模擬電子技術(shù) 第3章課件

第三章半導(dǎo)體二極管及其基本電路主要內(nèi)容半導(dǎo)體的基本知識PN結(jié)的形成半導(dǎo)體二極管及其性質(zhì)與參數(shù)特殊二極管半導(dǎo)體材料及特性半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用雜質(zhì)半導(dǎo)體§3.1半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體是一種導(dǎo)電特性位于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì),典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。摻雜性：二極管、三極管、場效應(yīng)管等熱敏性：熱敏電阻光敏性：光敏電阻，光敏二極管、光敏三極管等。一、半導(dǎo)體材料及特性1.什么叫半導(dǎo)體？2.半導(dǎo)體材料的特性及應(yīng)用2.本征激發(fā)在T=0K（絕對零度）和無外界激發(fā)，本征半導(dǎo)體沒有自由運(yùn)動的帶電粒子——載流子，因而不能導(dǎo)電；+4+4+4+4A、T=0K（絕對零度）和無外界激發(fā)時自由電子空穴束縛電子+4+4+4+4本征激發(fā)溫度升高由于溫度上升，電子獲得能量后，少數(shù)共價鍵中的束縛電子掙脫束縛成為自由電子，留下空穴，稱為本征激發(fā)，又稱為熱激發(fā)。B、溫度上升時半導(dǎo)體中的兩種載流子：+4+4+4+4不受束縛的電子，稱為自由電子共價鍵的空位，稱為空穴擺脫束縛束縛電子溫度越高，載流子數(shù)量增加，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，因而具有熱敏性。本征半導(dǎo)體受熱激發(fā)只產(chǎn)生少量電子空穴對，載流子濃度很低，外加電場作用，電流極其微弱；本征激發(fā)的特點(diǎn)結(jié)論本征半導(dǎo)體外層電子構(gòu)成穩(wěn)定的共價鍵結(jié)構(gòu)，使原子規(guī)則排列，形成晶體。在本征激發(fā)下，能產(chǎn)生少量的載流子，具有微弱的導(dǎo)電作用。其導(dǎo)電性能具有熱敏性，溫度越高，載流子的濃度越高，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體具有摻雜性，若在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)，則導(dǎo)電性能大為改觀，摻入百萬分之一的雜質(zhì)，載流子濃度增加1百萬倍。N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。特點(diǎn)a.自由電子為多數(shù)載流子（多子）空穴為少數(shù)載流子（少子）；b.磷原子被稱為施主雜質(zhì)，本身因失去電子而成為正離子。N型半導(dǎo)體可簡化成+圖2－32.P型半導(dǎo)體形成本征摻雜：本征半導(dǎo)體得到大量空穴（無自由電子）硼(3價)本征激發(fā)：得到少量電子空穴對特點(diǎn)a.空穴為多數(shù)載流子（多子）自由電子為少數(shù)載流子（少子）；b.硼原子被稱為受主雜質(zhì)，本身因獲得電子而成為負(fù)離子。P型半導(dǎo)體可簡化成－圖2－5§3.2PN結(jié)的形成一、PN結(jié)的形成用化學(xué)方法把N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起。–––––––––P型+++++++++N型多子的擴(kuò)散運(yùn)動由于濃度差異引起的載流子運(yùn)動，稱之為擴(kuò)散當(dāng)擴(kuò)散和漂移達(dá)到動態(tài)平衡，即形成穩(wěn)定的PN結(jié)。多子的擴(kuò)散，使得結(jié)合區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場內(nèi)電場作用一方面將阻礙多子的擴(kuò)散，同時也引起少數(shù)載流子產(chǎn)生漂移；+++++++++–––––––––+++–––P型區(qū)N型區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場V0多子擴(kuò)散少子漂移由于電場的作用，而引起的載流子運(yùn)動，稱之為漂移N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合

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)PN結(jié)形成過程§3.3半導(dǎo)體二極管一、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)示意圖接觸面積小，因而結(jié)間電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。缺點(diǎn)，不能通過大電流（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(b)面接觸型接觸面積大，能通過大電流，缺點(diǎn)：結(jié)間電容大二、二極管（PN結(jié)）的單向?qū)щ娦?.正偏:P+，NPN結(jié)正向電阻很小。

