模擬電子技術(shù)第7章 (7)課件

模擬電子技術(shù)及應(yīng)用刁修睦、杜保強(qiáng)主編

第1章半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管1.3二極管的應(yīng)用+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)價(jià)電子共價(jià)鍵圖1-1共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)1.1.1本征半導(dǎo)體純凈的、晶體結(jié)構(gòu)排列整齊的半導(dǎo)體叫做本征半導(dǎo)體。將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度T=0

K時(shí)，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。1.1.1本征半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴T

圖1-2本征激發(fā)一般在室溫下，純硅中的自由電子濃度n和空穴濃度p約為n=p≈1.5×1010個(gè)/cm3，純鍺中的自由電子濃度n和空穴濃度p約為n=p≈2.5×1013個(gè)/cm3，而金屬導(dǎo)體中的自由電子濃度約為1022個(gè)/cm3。由此可知，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很差的。+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體+3受主原子空穴圖1-3P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)(b)結(jié)構(gòu)示意圖(a)形成過程一、P型半導(dǎo)體摻雜結(jié)果：每摻入一個(gè)三價(jià)元素，產(chǎn)生一個(gè)空穴和一個(gè)不導(dǎo)電的雜質(zhì)負(fù)離子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子+5圖1-4N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)(b)結(jié)構(gòu)示意圖(a)形成過程二、N型半導(dǎo)體摻雜結(jié)果：每摻入一個(gè)五價(jià)元素，產(chǎn)生一個(gè)自由電子和一個(gè)不導(dǎo)電的雜質(zhì)正離子施主原子PN結(jié)的其它稱謂PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)Uho阻擋層勢(shì)壘區(qū)圖1-5PN結(jié)的形成PN二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝怆妶?chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向耗盡層ERI圖1-6PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通什么是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?？有什么作用？空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電路中有較大的正向電流。1．加正向電壓時(shí)導(dǎo)通二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦院谋M層圖1-7PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止PN外電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向ERIS空間電荷區(qū)變寬，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，電路中有較小的反向電流。

2．加反向電壓時(shí)截止PN結(jié)反向電流的大小受溫度的影響明顯

圖1-9點(diǎn)接觸型二極管圖1-10面接觸型二極管二、二極管的分類半導(dǎo)體二極管類型很多，按結(jié)構(gòu)分，有點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類點(diǎn)接觸型二極管高頻特性好，適用于高頻電路，也用作數(shù)字電路中的開關(guān)元件。面接觸型二極管結(jié)面積比較大，允許通過的電流大，適用于整流，但由于極間電容大，故只宜用于低頻電路。1.2.2二極管的伏安特性圖1-11某硅二極管的伏安特性曲線一、正向特性二、反向特性死區(qū)：Uth=0.5V(硅管)0.1V(鍺管)非線性區(qū)：導(dǎo)通區(qū)：UD（ON）=0.6~0.7V(硅管)0.2~0.3V(鍺管)反向截止區(qū)：反向擊穿區(qū)：UBR＜U＜0U＜UBR開啟電壓導(dǎo)通電壓擊穿電壓擊穿類型齊納擊穿雪崩擊穿圖1-12二極管的溫度特性曲線四、二極管的溫度特性半導(dǎo)體具有熱敏性，溫度變化容易造成半導(dǎo)體器件工作不穩(wěn)定。正向特性中，若保持電流一定，溫度每升高1℃，二極管的正向壓降將減小2～2.5mV。即二極管的正向特性曲線將隨溫度的升高而左移。在反向特性中，當(dāng)溫度每升高10℃，反向飽和電流IS將增加一倍。二極管的反向擊穿電壓也受溫度的影響。伏安特性小結(jié)二極管元件的伏安特性可用公式法、參數(shù)法、特性曲線法三種方法來(lái)表示。

