電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分第五版第三章課件

1、3 二極管及其基本電路3.1 半導(dǎo)體的基本知識3.3 半導(dǎo)體二極管3.4 二極管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3.1 半導(dǎo)體的基本知識 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 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 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。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度、光照和摻雜等因素發(fā)生顯著變化，這些特點(diǎn)使它們成為制作半導(dǎo)體元器件的重要材料。 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)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu) 3.1.3 本征半導(dǎo)體

2、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)?？昭ü矁r(jià)鍵中的空位。電子空穴對由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對。空穴的移動空穴的運(yùn)動是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。由于隨機(jī)熱振動致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生空穴電子對 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。摻入了雜質(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。 1. N型半導(dǎo)體 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個價(jià)電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價(jià)電

3、子形成共價(jià)鍵，而多余的一個價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。 在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。 2. P型半導(dǎo)體 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個空穴。 在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。 3. 雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體 摻入雜質(zhì)對

4、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下: T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 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106/cm3 。 2摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=51016/cm3 本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體 本節(jié)中的有關(guān)概念 自由電子、空穴 N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體 多數(shù)載流子、少數(shù)載流子 施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)end3.2 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

5、移與擴(kuò)散 3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運(yùn)動： 在電場作用引起的載流子的運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動： 由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動。漂移電流：在電場的作用下，自由電子會逆著電場方向漂移，而空穴則順著電場方向漂移，這樣產(chǎn)生的電流稱為漂移電流，該電流的大小主要取決于載流子的濃度，遷移率和電場強(qiáng)度。擴(kuò)散電流：半導(dǎo)體中載流子濃度不均勻分布時(shí)，載流子會從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散，從而形成擴(kuò)散電流，該電流的大小正比于載流子的濃度差即濃度梯度的大小。 3.2.2 PN結(jié)的形成 3.2.2 PN結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上

6、形成如下物理過程: 因濃度差 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散 最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡區(qū)。電子從N區(qū)到P區(qū)必須越過空間電荷區(qū)產(chǎn)生的能量高坡，也稱為勢壘區(qū)。 非對稱PN結(jié)：在摻雜濃度不對稱的 PN 結(jié)中，耗盡區(qū)在摻雜濃度大的一邊延伸較小，而在摻雜濃度小的一邊延伸較大。 3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N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

7、。 (1) PN結(jié)加正向電壓時(shí) 低電阻 大的正向擴(kuò)散電流 3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N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。 (2) PN結(jié)加反向電壓時(shí) 高電阻 很小的反向漂移電流 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(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。 PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通+外電場P區(qū)N區(qū)多子空穴多子電子V空間電荷區(qū)內(nèi)電場擴(kuò)散運(yùn)動R+內(nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)多子空穴多子電子VF變薄RPN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通+變薄內(nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)多子

8、空穴多子電子IFVF正向電流I：擴(kuò)散電流RPN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通+變薄內(nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)IFVFI：擴(kuò)散電流內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流I。小結(jié)RPN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通內(nèi)外電場方向相反，故勢壘降低，有利于擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行。PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止+空間電荷區(qū)內(nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)少子電子少子空穴V漂移運(yùn)動2. 外加反向電壓PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止+內(nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)V變厚IRI：漂移電流反向電流溫度一定時(shí)，反向電流IR趨于恒定值，稱為反向飽和電流IS。PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止+內(nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)V變厚IRI：漂移電流小結(jié)內(nèi)電場被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有

9、限，只能形成較小的反向電流IR。PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止內(nèi)外電場方向相同，故勢壘升高，有利于漂移運(yùn)動的進(jìn)行。歸納： PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導(dǎo)通； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。在于它的耗盡區(qū)的存在，且其寬度可由外加電壓改變。關(guān) 鍵這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(3) PN結(jié)V-I 特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS 反向飽和電流VT 溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）3. PN結(jié)V-I特性的表達(dá)式【可參見教材P64圖3.2.4】i/mAUBRu/Vi=-IS式中：iD: 通過PN