因此，正向電壓使得擴(kuò)散變強(qiáng)，并形成擴(kuò)散電流，即正向電流IF；VF，IF；12122121PN

VF

IF圖2－8P區(qū)空穴，N區(qū)電子得到補(bǔ)充內(nèi)電場變小擴(kuò)散變強(qiáng)向空間電荷區(qū)持續(xù)擴(kuò)散PN結(jié)變窄結(jié)論：由于在正向電壓作用下，參與導(dǎo)電的主體為多子的擴(kuò)散，因而，正向電流大，正向電阻小。由于在反向電壓作用下，參與導(dǎo)電的主體為少子的漂移，因而，反向電流小，反向電阻大。二極管(PN結(jié))正向電阻小，反向電阻大，這就是它的單向?qū)щ娦?。三、二極管的伏安特性I=f(V)死區(qū)電壓：硅0.5V鍺0.1VOV(V)ISIFI(mA)+–IV正向死區(qū)導(dǎo)通區(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)反響飽和電流正向?qū)▍^(qū)IS：反向飽和電流，受溫度影響VT：溫度的電壓當(dāng)量T=300K時，VT=26mV由于在導(dǎo)通區(qū)V>>VT，因而I和V成指數(shù)關(guān)系反向截止區(qū)I=IS擴(kuò)散電流漂移電流在雜質(zhì)濃度較高的PN結(jié)空間電荷區(qū)中存在一個強(qiáng)電場，當(dāng)存在較大的反向電壓時，內(nèi)電場疊加外電場，強(qiáng)大的電場時的共價鍵結(jié)構(gòu)大量被破壞，從而產(chǎn)生大量自由電子與空穴對，形成較大的反向電流——稱為齊納擊穿。B、齊納擊穿強(qiáng)電場↑載流子↑破壞共價鍵載流子↑↑碰撞ID↑↑高濃度雜質(zhì)強(qiáng)內(nèi)電場反向電壓B、電擊穿與熱擊穿當(dāng)PN結(jié)的熱功率小于PN結(jié)容許的耗散功率時，即：

反向電壓×反向電流<PN結(jié)允許的耗散功率不會引起PN結(jié)的溫度急劇升高，這時的擊穿是可逆的——稱為電擊穿，反之稱為熱擊穿。

利用電擊穿可以設(shè)計穩(wěn)壓管，而在設(shè)計中必須避免熱擊穿四、二極管的直流參數(shù)1.最大整流電流IF：管子長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均電流；2.反向擊穿電壓VBR與最大反相工作電壓：VBR管子反向擊穿時的電壓值一般手冊上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半。OV(V)ISIFI(mA)反向擊穿區(qū)VBR3.反向飽和電流IS管子未擊穿時的反向電流，隨溫度變化而變化，硅管比鍺管反相電流更小OV(V)ISIFI(mA)反向擊穿區(qū)截止區(qū)4.極間電容:與結(jié)電阻處于并聯(lián)狀態(tài)，高頻工作

時影響較大包括：勢壘電容CB與擴(kuò)散電容CD二極管正向工作時主要取決于擴(kuò)散電容CD：二極管反向工作時主要取決于勢壘電容CB：CDCBPN8.最高工作頻率等7.反相恢復(fù)時間5.耗散功率Pr6.正相壓降VF通過外加散熱，可提高耗散功率硅：0.7V，鍺：0.2~0.3V例、設(shè)整流電路的電路如圖所示，從表中選擇合適的二極管，其中，元件VF(V)Pr(W)VBR(V)1D0.70.6802D0.30.3603D0.30.180vivo++--§2.4二極管基本電路及其分析方法一、圖解分析法1、將二極管當(dāng)作負(fù)載，由電路求出二極管的負(fù)載方程；vDOiD在二極管的伏安特性上作負(fù)載曲線；Q3、負(fù)載線與伏安特性交點(diǎn)Q，為二極管工作點(diǎn),對應(yīng)的電流與電壓為二極管工作電流與電壓VDID+-VDvDOiDID1V0.5V1mA0.5mA例、二極管特性曲線與應(yīng)用電路如圖所示，求二極管vD與iDQVDID解：由KVL方程，得：因而，因而，§2.4二極管基本電路及其分析方法二、模型分析法1.理想模型4.小信號模型3.折線模型2.恒壓降模型vDOiDiD+–vD正偏時，管子導(dǎo)通正向壓降為0；反偏時，管子截止，電流為0；1.理想模型伏安特性。2.恒壓降模型vDOiD(a)iD(b)+–vD正偏時，正向壓降為0.7V(硅)，(鍺約為0.2V)稱為導(dǎo)通電壓，一般在電流大于等于1mA時比較正確；反偏時，電流為0。3.折線模型vDOiD(a)其中，Vth為門坎電壓，硅約0.5V，鍺約0.1VrD的確定。當(dāng)iD

