二極管及其基本電路2PPT學習教案

1、會計學1二極管及其基本電路二極管及其基本電路2 3.1.1 半導體材料半導體材料 根據物體導電能力根據物體導電能力( (電阻率電阻率) )的不同，來的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。劃分導體、絕緣體和半導體。 典型的半導體有典型的半導體有硅硅SiSi和和鍺鍺GeGe以及以及砷化鎵砷化鎵GaAsGaAs等。等。第1頁/共49頁 3.1.2 半導體的共價鍵結構半導體的共價鍵結構硅和鍺的原子結構簡化模型及晶體結構硅和鍺的原子結構簡化模型及晶體結構第2頁/共49頁 3.1.3 本征半導體本征半導體本征半導體本征半導體化學成分純凈的半導體。它在物理結化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。構

2、上呈單晶體形態(tài)。空穴空穴共價鍵中的空位共價鍵中的空位。電子空穴對電子空穴對由熱激由熱激發(fā)而產生的自由電子和發(fā)而產生的自由電子和空穴對?？昭▽?。空穴的移動空穴的移動空穴的空穴的運動是靠相鄰共價鍵中運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴的價電子依次充填空穴來實現的。來實現的。由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產生空由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產生空穴電子對穴電子對第3頁/共49頁 3.1.4 雜質半導體雜質半導體 在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或

3、五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質雜質半導體半導體。 N N型半導體型半導體摻入五價雜質元素（如磷）的半摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。導體。 P P型半導體型半導體摻入三價雜質元素（如硼）的半摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。導體。第4頁/共49頁1. N1. N型半導體型半導體 3.1.4 雜質半導體雜質半導體 因五價雜質原子因五價雜質原子中只有四個價電子能中只有四個價電子能與周圍四個半導體原與周圍四個半導體原子中的價電子形成共子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由縛而很容易

4、形成自由電子。電子。 在在N N型半導體中型半導體中自由自由電子是多數載流子，電子是多數載流子，它主要由它主要由雜質原子提供；雜質原子提供；空穴是少數載流子空穴是少數載流子, , 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正正離子離子，因此五價雜質原子也稱為，因此五價雜質原子也稱為施主雜質施主雜質。第5頁/共49頁 2. P 2. P型半導體型半導體 3.1.4 雜質半導體雜質半導體 因三價雜質原因三價雜質原子在與硅原子形成子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一共價鍵時，缺少一個價電子而在共價個價電子而在共價鍵中留下一個空穴鍵中

5、留下一個空穴。 在在P P型半導體中型半導體中空穴是多數載流子，空穴是多數載流子，它主要由摻它主要由摻雜形成；雜形成；自由自由電子是少數載流子，電子是少數載流子， 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子負離子。三價雜質三價雜質 因而也稱為因而也稱為受主雜質受主雜質。第6頁/共49頁 3. 雜質對半導體導電性的影響雜質對半導體導電性的影響 3.1.4 雜質半導體雜質半導體 摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下一些典型的數據如下: : T=300 K室溫下室溫下,本征

6、硅的電子和空穴濃度本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子濃度本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 3以上三個濃度基本上依次相差以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。 2摻雜后摻雜后 N 型半導體中的自由電子濃度型半導體中的自由電子濃度: n=51016/cm3第7頁/共49頁 本征半導體、雜質半導本征半導體、雜質半導體體 本節(jié)中的有關概念本節(jié)中的有關概念 自由電子、空穴自由電子、空穴 N N型半導體、型半導體、P P型半導體型半導體 多數載流子、少數載流子多數載流子、少數載流子 施主雜質、受主雜質施主雜質、受主雜質第8頁/共49頁3.2 P

7、N結的形成及特性結的形成及特性 PN結的形成結的形成 PN結的單向導電性結的單向導電性 PN結的反向擊穿結的反向擊穿 PN結的電容效應結的電容效應 載流子的漂移與擴散載流子的漂移與擴散重慶工學院 第9頁/共49頁 3.2.1 載流子的漂移與擴散載流子的漂移與擴散漂移運動：漂移運動： 在電場作用引起的載流子的運動稱為在電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動漂移運動。擴散運動：擴散運動： 由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散擴散運動運動。第10頁/共49頁 3.2.2 PN結的形成結的形成第11頁/共49頁 3.2.2 PN結的形成結的形成第12頁/共49頁

8、 在一塊本征半導體兩側通過擴散不同的雜質在一塊本征半導體兩側通過擴散不同的雜質, ,分分別形成別形成N N型半導體和型半導體和P P型半導體。此時將在型半導體。此時將在N N型半導體型半導體和和P P型半導體的結合面上形成如下物理過程型半導體的結合面上形成如下物理過程: :因濃度差因濃度差 空間電荷區(qū)形成內電場空間電荷區(qū)形成內電場 內電場促使少子漂移內電場促使少子漂移 內電場阻止多子擴散內電場阻止多子擴散 最后最后, ,多子的多子的擴散擴散和少子的和少子的漂移漂移達到達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡。多子的擴散運動多子的擴散運動 由由雜質離子形成空間電荷區(qū)雜質離子形成空間電荷區(qū) 第13頁/共49頁 對于對

