信號(hào)與系統(tǒng)第1章晶體二極管

1、第 1 章晶體二極管,晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)：,pn 結(jié)正偏(p 接 +、n 接 -)，d 導(dǎo)通。,晶體二極管的主要特性：?jiǎn)畏较驅(qū)щ娞匦?pn 結(jié)反偏(n 接 +、p 接 -)，d 截止。,即,主要用途：用于整流、開(kāi)關(guān)、檢波電路中。,1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí),半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。,硅(si)、鍺(ge)原子結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化模型：,硅和鍺的單晶稱為本征半導(dǎo)體。它們是制造半導(dǎo)體器件的基本材料。,硅和鍺共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖：,1.1.1本征半導(dǎo)體,本征激發(fā),共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。 當(dāng) t = 0 k(無(wú)外界影響) 時(shí)，共價(jià)鍵中無(wú)自由移動(dòng)的電子。,這種現(xiàn)象稱,注意：空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體

2、區(qū)別于導(dǎo)體的重要特征。,本征激發(fā)。,當(dāng)原子中的價(jià)電子激發(fā)為自由電子時(shí)，原子中留下空位，同時(shí)原子因失去價(jià)電子而帶正電。,當(dāng)鄰近原子中的價(jià)電子不斷填補(bǔ)這些空位時(shí)形成一種運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)可等效地看作是空穴的運(yùn)動(dòng)。,注意：空穴運(yùn)動(dòng)方向與價(jià)電子填補(bǔ)方向相反。,自由電子 帶負(fù)電,半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子,空穴的運(yùn)動(dòng),空 穴 帶正電,復(fù)合過(guò)程,溫度一定時(shí)： 激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。,熱平衡載流子濃度,熱平衡載流子濃度：,n 型半導(dǎo)體：,1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體,簡(jiǎn)化模型：,本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素構(gòu)成。,磷、銻或砷等,p 型半導(dǎo)體,簡(jiǎn)化模型：,本征半導(dǎo)體中摻入少量三價(jià)元素構(gòu)成。,硼、鎵或鋁等,

3、雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流濃度計(jì)算,例：一塊本征硅片中摻入五價(jià)元素砷，濃度為nd81014cm3。試求室溫300k時(shí)的自由電子和空穴的熱平衡濃度值。 由于ni=1.51010 cm3 故多子自由電子濃度n0,nd81014cm3,少子空穴濃度,在上例中，當(dāng)溫度分別升高到400k和500k時(shí)，試求自由電子和空穴的熱平衡濃度值。,在400k時(shí)，,ni7.591012cm3,在500k時(shí)，,ni3.531014cm3,例：一塊本征硅片,先摻入五價(jià)元素砷，濃度為nd81016cm3，為n型半導(dǎo)體，再摻入濃度為 的三價(jià)硼原子，試問(wèn)它為何種雜質(zhì)半導(dǎo)體，并求室溫時(shí)的多子和少子的熱平衡濃度值。,51017cm3,1.1

4、.3兩種導(dǎo)電機(jī)理漂移和擴(kuò)散,漂移與漂移電流,載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)稱漂移運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱漂移電流。,總漂移電流密度：,半導(dǎo)體的電導(dǎo)率,電壓： v = e l,電流： i = s jt,電阻：,電導(dǎo)率：,假設(shè)足夠強(qiáng)度的光均勻地照射在半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的熱平衡條件受到破壞，由光照產(chǎn)生的載流子將疊加在熱平衡濃度值上。常將它們稱為非平衡載流子，其濃度值分別用 表示，且兩者相等。,則半導(dǎo)體的導(dǎo)電率為：,載流子在濃度差作用下的運(yùn)動(dòng)稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，所形成的電流稱擴(kuò)散電流。,擴(kuò)散電流密度：,擴(kuò)散與擴(kuò)散電流,1.2pn 結(jié),利用摻雜工藝，把 p 型半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體在原子級(jí)上緊密結(jié)合，p 區(qū)與 n 區(qū)的交界

5、面就形成了 pn 結(jié)。,n 型,pn 結(jié),1.2.1動(dòng)態(tài)平衡下的 pn 結(jié),阻止多子擴(kuò)散,利于少子漂移,pn 結(jié)形成的物理過(guò)程,內(nèi)建電位差：,阻擋層寬度：,注意：阻擋層任一側(cè)寬度與該側(cè)摻雜濃度成反比。 阻擋層寬度受內(nèi)建電位差、摻雜濃度、溫度變化的影響。,注意：溫度每升高1度， vb約減小2.5mv。,1.2.2pn 結(jié)的伏安特性,pn 結(jié)單向?qū)щ娞匦?i,pn 結(jié)單向?qū)щ娞匦?ir,結(jié)論：pn 結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦浴?pn 結(jié)伏安特性方程式,pn 結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來(lái)描述：,其中：,is 為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無(wú)關(guān)，但受溫度影響很大。,正偏時(shí)：,反偏時(shí)：,pn 結(jié)伏