=1mA，管壓降為0.7V。iD(b)+–vDVthrD0.7=Vth+1·rD=0.5+rDrD=0.2K將V-I特性用折線來近似，導(dǎo)通時，有：4.小信號模型當(dāng)二極管在特性曲線某點(diǎn)Q附近工作時，這時可用Q點(diǎn)的切線來近似V-I特性，切線的斜率的倒數(shù)為小信號的微變電阻，即圖2－14vDOQVDvDiDIDiD稱為靜態(tài)工作點(diǎn)

幾個概念：直流通路；交流通路；靜態(tài)與動態(tài)。

求rd：如I=2mA時，rd=13vDOQVDvDiDIDiD工作在線性區(qū)，信號為微變量，且為低頻信號。

若二極管二極管可用微變電阻rd代替。+_iDvDrd圖2－14(b)三、模型分析法應(yīng)用舉例模型分析法可分析二極管電路的靜態(tài)工作情況，限幅電路、開關(guān)電路，低電壓穩(wěn)壓等等。例2－1

設(shè)電路如圖，R=10K。VDD=10V，求電路的ID和VD的值。(每種情況都用理想模型、恒壓降模型、折線模型求解)VDDvDR+_VDDvDiDR解：1、理想模型：D加正偏，導(dǎo)通時正向壓降為0。2、恒壓降模型：導(dǎo)通時正向壓降為0.7V。(鍺約為0.2V)+_3、折線模型（硅）在二極管電流1mA附近，?。篤DDvDR+_例2－2用恒壓降模型計算下圖中流過二極管中的電流ID。5V3K3KAIDB10V解：把二極管以外的部分用一個電壓源和一個電阻串聯(lián)等效（運(yùn)用戴維南定理）2.5VAIDB1.5K二極管正向?qū)ㄆ湔驂航禐?.7V。若用折線模型5V3K3KAIDB10V例2－3一限幅電路如下圖，R=1K，VREF=

3V.設(shè)vi=6sintV。試?yán)L出相應(yīng)的輸出電壓vo的波形。(用折線模型分析)vivoVREF+_+_RD當(dāng)vi的幅值大于VREF+Vth=3.5V時，管子導(dǎo)通。vo=VREF+Vth+rD·iD=3.5+0.2iD當(dāng)vi的幅值為6V時，管子導(dǎo)通時vo的波形如藍(lán)線所示。否則，管子截止。vo=vi。vo波形如紅線所示vivo+_+_DrD0.2KRiDVREF0.5V解：折線模型為t3.53.92vo6vi2．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=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。二極管應(yīng)用之一——二極管的開關(guān)功能：將二極管斷開，若陽、陰兩極間所加的電壓大于二極管的導(dǎo)通電壓則閉合，否則關(guān)斷。vi1,vi2取0或5V只有vi1,vi2同時取5V，輸出才為5V，否則為0V數(shù)字電路中的與邏輯二極管應(yīng)用之二——低電壓穩(wěn)壓功能：合理選擇參數(shù)可獲得低電壓穩(wěn)壓功能，適用于3~4V以下（多只串聯(lián)），當(dāng)需穩(wěn)壓的數(shù)值較大時用穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓原理：正向?qū)娮栎^小，與R分壓后對電壓的波動不敏感。=0.7VSi二極管（a）電路圖（b）vs和vO的波形二極管應(yīng)用之三——整流電路半波整流電路全波整流電路vivovivo+-+-不考慮電容時的輸出vo加入電容時的輸出§2.5特殊二極管一、齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)1.特點(diǎn)：利用齊納擊穿原理，摻入高濃度雜質(zhì)（形成強(qiáng)內(nèi)電場）反向擊穿區(qū)很陡，主要作穩(wěn)壓器使用2.