9、于P P型半導體和型半導體和N N型半導體結合面，離型半導體結合面，離子薄層形成的子薄層形成的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)稱為稱為PNPN結結。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱稱耗盡層耗盡層。 第14頁/共49頁 3.2.3 PN結的單向導電性結的單向導電性 當外加電壓使當外加電壓使PNPN結中結中P P區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于N N區(qū)的電位，稱為加區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。 (1) PN(1) PN結加正向電壓時結加正向電壓時 低電阻低電阻 大的正向擴散電流大的正向擴散電流

10、第15頁/共49頁 3.2.3 PN結的單向導電性結的單向導電性 當外加電壓使當外加電壓使PNPN結中結中P P區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于N N區(qū)的電位，稱為加區(qū)的電位，稱為加正向電壓正向電壓，簡稱，簡稱正偏正偏；反之稱為加；反之稱為加反向電壓反向電壓，簡稱，簡稱反偏反偏。 (2) PN(2) PN結加反向電壓時結加反向電壓時 高電阻高電阻 很小的反向漂移電流很小的反向漂移電流 在一定的溫度條件下，由本征激在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，所加反向電壓

11、的大小無關，這個電流這個電流也稱為也稱為反向飽和電流反向飽和電流。 第16頁/共49頁 PNPN結加正向電壓時，呈現低電阻結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；，具有較大的正向擴散電流； PNPN結加反向電壓時，呈現高電阻結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。，具有很小的反向漂移電流。 由此可以得出結論：由此可以得出結論：PNPN結具有單結具有單向導電性。向導電性。第17頁/共49頁 3.2.3 PN結的單向導電性結的單向導電性 (3) PN(3) PN結結V V- -I I 特性表達式：特性表達式：其中其中: :PNPN結的伏安特性結的伏安特性)1e (/SDD

12、TVIivI IS S 反向飽和電反向飽和電流流V VT T 溫度的電壓當溫度的電壓當量量且在常溫下且在常溫下( (T T=300K=300K）: :V026. 0 qkTVTmV 26 第18頁/共49頁 3.2.4 PN結的反向擊穿結的反向擊穿 當當PNPN結的反向電壓增加到結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為然快速增加，此現象稱為PNPN結的結的反向擊穿。反向擊穿。熱擊穿熱擊穿不可不可逆逆 雪崩擊穿雪崩擊穿 齊納擊穿齊納擊穿 電擊穿電擊穿可逆可逆第19頁/共49頁 3.2.5 PN結的電容效應結的電容效應(1) (1) 擴散電容擴散電容C

13、CD D擴散電容示意圖擴散電容示意圖第20頁/共49頁 3.2.5 PN結的電容效應結的電容效應 (2) (2) 勢壘電容勢壘電容C CB B第21頁/共49頁3 . 3 半導體二極管半導體二極管 半導體二極管的結構半導體二極管的結構 二極管的伏安特性二極管的伏安特性 二極管的主要參數二極管的主要參數第22頁/共49頁3.3.1 半導體二極管的結構半導體二極管的結構 在在PNPN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有二極管按結構分有點接觸型、面接觸型點接觸型、面接觸型兩大類。兩大類。(1) (1) 點接觸型二極管點接觸型二極管點接觸型點接觸

14、型二極管結構示意圖二極管結構示意圖 PN PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。第23頁/共49頁（a）面接觸型）面接觸型 （b）集成電路中的平面型）集成電路中的平面型 （c）代表符號）代表符號 (2) (2) 面接觸型二極管面接觸型二極管 PN PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)(b)面接觸型面接觸型第24頁/共49頁 3.3.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表二極管的伏安特性曲線可用下式表示示)1e (/SDD TVIiv鍺二極管鍺二極管2AP152AP15

15、的的V V- -I I 特性特性硅二極管硅二極管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性第25頁/共49頁 3.3.3 二極管的主要參數二極管的主要參數(1) (1) 最大整流電流最大整流電流I IF F(2) (2) 反向擊穿電壓反向擊穿電壓V VBRBR和最大反向工作電壓和最大反向工作電壓V VRMRM(3) (3) 反向電流反向電流I IR R(4) (4) 正向壓降正向壓降V VF F(5) (5) 極間電容極間電容C Cd d（C CB B、 C CD D ） 二極管長期連續(xù)工作時，允許通過的最大正向整二極管長期連續(xù)工作時，允許通過的最大正向整流電流的平均值。流電流的平均

16、值。 二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱二極管反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓為反向擊穿電壓VBR。為安全計，在實際工作時，最大反。為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓向工作電壓V VRMRM一般只按反向擊穿電壓一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。的一半計算。 在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安向電流一般在納安(nA)(nA)級；鍺二極管在微安級；鍺二極管在微安( ( A)A)級。級。 在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向在規(guī)