公式法的特點(diǎn)是便于定量分析計(jì)算；

參數(shù)法描述元件的特性簡(jiǎn)單、明了，但是只能描述簡(jiǎn)單的靜態(tài)特性，無(wú)法反映兩個(gè)變量之間的關(guān)系；

特性曲線法比較全面而直觀地反映元件的特性，特別是變量之間的關(guān)系，信息量最大。1.2.4二極管的等效電路一、理想模型二、恒壓降模型三、折線模型能在一定條件下近似模擬二極管特性的線性電路稱為二極管的等效電路（或等效模型）。理想二極管可用開關(guān)S來(lái)等效，正偏時(shí)S閉合，反偏時(shí)S斷開，二極管正偏導(dǎo)通后的管壓降是一個(gè)恒定值二極管的導(dǎo)通壓降隨二極管電流的增加而增加，正向特性用一個(gè)理想電源和一個(gè)電阻rD近似uio(a)(b)圖1-13二極管的理想模型(a)伏安特性(b)等效電路(a)(b)圖1-14二極管的恒壓降模型(a)伏安特性(b)等效電路UD(ON)uioUD（ON）+_UDuiUDrD+_o(a)(b)圖1-15二極管的折線模型(a)伏安特性(b)等效電路圖1-16二極管的指數(shù)模型uDiDo圖1-17二極管的交流微變等效電路rduDuDiDoQUDIDiD四、指數(shù)模型（數(shù)學(xué)模型）在外加電壓uD的作用下，二極管電流iD變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式近似為：uD>>UT，近似有

二極管正向?qū)〞r(shí)，由其兩端的電壓UD和通過它的電流ID，可以在伏安特性曲線上確定一點(diǎn)Q。在Q點(diǎn)的基礎(chǔ)上附加微小的變化量，電流會(huì)有較大的變化，且變化軌跡可近似看作一條直線，其斜率的倒數(shù)就是二極管的交流微變等效電阻rd。

五、交流微變等效電路（物理模型）++UIR2kVDUO+_IOUIR2kUD(ON)=0UO_IOUIR2kUO+_IOUD(ON)=0.7V_（a）（b）（c）圖1-19例1.2圖【例1.2】硅二極管電路如圖1-19（a）所示，試分別用二極管的理想等效模型（b）和恒壓降等效模型（C）計(jì)算電路中的電流IO和輸出電壓UO。（1）當(dāng)UI=2V時(shí)；（2）當(dāng)UI=20V時(shí)。解：將二極管用理想模型和恒壓降模型分別代入計(jì)算式中。(1)當(dāng)UI=2V時(shí)，由圖1-19（b）可得UO=2V，IO=UI/R=1mA由圖1-19（c）可得：UO=1.3V，IO=UI-UD(ON)/R=1.3mA(2)當(dāng)UI=20V時(shí)，由圖1-19（b）可得UO=20V，IO=UI/R=10mA由圖1-19（c）可得：UO=19.3V，IO=UI-UD(ON)/R=9.65mA1.2.5特殊二極管(a)(b)圖1-20穩(wěn)壓二極管符號(hào)和伏安特性(a)電路符號(hào)(b)伏安特性曲線VZUZOu

IZmin

i

IZmax

一、穩(wěn)壓二極管1．穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線穩(wěn)壓二極管反向擊穿電壓比普通二極管低。當(dāng)反向電壓加大到反向擊穿電壓值時(shí)，反向電流急劇上升。穩(wěn)壓二極管正是利用反向擊穿電流在很大范圍內(nèi)變化，而反向電壓變化很小的特性來(lái)穩(wěn)定電壓。2．穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管反向正常工作時(shí)的電壓。取決于制造時(shí)的摻雜濃度，通常為幾伏到幾十伏。(2)穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的最小電流值。若工作電流小于IZ，穩(wěn)壓效果很差。穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流應(yīng)大于IZ，一般在幾毫安以上。(3)最大穩(wěn)定電流IZmax和最大耗散功率PZM穩(wěn)壓管允許流過的最大電流和允許的最大功率損耗，通過管子的電流太大，會(huì)使管子內(nèi)部的功耗增大，PN結(jié)溫度上升而燒壞管子，所以穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的電流和功耗不應(yīng)超過這兩個(gè)極限參數(shù)。一般有：

