第二章 半导体二极管及其基本电路
半导体基本知识
PN结的形成及特性
半导体二极管
二极管基本电路及其分析方法
特殊二极管
2.1 半导体基础知识导体:容易导电的物体。如:铁、铜等绝缘体:几乎不导电的物体。如:橡胶等
2.1.1 半导体材料半导体:导电性能介于导体和半导体之间的物体。
半导体的特点:
1) 在外界能源的作用下,导电性能显著变化。
2) 在纯净半导体内掺入杂质,导电性能显著增加。
如,光敏元件、热敏元件。
如,二极管、三极管。
电子技术中用的最多的是 硅 和 锗硅,原子序数为 14;
锗,原子序数为 32; 外围电子 (价电子 )数为 4.
简化原子结构模型,
锗硅电子
2.1.2 半导体的结构晶体结构,
+4 +4
+4 +4
自由电子空穴 束缚电子共价键
+4 +4
+4 +4
自由电子空穴 束缚电子共价键在一定的能量(如温度、磁场等)激发下,会使一些价电子获得足够的能量挣脱束缚成为 自由电子,在共价键中就留下了一个空位 — 空穴。
在外加能量的激发下,邻近电子填补到 该空位,出现电荷迁移。
本征半导体,几乎不含任何杂质的半导体。
2.1.3 本征半导体掺杂的目的:提高半导体的导电性;
分类,电子半导体( N型)和空穴半导体( P型)
1,N型半导体晶体中掺入少量 5价元素,
如磷、锑等
+4 +5
+4 +4
自由电子多余的电子很容易挣脱原子核的束缚,成为自由电子。
2.1.4 杂质半导体
N型半导体可简化为下图:
磷原子核自由电子另外,硅晶体会产生少量的电子空穴对。
所以 N型半导体中的导电离子有两种:
自由电子空穴 —— 少数载流子
—— 多数载流子(由两部分组成)
2,P型半导体在 4价元素晶体中掺入少量 3价元素,如硼、铟等,
+4 +3
+4 +4
空穴主要载流子:空穴。
在 P型半导体中,杂质原子由于获得一个电子而成为一个带单位负电荷的负离子。而硅原子的共价键由于失去一个电子而形成空穴。所以 P型半导体可简化为下图:
P型半导体中的导电离子有两种:
硼原子核空穴自由电子空穴
—— 少数载流子
—— 多数载流子(由两部分组成)
P型和 N型半导体中,正负电荷数相等,呈电中性。
P型材料与一块 N型材料相结合,在两料材料的交界处将形成 PN结。
1,PN结的形成:
P区 N区空间电荷区(耗尽层) —— PN结内电场
2.2 PN结的形成及特性空间电荷区的作用:
( 1)阻挡多数载流子扩散
( 2)促进少数载流子漂移。
扩散和漂移运动达到平衡后:扩散电流与漂移电流相等,PN结总电流为 0。空间电荷区的宽度也达到稳定。
2,PN结的特性
1,外加正向电压
P区接电源 VF正极,N区接电源 VF负极,--PN结正偏内电场
P 区N 区
RV
I
F
F
VF较小时,PN结的电阻仍很大( OA段 );
VF增大时,空间电场减小,越过耗尽层的多子增加,形成扩散电流
( AB段 );
VF继续增大时,空间电场消失,形成扩散电流 IF 变化显著( BC段 ),
2,外加反向电压
P区接电源 VF负极,N区接电源 VF正极,--PN结反偏内电场
P 区N 区
RV
I
R
R
耗尽层变宽,扩散电流几乎为 0;
IR称为反向饱和电流。
少数载流子数目一定,VR增加,IR不会增加。
3,伏安特性
PN结的两端加上正向或反向电压 V后,通过 PN
结的电流 I 随 V变化的情况。
V
I
F
F
O
A
B
C
从图中看出:
PN结加正向电压时:
加反向电压时,
有较大的正向电流;
反向电流很小。
PN结的单向导电性。
根据理论分析,PN结两端的电压 V与流过 PN结的电流 I之间的关系为:
)(eII TV
V
S 1其中:
IS为 PN结的反向饱和电流;
VT称 为温度电压当量,在温度为 300K(27° C)
时,VT约为 26mV;
所以上式常写为,
)1( 26 mV
V
S eII
4,PN结方程
PN结正偏时,如果 V> VT 几倍以上,
上式可改写为:
即 I随 V按指数规律变化。
mV
V
S eII
26?