10、結(jié)的電流；vD: PN結(jié)兩端的外加 電壓；VT: 溫度的電壓當(dāng)量，在常溫(300K)下，VT26mV（）；IS: 反向飽和電流IFIR(A) 當(dāng)加正向電壓時(shí)：u為正值，表達(dá)式等效成 ： 當(dāng)加反向電壓時(shí)：u為負(fù)值，表達(dá)式等效成 ：常數(shù)指數(shù)關(guān)系i/mAUBRu/Vi=-ISIFIR(A)3. PN結(jié)V-I特性的表達(dá)式i/mAUBRu/Vi=-ISIFIR(A) PN結(jié)的反向擊穿：反向擊穿電壓反向擊穿電擊穿熱擊穿雪崩擊穿齊納擊穿可逆不可逆3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿 3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng)(1) 擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖 3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng) (2) 勢壘電容CBend3.3 半導(dǎo)體

11、二極管 3.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 3.3.2 二極管的伏安特性 3.3.3 二極管的主要參數(shù)3.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類。(1) 點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。（a）面接觸型 （b）集成電路中的平面型 （c）代表符號 (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 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鍺二極管2AP15的V-I 特性硅二極管2CP10的V-I 特性3.3.2 二極

12、管的V-I特性UthUBRuD/ViD/mAiD/A硅管約為0.5V鍺管約為0.1V它的大小與二極管的材料及溫度等因素有關(guān)。幾點(diǎn)說明：關(guān)于死區(qū)電壓開啟電壓（或稱死區(qū)電壓）（或稱門檻電壓）Uon3.3.2 二極管的V-I特性UthUBRuD/ViD/mAiD/A硅管約為0.7V鍺管約為0.2V它的大小與二極管的材料有關(guān)。幾點(diǎn)說明：關(guān)于死區(qū)電壓二極管的正向?qū)ü軌航礥on正向?qū)▔航?.3.2 二極管的V-I特性UthUBRuD/ViD/mAiD/A幾點(diǎn)說明：關(guān)于死區(qū)電壓Uon2正向?qū)▔航蹬c溫度的關(guān)系在環(huán)境溫度升高時(shí)，二極管的正向特性曲線將左移，反向特性曲線下移。二極管的特性對溫度很敏感。Uon

13、1IDIS1IS2 3.3.3 二極管的主要參數(shù)(1) 最大整流電流IF(2) 反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3) 反向電流IR(4) 極間電容CJ（CB、 CD ）endIF：最大整流電流3.3.3 二極管的主要參數(shù)指二極管長期運(yùn)行時(shí)，允許通過的最大正向?qū)娏髌骄怠Ｖ腹茏游磽舸r(shí)的反向電流。其值愈小，則管子的單向?qū)щ娦杂?。溫度對它影響很大，使用時(shí)應(yīng)注意。IR：反向電流3.3.3 二極管的主要參數(shù)極間電容Cd（1）勢壘電容CB（2）擴(kuò)散電容CD低頻或中頻信號時(shí)二極管極間電容作用不予考慮；高頻信號時(shí)才考慮作用。URM：最高反向工作電壓指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。一般手冊上給出的

14、最大反向工作電壓約為UBR的一半。3.4 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 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法3.4.1 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，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V -I 特性曲線。例3.4.1 電路如圖所示，已知二極管的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

15、.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I 特性的建模 將指數(shù)模型 分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型 （a）V-I特性 （b）代表符號 （c）正向偏置時(shí)的電路模型 （d）反向偏置時(shí)的電路模型 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I 特性的建模（2）恒壓降模型（a）V-I特性 （b）電路模型 （3）折線模型（a）V-I特性 （b）電路模型 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I 特性的建模（4）小信號模型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)（VmVT 。 （a）V-I特性 （b）

16、電路模型 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法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2模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k） 當(dāng)VDD=10V 時(shí)，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)VDD=1V 時(shí)，（自看）（a）簡單二極管電路 （b）習(xí)慣畫法 2模型分析法應(yīng)用舉例（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。 2模型分析法應(yīng)用舉例（4）開關(guān)電路電路如圖所示，求AO的電壓值解： 先斷開D，以

17、O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)?。?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。end2模型分析法應(yīng)用舉例（6）小信號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)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。3.5 特殊二極管 3.5.1 齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)1.符號及穩(wěn)壓特性 利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。(1) 穩(wěn)定電壓VZ(2) 動態(tài)電阻rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。rZ =VZ /IZ(3)最大耗散功率 PZM