OOOO AOOOO OOOO OOOO i'*oO. O Cl ©/©. Q. ®+ o. o o2、外加反向電壓當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向相同，內(nèi)電場(chǎng)變強(qiáng)，結(jié) 果使空間電荷區(qū)（PN結(jié)）變寬，同時(shí)空間電荷區(qū)中載流子的濃度減小，電阻 變大。這時(shí)的外加電壓稱為反向電壓或反向偏置電壓用Vr表示。在Vr作用下,通過(guò)PN結(jié)的電流稱為反向電流 I r或稱為反向飽和電流 I s。

7、如下圖所示。VrPiIJL口LG 0 Q O°0 Q Q Q Q e qoooo00QOG)GJ0G>O 0 0 eV3、PN結(jié)的伏安特性根據(jù)理論分析，PN結(jié)的伏安特性可以表達(dá)為:式中iD為通過(guò)PN結(jié)的電流，vd為PN結(jié)兩端的外加電壓；VT為溫度的電壓當(dāng)量=kT/q=T/11600=0.026V ， 其中 k 為波爾慈曼常數(shù)(1.38 X 10 -23J/K ), T 為絕對(duì)溫度(300K), q為電子電荷(1.6 X 10 - C) ； e為自然對(duì)數(shù)的底；Is為反向飽和電流。返回第四節(jié)半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)的不同可分為點(diǎn)接觸型和面接觸 型兩類。點(diǎn)

8、接觸型二極管是由一根很細(xì)的金屬觸絲（如三價(jià)元素鋁）和一塊半導(dǎo)體（如錯(cuò)）的表面接觸，然后在正方向通過(guò)很大 的瞬時(shí)電流，使觸絲和半導(dǎo)體牢固地熔接在一起，三價(jià)金屬 與錯(cuò)結(jié)合構(gòu)成 PN結(jié)，并做岀相應(yīng)的電極引線，外加管殼密封 而成，如圖2.7所示。由于點(diǎn)接觸型二極管金屬絲很細(xì)，形成的PN結(jié)面積很小，所以極間電容很小，同時(shí)，也不能承受高的反向電壓和大的電流。這種類型的管子適于做高頻檢 波和脈沖數(shù)字電路里的開(kāi)關(guān)元件，也可用來(lái)作小電流整流。如2API是點(diǎn)接觸型錯(cuò)二極管，最大整流電流為16mA 最高工作頻率為 150MHz面接觸型或稱面結(jié)型二極管的PN結(jié)是用合金法或擴(kuò)散法做成的，其結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。由于這種二

9、極管的 PN結(jié)面積 大，可承受較大的電流，但極間電容也大。這類器件適用于 整流，而不宜用于高頻電路中。如2CPI為面接觸型硅二極管，最大整流電流為 400mA最高工作頻率只有 3kHz。圖2.7中的硅工藝平面型二極管結(jié)構(gòu)圖,是集成電路中常見(jiàn)的一種形式。代表二極管的符號(hào)也在圖2.7中示岀部分二極管實(shí)物如圖2.8所示。、極管的伏安特性(hiri實(shí)際的二極管的 V-特性如圖2.9所示。由圖可以看岀， 二極管的V-特性和PN結(jié)的V-特性（圖2.6）基本上是相同 的。下面對(duì)二極管 V-I特性分三部分加以說(shuō)明：1、正向特性：二極管外加正向偏置電壓時(shí)的V-I 特性對(duì)應(yīng)于圖2.9 （b）的第段為正向特性，此時(shí)

10、加于二極管的正向電壓只有零點(diǎn)幾伏，但相對(duì)來(lái)說(shuō)流過(guò)管子的電流卻 很大，因此管子呈現(xiàn)的正向電阻很小。但是，在正向特性的 起始部分，由于正向電壓較小，外電場(chǎng)還不足以克服PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)，因而這時(shí)的正向電流幾乎為零，二極管呈現(xiàn)出一個(gè) 大電阻，好像有一個(gè)門(mén)坎。 硅管的門(mén)坎電壓 Vth（ 又稱死區(qū)電 壓）約為0 5V,錯(cuò)管的 Vh約為0 IV，當(dāng)正向電壓大于 Vth 時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)大為削弱，電流因而迅速增長(zhǎng)。2、反向特性：二極管外加反向偏置電壓時(shí)的 V-I 特性P 型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子 （電子） 和 N 型半導(dǎo)體中的少 數(shù)載流子（空穴），在反向電壓作用下很容易通過(guò)PN結(jié)，形成反向飽和電流。但由于少數(shù)載流子的數(shù)