PZM=UZ·IZmax(1-4)(4)動(dòng)態(tài)電阻rZ穩(wěn)壓管反向擊穿時(shí)的動(dòng)態(tài)等效電阻，定義為電壓變化量ΔUZ與電流變化量ΔIZ之比：

rZ=ΔUZ／ΔIZ(1-5)動(dòng)態(tài)電阻是反映穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓性能好壞的重要參數(shù)，rZ越小，穩(wěn)壓效果就越好。將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件。包括可見光、不可見光（一般指紅外光）發(fā)光二極管。常見的發(fā)光顏色有紅、橙、黃、綠等色,如圖1-21(a)所示。雙色發(fā)光二極管如圖1-21(b)所示，彩色發(fā)光二極管如圖1-21(c)所示二、發(fā)光二極管與光敏二極管1．發(fā)光二極管（LED）(a)(b)(c)圖1-21發(fā)光二極管(a)單色(b)雙色(c)彩色RGC發(fā)光二極管的工作電流一般約為幾至幾十毫安，正偏電壓比普通二極管要高，約為1.5～3V。由發(fā)光二極管構(gòu)成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)廣泛用于交通信號(hào)燈、廣告牌及大型電子顯示屏等電子設(shè)備。光敏二極管也叫光電二極管，其結(jié)構(gòu)和一般二極管相似，也具有單向?qū)щ娦?，一般工作在反向偏置狀態(tài)。在外加反向電壓作用下,當(dāng)光線照射在PN結(jié)上時(shí)，反向電流增加，其大小與光照強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱光強(qiáng)）成正比。利用光敏二極管制成光電傳感器，可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以便控制其他電子器件。光敏二極管的電路符號(hào)如圖1-22(a)所示。光敏二極管一般有兩種工作狀態(tài)：（1）當(dāng)光敏二極管上加有反向電壓時(shí)，管子中的反向電流隨光強(qiáng)變化而正比變化；（2）光敏二極管上不加反壓，利用PN結(jié)在受光照（包括可見光、不可見光）時(shí)產(chǎn)生正向壓降的原理，作微型光電池使用。2．光敏二極管圖1-22(a)三、變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)的等效電容特性制成的，一般工作在反向偏置狀態(tài)。當(dāng)PN結(jié)的外加反向電壓增大時(shí)，耗盡層加寬，相當(dāng)于平板電容兩極板之間距離加大，電容減小。反之，反向電壓減小時(shí)，耗盡層變窄，等效平板電容兩極板之間距離變小，電容增加。變?nèi)荻O管容量很小，所以主要用于高頻場(chǎng)合下，例如常用于彩色電視機(jī)選臺(tái)回路。圖1-22(b)變?nèi)荻O管圖1-24硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路UoUZRLVZRUI+－+--+IRIZIL二、穩(wěn)壓UI

（或RL）UO

IZ

IR

UR

Uo

UI

（或RL）UOIZIR

UR

UoOOωtωtπ

π

2π

2π

ui

uo

UmU-U1.3.2其它應(yīng)用

圖1-25二極管限幅電路（a）電路(b)波形圖VD1VD2RUUuiuo（a）（b）一、限幅

(a)(b)圖1-26二極管檢波電路

(a)電路原理圖(b)輸入輸出波形A+__+uouiCRLVDiA0ωtuo0ωtui0ωt圖1-27二極管續(xù)流電路VDL+VCCK二、檢波三、續(xù)流檢波就是把原來(lái)調(diào)制在高頻無(wú)線電波中的低頻信號(hào)取出來(lái)。檢波也叫解調(diào)。為防止含電感元件電路在換路時(shí)出現(xiàn)高電壓損壞元器件，可在電感元件兩端并上二極管，正常工作時(shí)，二極管反偏截止，當(dāng)電源斷開瞬時(shí)，二極管則導(dǎo)通，為電感提供了放電通路。電感電流仍維持原大小并按原方向繼續(xù)流動(dòng)，從而避免了電感元件上承受高電壓。小結(jié)1．自然界中的物質(zhì)，按照導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三類。常溫下，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，半導(dǎo)體有熱敏性、光敏性和摻雜性。摻雜性是制造各種半導(dǎo)體器件的主要理論依據(jù)。在純半導(dǎo)體中接人不同的雜質(zhì)，可分