6、安特性曲線,溫度每升高 10，is 約增加一倍。,溫度每升高 1， von 約減小 2.5 mv。,o,1.2.3pn 結(jié)的擊穿特性,o,1.2.4pn 結(jié)的溫度特性,pn結(jié)伏安特性的溫度特性 溫度每升高10度，is約增加一倍； pn結(jié)正向電流隨溫度升高而略有增大。,穩(wěn)壓二極管,利用 pn 結(jié)的反向擊穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。,要求：izmin iz izmax,因?yàn)?t 載流子運(yùn)動(dòng)的平均自由路程 v(br)。,擊穿電壓的溫度特性,雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)。,齊納擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。,因?yàn)?t 價(jià)電子獲得的能量 v(br)。,1.2.5pn 結(jié)的電容特性,勢(shì)壘區(qū)內(nèi)空間電荷量隨外加電壓變化

7、產(chǎn)生的電容效應(yīng)。,勢(shì)壘電容 ct (增量電容，非恒值),擴(kuò)散電容 cd,阻擋層外(p 區(qū)和 n 區(qū))貯存的非平衡電荷量,隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。,pn 結(jié)電容,pn 結(jié)反偏時(shí)，ct cd ，則 cj ct,pn 結(jié)總電容： cj = ct + cd,pn 結(jié)正偏時(shí)，cd ct ，則 cj cd,故：pn 結(jié)正偏時(shí)，以 cd 為主。,故：pn 結(jié)反偏時(shí)，以 ct 為主。,通常：cd 幾十 pf 幾千 pf。,通常：ct 幾 pf 幾十 pf。,1.2.6pn 結(jié)的開(kāi)關(guān)特性,理想開(kāi)關(guān)特性 開(kāi)關(guān)閉合，接通電阻為0；開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，關(guān)斷電阻趨于無(wú)窮，且通斷之間的切換是瞬間完成的。 若忽略pn結(jié)的導(dǎo)通電

8、壓和反向飽和電流影響，pn結(jié)具有理想開(kāi)關(guān)的特性。 開(kāi)關(guān)特性的非理想性 導(dǎo)通電壓、導(dǎo)通后的電阻特性、 反向飽和電流、導(dǎo)通與截止之間的 轉(zhuǎn)換時(shí)間。 開(kāi)關(guān)二極管參數(shù) 最大正向電流、最大反向工作電壓等。,1.3晶體二極管電路的分析方法,晶體二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個(gè)pn結(jié)。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示為不同形式的模型：,便于計(jì)算機(jī)輔助分析的數(shù)學(xué)模型,適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型,1.3.1晶體二極管模型,數(shù)學(xué)模型伏安特性方程式,理想模型：,修正模型：,rs 體電阻 + 引線接觸電阻 + 引線電阻,注意：考慮到阻擋層內(nèi)產(chǎn)生的自由電子空穴對(duì)及表面 漏電流的影響，實(shí)際 is 理想 is。,

9、曲線模型伏安特性曲線,晶體二極管的伏安特性曲線，通常由實(shí)測(cè)得到。,等效電路模型,折線等效：在主要利用二極管單向?qū)щ娦缘碾娐分校?實(shí)際二極管的伏安特性。,理想狀態(tài)：與外電路相比，vd(on) 和 rd 均可忽略時(shí)， 二極管的伏安特性和電路符號(hào)。,開(kāi)關(guān)狀態(tài)：與外電路相比，rd 可忽略時(shí)的伏安特性。,簡(jiǎn)化電路模型：折線等效時(shí)，二極管的簡(jiǎn)化電路模型。,大信號(hào)模型,小信號(hào)電路模型,rs：pn 結(jié)串聯(lián)電阻，數(shù)值很小。,rj：為二極管增量結(jié)電阻。,cj：pn 結(jié)結(jié)電容，由 cd 和 ct 兩部分構(gòu)成。,注意：高頻電路中，需考慮 cj 影響。因高頻工作時(shí)， cj 容抗很小，pn 結(jié)單向?qū)щ娦詴?huì)因 cj 的交流