11、目很少，所以反向電流是很小的，如圖2.9 （ b）的第段所示，一般硅管的反向電流比鍺管小得多，其數(shù)量級(jí)為：硅管nA 級(jí)，鍺管大 mA級(jí)。溫度升高時(shí)，由于少數(shù)載流子增加，反向電流將隨之急 劇增加。3、反向擊穿特性：二極管擊穿時(shí)的V-I 特性當(dāng)增加反向電壓時(shí)， 因在一定溫度條件下， 少數(shù)載流 子數(shù)目有限，故起始一段反向電流沒(méi)有多大變化，當(dāng)反向電 壓增加到一定大小時(shí)，反向電流劇增，這叫做二極管的反向 擊穿， 對(duì)應(yīng)于圖2.9的第段，其原因與 PN結(jié)擊穿相同。三、二極管的主要參數(shù)1、最大整流電流I F：是指管子長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過(guò)的 最大正向平均電流。因?yàn)殡娏魍ㄟ^(guò)PN結(jié)要引起管子發(fā)熱，電流太大，發(fā)熱量超

12、過(guò)限度，就會(huì)使PN結(jié)燒壞。例如2API最大整流電流為 16mA。2、反向擊穿電壓 VBR： 指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)，反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐模踔烈?過(guò)熱而燒壞。一般手冊(cè)上給岀的最高反向工作電壓約為擊穿 電壓的一半，以確保管子安全運(yùn)行。例如2API最高反向工作電壓規(guī)定為20V,而反向擊穿電壓實(shí)際上大于40V。3、 反向電流I r：指管子末擊穿時(shí)的反向電流，其值愈小,則管子的單向?qū)щ娦杂?。由于溫度增加，反向電流?huì) 急劇增加，所以在使用二極管時(shí)要注意溫度的影響。4、極間電容Cj：二極管的極間電容包括勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容，在高頻運(yùn)用時(shí)必須考慮結(jié)電容的影響。二極管不同的 工作狀

13、態(tài)，其極間電容產(chǎn)生的影響效果也不同。二極管的參數(shù)是正確使用二極管的依據(jù)，一般半導(dǎo)體器件手冊(cè)中都給出不同型號(hào)管子參數(shù)。使用時(shí)，應(yīng)特別注意不 要超過(guò)最大整流電流和最高反向工作電壓，否則將容易損壞 管子。返回 第五節(jié)二極管基本電路及其分析方法在電子技術(shù)中，二極管電路得到廣泛的應(yīng)用。本節(jié)只介紹幾種基本的電路，如限幅電路、開(kāi)關(guān)電路、低電壓穩(wěn)壓電路等。二極管是一種非線性器件，因而二極管電路一般要采用非線性電路的分析方法。這里主要介紹比較簡(jiǎn)單理想模型和恒壓模型分析法。一、二極管正向特性的數(shù)學(xué)模型1、理想模型-理想的開(kāi)關(guān)T n f 7圖2.10表示理想二極管的 VI特性和符號(hào)，其中的虛線表示實(shí)際二極管的 VI

14、特性。由圖中可見(jiàn)，在正向偏置時(shí)，其管壓降為OV而當(dāng)二極管處于反向偏置時(shí)，認(rèn)為它的電阻為無(wú)窮大，電流為零。在實(shí)際的電路中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn) 比二極管的管壓降大時(shí)，利用此法來(lái)近似分析是可行的。2、恒壓模型-其正向壓降為 0.7V（硅管）這個(gè)模型如圖2.11所示，其基本思想是當(dāng)二極管導(dǎo)通后，其管壓降認(rèn)為是恒定的，且不隨電流而變，典型值為0.7V，不過(guò)，這只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或大于 1mA時(shí)才是正確的。 該模型提供了合理的近似，因此應(yīng)用 也較廣。二、模型分析法應(yīng)用舉例1、靜態(tài)工作點(diǎn)分析<電路如圖2.12所示，請(qǐng)分別用二極管的理想模型和恒壓模型分析其靜態(tài) 工作點(diǎn)。（1）使用理想模型得：VD=