符號用2CW，2DW命名+－3.

伏安特性曲線：正向特性和普通二極管同反向擊穿區(qū)曲線很陡，即動態(tài)電阻rZ很小，穩(wěn)壓性能越好。V(V)I(mA)O因此，動態(tài)電阻rZ

越小，穩(wěn)壓性能越好。(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

PZM4.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)(5)最大穩(wěn)定工作電流IZmax(6)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)VZ：溫度每升高1度電壓的變化量。(4)最小穩(wěn)定工作電流IZmin

保證穩(wěn)壓管齊拉擊穿的最小電流。5.并聯(lián)式穩(wěn)壓電路當(dāng)負(fù)載變化時自動調(diào)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定R：限流電阻RLIOVOVOIZIR分壓IR限流電阻選擇原則1、阻值的選擇原則：保證提供最大負(fù)載電流的同時，保證穩(wěn)壓管的電流大于最小穩(wěn)定工作電流，即：2、額定功率的選擇原則：必須保證電阻最大能耗值小于額定功率，并考慮一定的保險系數(shù)，即：R：限流電阻穩(wěn)壓管選擇原則：1、依據(jù)負(fù)載工作電壓選擇穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值2、rz越小穩(wěn)定性能越好3、保證穩(wěn)壓管工作電流始終在最小穩(wěn)定工作電流與最大穩(wěn)定工作電流之間，即：R：限流電阻4、最大耗散功率大于穩(wěn)壓管最大能耗，即：

例設(shè)計一穩(wěn)壓電路，作為汽車用收音機(jī)的供電電源，已知收音機(jī)工作電源為9V，最大功率0.5W，汽車電源電壓范圍為12~13.6V，選擇合適的穩(wěn)壓管(IZmin、IZmax、VZ、PZM)與電阻(阻值與額定功率)。收音機(jī)解：∵取：IZmin=5mA∴取2倍以上的保險系數(shù)，電阻額定功率取1W在負(fù)載開路且VI最大時，IZ最大：

例電路如圖，設(shè)R=180Ω，VI=10±1V,RL=1kΩ,穩(wěn)壓管的Vz=6.8V，IZT=10mA，rz=20Ω，Izmin=5mA,求ΔV0解：∵VZ=Vz0+rZIZ將Vz，IzT代入可求得Vz0=6.8-20x0.01=6.6Vn1由KCL，得n1節(jié)點(diǎn)方程由KVL，得回路方程又∵VZ=Vz0+rZIZ(1)(2)(3)由(1)(2)(3)得：在VI=9V與VI=11V時可求得Iz，分別為5.95mA與15.78mA，因而，ΔVo=ΔIZrz=0.2V例設(shè)硅穩(wěn)壓管DZ1、DZ2的穩(wěn)定電壓分別為5V、10V，又已知DZ1、DZ2正向壓降為0.7V，求V0解：(a)DZ1、DZ2工作在反向擊穿區(qū)V0=5+10=15V(b)DZ1、DZ2工作在正向?qū)▍^(qū)V0=0.7+0.7=1.4VDZ1DZ2+25V1KV0(a)DZ1DZ2+25V1KV0(b)

由于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值變化較小，定性分析時，通常可看為恒定值。二、變?nèi)荻O管（a）符號（b）結(jié)電容與電壓的關(guān)系（縱坐標(biāo)為對數(shù)刻度）三、肖特基二極管（a）符號（b）正向V-I特性優(yōu)點(diǎn)：電容小，響應(yīng)速度快，適合與高頻和開關(guān)狀態(tài)；正向?qū)妷狠^低。缺點(diǎn)：反向擊穿電壓低，漏電流大。特點(diǎn)：陽極為金屬材料，陰極為N半導(dǎo)體；多數(shù)載流子導(dǎo)電器件；耗盡區(qū)集中在N區(qū)，較薄；四、光電子器件1.光電二極管

（a）符號（b）電路模型（c）特性曲線在光照下，破壞共價鍵，載流子增多，從而反相電流增大2.發(fā)光二極管符號光電傳輸系統(tǒng)用途：1、指示燈與顯示器