3 二極管及其基本電路.ppt

1、（3-1）,3 二極管及其基本電路,3.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),3.3 二極管,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,3.5 特殊二極管,3.2 PN結(jié)的形成及特性,（3-2）,3.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),3.1.1 半導(dǎo)體材料,3.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),3.1.3 本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用,3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體,（3-3）,3.1.1 半導(dǎo)體材料,根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。,導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。,絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之

2、間，稱為半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。,（3-4）,3.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及晶體結(jié)構(gòu),價(jià)電子,共價(jià)鍵,（3-5）,3.1.3 本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用,空穴共價(jià)鍵中的空位。,自由電子,空穴,T ,電子空穴對(duì)由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)。,空穴的移動(dòng)空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次填充空穴來實(shí)現(xiàn)的。,本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。,（3-6）,本征半導(dǎo)體中載流子的濃度,在一定溫度下本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。,本征半導(dǎo)體中載流子的濃度公式：,T=300 K

3、室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.431010/cm3,本征鍺的電子和空穴濃度: n = p =2.381013/cm3,ni=pi=K1T3/2 e -EGO/(2KT),本征激發(fā),復(fù)合,動(dòng)態(tài)平衡,（3-7）,3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。,N型半導(dǎo)體摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。,P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。,（3-8）,一、 N 型半導(dǎo)體,在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體

4、(或稱電子型半導(dǎo)體)。,（3-9）,二、 P 型半導(dǎo)體,在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3 價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成 P 型半導(dǎo)體。,空穴濃度多于電子濃度，即 p n。空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。,3 價(jià)雜質(zhì)原子稱為受主原子。,受主原子,空穴,（3-10）,說明：,1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。,3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。,4. 雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。,2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。,(a)N 型半導(dǎo)體,(b) P 型半導(dǎo)體,（3-11）,雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響：,摻入雜質(zhì)對(duì)本征半

5、導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:,以上三個(gè)濃度基本上依次相差約106/cm3 。,4.961022/cm3,（3-12）,3.2 PN結(jié)的形成及特性,3.2.2 PN結(jié)的形成,3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿,3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng),3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散,（3-13）,3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散,漂移運(yùn)動(dòng)： 由電場(chǎng)作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)： 由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。,（3-14）,在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為 P 型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為 N 型半導(dǎo)體，兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的

6、薄層，稱為 PN 結(jié)。,一、PN 結(jié)的形成,3.2.2PN結(jié)的形成,（3-15）,PN 結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng),耗盡層,1. 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),2. 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū),電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。, PN 結(jié)，耗盡層。,（3-16）,3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng),空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差 Uho 電位壁壘； 內(nèi)電場(chǎng)；內(nèi)電場(chǎng)阻止多子的擴(kuò)散 阻擋層。,4. 漂移運(yùn)動(dòng),內(nèi)電場(chǎng)有利于少子運(yùn)動(dòng)漂移。,少子的運(yùn)動(dòng)與多子運(yùn)動(dòng)方向相反,（3-17）,5. 擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減小； 隨著內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增加； 當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時(shí)，PN 結(jié)總的電

7、流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定。,對(duì)稱結(jié),即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。,不對(duì)稱結(jié),（3-18）,3.2.3 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?1、 PN結(jié) 外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài),又稱正向偏置，簡(jiǎn)稱正偏。,（3-19）,在 PN 結(jié)加上一個(gè)很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻 R。,2、PN 結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)(反偏),反向接法時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)的作用；,外電場(chǎng)使空間電荷區(qū)變寬；,不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，漂移電流大于擴(kuò)散電流，電路中產(chǎn)生反向電流 I ；,由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。,（3-20）,反向電流

8、又稱反向飽和電流。對(duì)溫度十分敏感， 隨著溫度升高， IS 將急劇增大。,（3-21）,當(dāng) PN 結(jié)正向偏置時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流， PN 結(jié)處于 導(dǎo)通狀態(tài)； 當(dāng) PN 結(jié)反向偏置時(shí)，回路中反向電流非常小，幾乎等于零， PN 結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。,綜上所述：,可見， PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?（3-22）,IS ：反向飽和電流；VT ：溫度的電壓當(dāng)量 在常溫(300 K)下，,3、 PN 結(jié)V-I 特性表達(dá)式,PN結(jié)所加端電壓u與流過的電流i的關(guān)系為,（3-23）,3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿,i = f (u )之間的關(guān)系曲線。,正向特性,反向特性,當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，

9、反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。,熱擊穿不可逆,（3-24）,3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng),當(dāng)PN上的電壓發(fā)生變化時(shí)，PN 結(jié)中儲(chǔ)存的電荷量將隨之發(fā)生變化，使PN結(jié)具有電容效應(yīng)。,電容效應(yīng)包括兩部分,勢(shì)壘電容,擴(kuò)散電容,1. 勢(shì)壘電容Cb,是由 PN 結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的。,(a) PN 結(jié)加正向電壓,（b) PN 結(jié)加反向電壓,（3-25）,空間電荷區(qū)的正負(fù)離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的放電和充電過程。,勢(shì)壘電容的大小可用下式表示：,由于 PN 結(jié) 寬度 l 隨外加電壓 u 而變化，因此勢(shì)壘電容 Cb不是一個(gè)常數(shù)。其 Cb = f (U) 曲線如圖示。, ：半導(dǎo)體材料的介

