華科武大模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章

3二極管及其基本電路3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)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3.2PN結(jié)的形成及特性目前一頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

本征半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體目前二頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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(lái)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。目前三頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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)目前四頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.1.3本征半導(dǎo)體本征半導(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ā矁r(jià)鍵中的空位。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)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對(duì)目前五頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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。目前六頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)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)。目前七頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)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)。目前八頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.雜質(zhì)對(duì)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(duì)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=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)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=5×1016/cm3目前九頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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)end目前十頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.2PN結(jié)的形成及特性

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的反向擊穿

PN結(jié)的電容效應(yīng)

載流子的漂移與擴(kuò)散目前十一頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(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)。目前十二頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.2.2PN結(jié)的形成目前十三頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.2.2PN結(jié)的形成目前十四頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過(guò)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)合面上形成如下物理過(guò)程:因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)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(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)目前十五頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)對(duì)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，所以也稱耗盡層。目前十六頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?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(jiǎn)稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)低電阻大的正向擴(kuò)散電流目前十七頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?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(jiǎn)稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡(jiǎn)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(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。目前十八頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。目前十九?yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(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）目前二十頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.2.4PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，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——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆目前二十一頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖目前二十二頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

(2)勢(shì)壘電容CBend目前二十三頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.3半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

二極管的伏安特性

二極管的主要參數(shù)目前二十四頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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(gè)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。目前二十五頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號(hào)

(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)面接觸型目前二十六頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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特性目前二十七頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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)正向壓降VF(5)極間電容CJ（CB、CD）end目前二十八頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.4

二極管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

二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法目前二十九頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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(lái)說(shuō)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。目前三十頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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(guò)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)目前三十一頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)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(hào)（c）正向偏置時(shí)的電路模型（d）反向偏置時(shí)的電路模型目前三十二頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)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）電路模型目前三十三頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（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)（Vm<<VDD）,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。目前三十四頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號(hào)模型過(guò)Q點(diǎn)的切線可以等效成一個(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）（a）V-I特性（b）電路模型目前三十五頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號(hào)模型特別注意：小信號(hào)模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT。（a）V-I特性（b）電路模型目前三十六頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)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的波形目前三十七頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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(jiǎn)單二極管電路（b）習(xí)慣畫法目前三十八頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)2．模型分析法應(yīng)用舉例（3）限幅電路電路如圖，R=1kΩ，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=6sintV時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。目前三十九頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)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O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點(diǎn)為0V。則接D陽(yáng)極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽(yáng)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(yáng)極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。目前四十頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)end2．模型分析法應(yīng)用舉例（6）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=0.1sinwtV。（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。目前四十一頁(yè)\總數(shù)四十九頁(yè)\編于十八點(diǎn)3.5特殊二極管

齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)1.符號(hào)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)