15、0V，Id=Vdd/R（2）使用恒壓模型得：VD=0.7V，I d=（ VDVd） /R上述的計(jì)算結(jié)果表明：VdD>>Vd時(shí)，使用恒壓模型較好，因此，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的模型是關(guān)鍵。2、模型分析法應(yīng)用舉例01B2£VoR2-+Vo12VV202(a)(b)例題1：如果圖示電路（a）中設(shè)二極管為恒壓模型。求電路中輸岀的電壓Vo值說(shuō)明二極管處于何種狀態(tài)？解：假設(shè)先將 A、B 斷開(kāi)，則 VA = -10V, VB = -5V ，二 VAB= VA-VB= -5V，可 見(jiàn)重新接入后二極管將處于反向截止?fàn)顟B(tài)：電路中電流為0（反向電阻無(wú)窮大），電阻R上的壓降為0 , Vo = -5

16、V 成立。例題2：如果圖2.13所示電路（b）中設(shè)二極管為恒壓模型。求電路中輸岀的電 壓Vo值說(shuō)明二極管處于何種狀態(tài)？解：將 D1、D2 斷開(kāi)，VB1A= 9V，VB2A=-12-（-9）=-3V 將 D1、D2接入后，D1導(dǎo)通，D2截止，VA被D1箝位在0.7V上。 Vo= VA= -0.7V 成立。返回第六節(jié)特殊二極管除前面所討論的普通二極管外，還有若干種特殊二極管，如齊納二極管、 變?nèi)荻O管、光電子器件（包括光電二極管、發(fā)光二極管和激光二極管）等，本節(jié)主要討論齊納二極管及其應(yīng)用。一、齊納二極管齊納二極管又稱穩(wěn)壓二極管，是一種特殊的面接觸型硅晶體二極管。由于它有穩(wěn)定電壓的作用，經(jīng)常應(yīng)用在穩(wěn)

17、壓設(shè)備和一些電子線路中。4-圖2.14穩(wěn)壓二極管的符號(hào)和孝效電路穩(wěn)壓二極管的特性曲線與普通二極管基本相似， 只是穩(wěn)壓二極管的反向特 性曲線比較陡。穩(wěn)壓二極管的正常工作范圍， 是在伏安特性曲線上的反向電流開(kāi)始突然上 升的A、B段。這一段的電流， 對(duì)于常用的小功率穩(wěn)壓管來(lái)講，一般為幾毫 安至幾十毫安。圖215穩(wěn)壓二啜管的伏安特性1、穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓Vz穩(wěn)定電壓就是穩(wěn)壓二極管在正常工作時(shí)，管子兩端的電壓值。這個(gè)數(shù)值隨工作電流和溫度的不同略有改變， 既是同一型號(hào)的穩(wěn)壓二極管， 穩(wěn)定電壓值也 有一定的分散性， 例如2CW14硅穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓為 67.5V。(2)耗散功率PM反向電流通過(guò)穩(wěn)壓二極管的PN結(jié)時(shí)，要產(chǎn)生一定的功率損耗，PN結(jié)的溫度也將升高。根據(jù)允許的PN結(jié)工作溫度決定岀管子的耗散功率。通常小功 率管約為幾百毫瓦至幾瓦(3)穩(wěn)定電流I Z、最小穩(wěn)定電流Izmin、大穩(wěn)定電流I Zmax 穩(wěn)定電流：工作電壓等于穩(wěn)定電壓時(shí)的反向電流； 最小穩(wěn)定電流：穩(wěn)壓二極管工作于穩(wěn)定電壓時(shí)所需的最小反向電流;最大穩(wěn)定電流：穩(wěn)壓二極管允許通過(guò)的最大反向電流。2、穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用穩(wěn)壓管常用在整流濾波電路之后，用于穩(wěn)定直流輸出電壓的小功率電源設(shè)備中如圖由R、DZ組成的就是穩(wěn)壓電路，