17、定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約；鍺二極管約。，約；鍺二極管約。 是反映二極管中是反映二極管中PNPN結電結電容效應的參數，容效應的參數，C Cd d=C=CB B+C+CD D。在高頻或開關狀態(tài)應用時，必在高頻或開關狀態(tài)應用時，必須考慮級間電容的影響。須考慮級間電容的影響。(6) (6) 反向恢復時間反向恢復時間TRR 由于由于PNPN結電容的存在，當結電容的存在，當二極管外加電壓極性翻轉時，其原工作狀態(tài)不能在瞬間二極管外加電壓極性翻轉時，其原工作狀態(tài)不能在瞬間完全隨之變化。完全隨之變化。第26頁

18、/共49頁 二極管基本電路及其分析方法二極管基本電路及其分析方法 3.4.1 簡單二極管電路的圖解分析方法簡單二極管電路的圖解分析方法 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法第27頁/共49頁3.4.1 簡單二極管電路的圖解分析方法簡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，相對來說比般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件較復雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的是已知二極管的V V - -I I 特性曲線。特性曲線。第28頁/共49頁

19、例例3.4.1 電路如圖所示，已知二極管的電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源特性曲線、電源VDD和和電阻電阻R，求二極管兩端電壓，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流和流過二極管的電流iD 。 解：由電路的解：由電路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一條斜率為是一條斜率為-1/R的直線，稱為的直線，稱為負載負載線線 Q的坐標值（的坐標值（VD，ID）即為所求。）即為所求。Q點稱為電路的點稱為電路的工作點工作點第29頁/共49頁 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法1.1.二極管二極管V V- -I

20、 I 特性的建模特性的建模 將指數模型將指數模型 分段線性化，得到二極管特性的等效模型。分段線性化，得到二極管特性的等效模型。)1e (DSD TVIiv（1 1）理想模型）理想模型 （a a）V V- -I I特性特性 （b b）代表符號）代表符號 （c c）正向偏置時的電路模型）正向偏置時的電路模型 （d d）反向偏置時的電路模型）反向偏置時的電路模型第30頁/共49頁 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法1.1.二極管二極管V V- -I I 特性的建模特性的建模（2 2）恒壓降模）恒壓降模型型（a）V-I特性特性 （b）電路模型）電路模型 （3 3）折線

21、模型）折線模型（a）V-I特性特性 （b）電路模型）電路模型 第31頁/共49頁 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法1.1.二極管二極管V V- -I I 特性的建模特性的建模（4 4）小信號模型）小信號模型vs =0 時時, Q點稱為靜態(tài)工作點點稱為靜態(tài)工作點 ，反映直流時的工作狀態(tài)。，反映直流時的工作狀態(tài)。)(11sDDDDvv VRRivs =Vmsin t 時（時（VmVT 。 （a）V-I特性特性 （b）電路模型）電路模型第34頁/共49頁 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法2 2模型分析法應用舉例模型分析法應用舉例

22、（1 1）整流電路）整流電路（a）電路圖）電路圖 （b）vs和和vo的波形的波形第35頁/共49頁2 2模型分析法應用舉例模型分析法應用舉例（2 2）靜態(tài)工作情況分析）靜態(tài)工作情況分析V, 0DVmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k ） 當當VDD=10V 時，時，mA 93. 0/ )(DDDD RVVI恒壓模型恒壓模型V 7 . 0D V（硅二極管典型值（硅二極管典型值）折線模型折線模型V 5 . 0th V（硅二極管典型值（硅二極管典型值）mA 931. 0DthDDD rRVVI k 2 . 0Dr設設V 69. 0DDthD rIVV當當VDD=1V 時，時， （自學

23、）（自學）（a）簡單二極管電路）簡單二極管電路 （b）習慣畫法）習慣畫法 第36頁/共49頁2 2模型分析法應用舉例模型分析法應用舉例（3 3）限幅電路）限幅電路 電路如圖，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，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當vI = 6sin t V時，繪出相應的輸出電壓時，繪出相應的輸出電壓vO的波形。的波形。 第37頁/共49頁2 2模型分析法應用舉例模型分析法應用舉例（4 4）開關電路）開關電路電路如圖所示，求電路如圖所示，求AO的電壓值的電壓值解：先斷開解：先斷開D，以，以O為基準電位，

24、為基準電位， 即即O點為點為0V。 則接則接D陽極的電位為陽極的電位為-6V，接陰極的電位為，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，陽極電位高于陰極電位，D接入時正向導通。接入時正向導通。 導通后，導通后，D的壓降等于零，即的壓降等于零，即A點的電位就是點的電位就是D陽極的電位。所以，陽極的電位。所以，AO的電壓值為的電壓值為-6V。第38頁/共49頁2 2模型分析法應用舉例模型分析法應用舉例（6 6）小信號工作情況分析）小信號工作情況分析圖示電路中，圖示電路中，VDD = 5V，R = 5k ，恒壓降模型的，恒壓降模型的VD，vs t V。（。（1）求輸）求輸出電壓出電壓vO的交流量和總量；（的交流量和總量；（2）繪出）繪出vO的波形。的波形。 直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要等概念，在放大電路的分析中非常重要。第39頁/共49頁3.5 特殊二極管特殊二極管 齊納二極管齊納二極管( (