10、電比系數(shù)； S ：結(jié)面積； l ：耗盡層寬度。,（3-26）,2. 擴(kuò)散電容 Cd,是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中積累而引起的。,在某個(gè)正向電壓下，P 區(qū)中的電子濃度 np(或 N 區(qū)的空穴濃度 pn)分布曲線如圖中曲線 1 所示。,x = 0 處為 P 與 耗盡層的交界處,當(dāng)電壓加大，np (或 pn)會(huì)升高，如曲線 2 所示(反之濃度會(huì)降低)。,當(dāng)加反向電壓時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被削弱，擴(kuò)散電容的作用可忽略。,正向電壓變化時(shí)，變化載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當(dāng)于電容器充電和放電的過程 擴(kuò)散電容效應(yīng)。,（3-27）,綜上所述：,PN 結(jié)總的結(jié)電容 Cj 包括勢(shì)壘電容 Cb 和擴(kuò)散電容 Cd 兩部分。,Cb

11、 和 Cd 值都很小，通常為幾個(gè)皮法 幾十皮法， 有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法。,當(dāng)反向偏置時(shí)，勢(shì)壘電容起主要作用，可以認(rèn)為 Cj Cb。,一般來說，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容起主要作用，即可以認(rèn)為 Cj Cd；,在信號(hào)頻率較高時(shí)，須考慮結(jié)電容的作用。,（3-28）,3.3 半導(dǎo)體二極管,在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。,二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型,二極管的幾種外形,（3-29）,1、點(diǎn)接觸型二極管,3.3.1 二極管的幾種常見結(jié)構(gòu),PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。,（3-30）,3、平面型二極管,往往用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大

12、可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。,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、二極管的代表符號(hào),D,（3-31）,3.3.2 二極管的伏安特性,二極管的伏安特性曲線可用下式表示,正向特性,反向特性,反向擊穿特性,開啟電壓：0.5V 導(dǎo)通電壓：0.7,一、伏安特性,開啟電壓：0.1V 導(dǎo)通電壓：0.2V,（3-32）,二、溫度對(duì)二極管伏安特性的影響,在環(huán)境溫度升高時(shí)，二極管的正向特性將左移，反向特性將下移。,二極管的特性對(duì)溫度很敏感，具有負(fù)溫度系數(shù)。,（3-33）,3.3.3 二極管的參數(shù),(1) 最大整流電流IF,(2) 反向擊穿電壓U（BR）和最高反向工作

13、電壓URM,(3) 反向電流IR,(4) 極間電容Cd,(5)反向恢復(fù)時(shí)間TRR,在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)管子所用的場(chǎng)合，按其所承受的最高反向電壓、最大正向平均電流、工作頻率、環(huán)境溫度等條件，選擇滿足要求的二極管。,（3-34）,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,3.4.1 簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法,3.4.2 二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法,（3-35）,3.4.1 簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法,二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡(jiǎn)單，但前提條件是已知二極管的V -I 特性曲線。,（3-36）,例3.4.1 電路如圖所示，已

14、知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD 。,解：由電路的KVL方程，可得,即,是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線,Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn),（3-37）,1、二極管V-I特性的建模,3.4.2 二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法,（3-38）,4）小信號(hào)模型,vs =0 時(shí), Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn) ，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。,vs =Vmsint 時(shí)（VmVDD）, 將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I 特性線性化，得到小信號(hào)模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線。,（3-39）,4、小信號(hào)模型,二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正

15、向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。,即,根據(jù),得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo),則,常溫下（T=300K）,二極管的微變等效電路,（3-40）,2、模型分析法應(yīng)用舉例,1）整流電路,（a）電路圖 （b）vs和vO的波形,（3-41）,2）靜態(tài)工作情況分析,理想模型,恒壓模型,（硅二極管典型值）,折線模型,（硅二極管典型值）,設(shè),（a）簡(jiǎn)單二極管電路 （b）習(xí)慣畫法,（3-42）,3）限幅電路,電路如圖，R = 1k，VREF = 3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI = 6sint V時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。,（3-43）,4）開關(guān)電路,電路如圖所示，求AO的電壓值,解：,先

16、斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位， 即O點(diǎn)為0V。,則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。,陽極電位高于陰極電位，D接入時(shí)正向?qū)ā?導(dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽極的電位。,所以，AO的電壓值為-6V。,（3-44）,5）小信號(hào)工作情況分析,圖示電路中，VDD = 5V，R = 5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinwt V。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。,直流通路、交流通路、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。,（3-45）,3.5 穩(wěn)壓二極管,一、穩(wěn)壓管的伏安特性,(a)符號(hào),(b)2CW17 伏安特性,DZ,（3-

17、46）,(1) 穩(wěn)定電壓UZ,(2) 動(dòng)態(tài)電阻rZ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。,rZ =VZ /IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin,(5)溫度系數(shù)VZ,二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù),（3-47）,穩(wěn)壓電路,正常穩(wěn)壓時(shí) UO =UZ,# 不加R可以嗎？,# 上述電路UI為正弦波，且幅值大于UZ ， UO的波形是怎樣的？,1）設(shè)電源電壓波動(dòng)(負(fù)載不變),UI UOUZ IZ,UOUR IR ,2）設(shè)負(fù)載變化(電源不變) 略,如電路參數(shù)變化？,（3-48）,例1：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用,穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZ

18、=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻RL=2k，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200 ，求iZ。 若負(fù)載電阻變化范圍為1.5 k - 4 k ，是否還能穩(wěn)壓？,（3-49）,UZ=10V ui=12V R=200 Izmax=12mA Izmin=2mA RL=2k (1.5 k 4 k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA） i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA） RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA） RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）,負(fù)載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用,（3-50）,例2：穩(wěn)