二極管及其放大電路

FundamentalofElectronicTechnology3二極管及其基本電路23.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)3.3二極管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)的形成及特性內(nèi)容3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

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)體半導(dǎo)體最外層電子數(shù)通常為4個(gè)，在常溫下存在的自由電子數(shù)介于導(dǎo)體和絕緣體之間，導(dǎo)電能力也介于導(dǎo)體和絕緣體之間。4

3.1.1半導(dǎo)體材料自然界中的物質(zhì)，按其導(dǎo)電能力可分為三大類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。最外層電子數(shù)通常為1-3個(gè)，且距原子核較遠(yuǎn)，受原子核束縛力較小。特點(diǎn)：內(nèi)部含有大量的自由電子。導(dǎo)體絕緣體最外層電子數(shù)通常為6-8個(gè)，且距原子核較近，受原子核束縛力較強(qiáng)。特點(diǎn)：內(nèi)部幾乎沒有自由電子。5

3.1.1半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體的獨(dú)特性能：熱敏性受溫度的影響半導(dǎo)體導(dǎo)電能力變化很大。摻雜性在半導(dǎo)體內(nèi)摻入少量的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力極大的增強(qiáng)。半導(dǎo)體受光照后導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。光敏性

3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅晶體的空間排列

(a)硅晶體的空間排列(b)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)

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)?？昭ǖ囊苿?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實(shí)現(xiàn)的。本征激發(fā)空穴的移動(dòng)結(jié)論:空穴和自由電子都是載流子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（Negative）型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P（Positive）型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。

1.P型半導(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，由本征激發(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)。

2.N型半導(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,由本征激發(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)。

3.雜質(zhì)與空穴及自由電子的濃度關(guān)系P型半導(dǎo)體1

2N型半導(dǎo)體

設(shè):NA為P型半導(dǎo)體中雜質(zhì)原子濃度，

ND為N型半導(dǎo)體中雜質(zhì)原子濃度，n為自由電子濃度，p為空穴濃度，則有如下關(guān)系:

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:

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

1摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm33摻雜得到的自由電子濃度比本證激發(fā)大出106/cm3

。

2T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm3

4.雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

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)3.2PN結(jié)的形成及特性

3.2.2PN結(jié)的形成

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

3.2.4PN結(jié)的反向擊穿

3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

3.2.1載流子的擴(kuò)散與漂移

3.2.1載流子的擴(kuò)散與漂移

基于載流子的濃度差異和隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)速度，載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散。

擴(kuò)散漂移

由于電場作用而導(dǎo)致載流子的運(yùn)動(dòng)叫做漂移，其平均漂移速度與電場矢量成E正比。

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(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。在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上發(fā)生一系列物理變化后便形成PN結(jié).

3.2.2PN結(jié)的形成

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(dòng)態(tài)平衡。

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。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

3.2.2PN結(jié)的形成PN結(jié)的形成3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

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。

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

低電阻大的正向擴(kuò)散電流PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)的伏安特性2.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

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)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

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(gè)電流也稱為反向飽和電流。

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娦浴?.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）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3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

(1)勢壘電容CB勢壘電容示意圖3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(2)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)電容=擴(kuò)散電容+勢壘電容3.3二極管

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

3.3.3二極管的參數(shù)實(shí)物圖片

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、面接觸型和平面型三大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(3)平面型二極管

往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(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(c)平面型(4)二極管的代表符號(hào)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硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性3.3.3二極管的參數(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Cd3.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.2二極管V-I特性的建模

3.4.2應(yīng)用舉例

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法例3.4.1

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。

由圖可寫出直流負(fù)載線方程：I=(VDD

–V)

/R

在直流負(fù)載線上任取兩點(diǎn)：解：

連接兩點(diǎn)，畫出直流負(fù)載線。令I(lǐng)=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；

所得交點(diǎn)(VQ

,

IQ)，即為Q

點(diǎn)。IVQVDDVDD/RVQIQ

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法直流工作狀態(tài)

3.4.2二極管V-I特性的建模1.理想模型3.折線模型2.恒壓降模型電源電壓遠(yuǎn)大于二極管壓降二極管電流≥1mA二極管壓降不恒定4.小信號(hào)模型

當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)x小信號(hào)作用時(shí)，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）

3.4.2二極管V-I特性的建模與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)

3.4.3應(yīng)用舉例

例3.4.3理想模型（R=10k）（1）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)（2）VDD=1V時(shí)（1.靜態(tài)分析）根據(jù)輸入信號(hào)大小

判斷二極管的導(dǎo)通與截止

找出vo

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>2V時(shí)，D導(dǎo)通，則vO=vivi2V時(shí)，D截止，則vO=2V由此可畫出vO的波形。

Vo/VtO26（2.輸出信號(hào)波形）

3.4.3應(yīng)用舉例

V2<vi

<V1時(shí)，D1、D2截止，vo=vi

tOvitOvoVi

〉V1時(shí)，D1導(dǎo)通、D2截止，vo=V1

Vi

<

V2時(shí)，D2導(dǎo)通、D1截止，vo=V2

由此

，電路實(shí)現(xiàn)雙向限幅功能。vovi+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中：V1為上限幅電平，

V2為下限幅電平。V1-V2-V2V1例畫出電路中輸出電壓波形。（2.輸出信號(hào)波形）

3.4.3應(yīng)用舉例限幅電路（例3.4.4）將截止的二極管開路，導(dǎo)通的二極管用直流簡化電路模型替代，然后分析求解。

假設(shè)電路中二極管全部開路，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優(yōu)先導(dǎo)通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。開關(guān)電路：判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？

3.4.3應(yīng)用舉例（3.開關(guān)電路）例設(shè)二極管是理想的，求VAO值。圖(a)，假設(shè)D開路，則D兩端電壓：

VD=V1–V2=(–6–12)V=–18V<0V，解：故D截止。

VAO=12V。

圖(b)，假設(shè)D1、D2開路，則D1、D2

兩端電壓：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V。

由于VD2>VD1，則D2

優(yōu)先導(dǎo)通。此時(shí)VD1

=–6V<0V，故D1

截止。

VAO=–V1=–6V。

3.4.3應(yīng)用舉例（3.開關(guān)電路）例3.4.6

在圖示二極管電路中，VDD＝5V，R＝5KΩ，恒壓降模型的VD＝0.7V，vS＝0.1sinωt(V)。

（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；

（2）畫出vO的波形。

3.4.3應(yīng)用舉例（4.小信號(hào)分析）作業(yè)：

P973.4.2，3.4.63.4.10

3.5特殊二極管

3.5.1(齊納)穩(wěn)壓二極管

3.5.4光電子器件1.光電二極管2.發(fā)光二極管3.激光二極管3.5.1(齊納)穩(wěn)壓