10、 旁路作用而變差。,圖解法,分析二極管電路主要采用：圖解法、等效電路法。,寫出管外電路負(fù)載線方程；,1.3.2晶體二極管電路分析方法,利用二極管曲線模型和管外電路所確定的負(fù)載線，通過(guò)作圖的方法進(jìn)行求解。,要求：已知二極管伏安特性曲線和外圍電路元件值。,分析步驟：,作負(fù)載線；,在伏安特性曲線上分析工作點(diǎn)。,優(yōu)點(diǎn)：直觀。,例 已知電路參數(shù)和二極管伏安特性曲線，試求電路的 靜態(tài)工作點(diǎn)電壓和電流。,q,由圖可寫出直流負(fù)載線方程：v = vdd - ir,在直流負(fù)載線上任取兩點(diǎn)：,解：,vdd,vdd/r,連接兩點(diǎn)，畫出直流負(fù)載線。,vq,iq,令 i = 0，得 v = vdd；,令 v = 0，得

11、i = vdd / r；,所得交點(diǎn)(vq , iq)，即為 q 點(diǎn)。,若上例存在增量電壓源 時(shí)，在 的作用下，管外電路方程為,相應(yīng)的負(fù)載線是一組斜率為1/r且隨wt的變化而平行移動(dòng)的直線。 圖解法的交流分析,等效電路法,即將電路中二極管用簡(jiǎn)化電路模型代替，利用所得到的簡(jiǎn)化電路進(jìn)行分析、求解。,將截止的二極管開(kāi)路，導(dǎo)通的二極管用等效電路 模型替代，然后分析求解。,(1)估算法,判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？,假設(shè)電路中二極管全部開(kāi)路，分析其兩端的電位。,理想二極管：若 v 0，則管子導(dǎo)通；反之截止。,實(shí)際二極管：若 v vd(on)，管子導(dǎo)通；反之截止。,當(dāng)電路中存在多個(gè)二極管時(shí)，正偏電壓最大的管子

12、 優(yōu)先導(dǎo)通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。,例 設(shè)二極管是理想的，求 vao 值。,圖(a)，假設(shè) d 開(kāi)路，則 d 兩端電壓：,vd = v1 v2 = ( 6 12)v = 18 v 0 v，,解：,故 d 截止。,vao = 12 v。,圖(b)，假設(shè) d1、d2 開(kāi)路，則 d 兩端電壓：,vd1=v2 0 = 9 v 0 v，,vd2 = v2 (v1) = 15 v 0 v。,由于 vd2 vd1 ，則 d2 優(yōu)先導(dǎo)通。,此時(shí) vd1 = 6 v 0 v，,故 d1 截止。,vao = v1 = 6 v 。,(2)畫輸出信號(hào)波形方法,根據(jù)輸入信號(hào)大小 判斷二極管的導(dǎo)通與截止 找出 v

13、o 與 vi 關(guān)系 畫輸出信號(hào)波形。,例 設(shè)二極管是理想的，vi = 6sint (v)，試畫 vo波形。,解：,vi 2 v 時(shí)，d 導(dǎo)通，則 vo = vi,vi 2 v 時(shí)，d 截止，則 vo = 2 v,由此可畫出 vo 的波形。,小信號(hào)分析法,即將電路中的二極管用小信號(hào)電路模型代替，利用得到的小信號(hào)等效電路分析電壓或電流的變化量。,分析步驟：,將直流電源短路，畫交流通路。,用小信號(hào)電路模型代替二極管，得小信號(hào)等效電路。,利用小信號(hào)等效電路分析電壓與電流的變化量。,1.4晶體二極管的應(yīng)用,電源設(shè)備組成框圖：,整流電路,1.4.1整流與穩(wěn)壓電路,當(dāng) vi 0 v 時(shí)，d 導(dǎo)通，則 vo = vi,當(dāng) vi 0 v 時(shí)，d 截止，則 vo = 0 v,由此，利用二極管的單向?qū)щ娦?，?shí)現(xiàn)了半波整流。,若輸入信號(hào)為正弦波：,平均值：,vo,t,o,vo,vim,vim,穩(wěn)壓電路,某原因 vo iz i ,限流電阻 r：保證穩(wěn)壓管工作在 izmin izmax 之間,穩(wěn)壓原理：,vo = vz,輸出電壓：,符號(hào) 大信號(hào)模型 小信號(hào)模型,+ -,vz,rz,1.4.2限幅和鉗位電路,v2 vi v1 時(shí)，d1、d2 截止，vo = vi,vi v1 時(shí)，d1 導(dǎo)通、d2 截止，vo = v1,vi v2 時(shí)，d2 導(dǎo)通、d1 截止，vo =