PN结反偏时,如果 V > VT几倍以上,
上式可改写为:
其中负号表示为反向 。
SII
5,PN结的击穿特性如图所示,当加在 PN结上的反向电压增加到一定数值时,反向电流突然急剧增大,
PN结产生 电击穿 — 这就是 PN结的击穿特性。
发生击穿时的反偏电压称为 PN结的反向击穿电压 VBR。
PN结被击穿后,PN结上的压降高,电流大,功率大。当 PN结上的功耗使 PN结发热,
并超过它的耗散功率时,PN结将发生 热击穿 。
这时 PN结的电流和温度之间出现恶性循环,
最终将导致 PN结烧毁。
PN结的电击穿是可逆击穿,及时把偏压调低,PN结即恢复原来特性。电击穿特点可加以利用(如稳压管)。
热击穿就是烧毁,是不可逆击穿。使用时尽量避免。
6,PN结的电容效应势垒电容、扩散电容
(1) 势垒电容势垒电容是由 耗尽 层引起的。
PN结在反偏时主要考虑 势垒电容。
(2) 扩散 电容
PN结正偏时,P区和 N区的多子大量地向对方扩散,分别成为对方的少数载流子,并在两区交界出形成浓度梯度,如图所示:
PN结在正偏时主要考虑扩散 电容。
2.3.1 二极管的结构按制造材料:硅管和锗管;
按作用:整流二极管、稳压二极管,发光二极管、
光敏二极管等。
PN结引出电极就成为二极管,
按制造工艺:点接触、面接触、平面型 ;
分类,
+
符号,
2.3 半导体二极管
V
I
D
D
O
A
B
C
VBR
I
S
D
E
2.3.2 二极管的伏安特性
OA段:正向电流很小,称为死区。
与 PN结伏安特性相同
1、正向特性,(OC段 )
硅管死区电压 (又称为门坎电压 )约为 0.5V,
锗管为 0.1V。
2、反向特性,(OD段 )
3、反向击穿特性,(DE段 )
2.3.3 二极管参数
(1)最大整流电流 IF:二极管长期使用时允许通过的最大正向平均电流。
(2)最大反向工作电压 VBR:反向击穿电压。 手册上给出的一般为二极管反向击穿电压的一半。
(3)反向电流 IR:指二极管未击穿时的反向电流值。此值与温度有关,越小越好。
(4)级间电容,与工作信号频率有关,频率越高,
级间电容的影响越大,
(5)最高工作频率 fM
1、理想模型,
2、恒压降模型,
认为导通后,硅二极管压降恒定为 0.5~0.7V
锗二极管压降恒定为 0.2~0.3V
1234
AB
CD4321
T i t l e
N u m b e rR e v i s i o nS i z e
B
D a t e,2 7 - F e b - 2 0 0 1S h e e t o f F i l e,E,\ 模 模 模 模 \ c i r c u i t \ 模 模 模,D d bD r a w n B y,
+ VD -
iD
1234
AB
CD4321
T i t l e
u m b e re v i s i o ni z e
D a t e,2 7 - F e b - 2 0 0 1S h e e t o f
F i l e,E,\ 模 模 模 模 \ c i r c u i t \ 模 模 模,D d bD r a w n B y,
+ VD -
iD
V
IF
F
O
A
B
C
V
IF
F
O
A
B
C
2.4 二极管电路及分析方法
2.4.1 二极管模型
V
IF
F
O
A
B
C
3、折线模型,
1234ABCD4321
T i t l e
N u m b e rR e v i s i o nS i z e
B
D a t e,2 8 - F e b - 2 0 0 1S h e e t o f F i l e,E,\ 模 模 模 模 \ c i r c u i t \ 模 模 模,D d bD r a w n B y,
+ VD -
iD rD
设电池电压为门坎电压 0.5V; iD=1mA 时,VD =0.7V
则,
2 0 01 5.07.0 mA VVr D
4、小信号模型,小范围工作时,将二极管的
V-A特性看成一条直线,
V
IF
F
O
A
B
C
DDD ivr
)1( TD vvsD eIi
二极管的 V-A 特性表达式,
D
vv
s
D
D
d dv
eId
dv
dig TD )]1([ TD vv
T
S e
v
I?
T
D
v
I
)(
)(261
mAI
mV
I
v
gr DD
T
D
D
1、二极管的静态工作情况分析,
1234A
B
C
D
4321T i t l e
N u m b e rR e v i s i o nS i z e
B
D a t e,2 8 - F e b - 2 0 0 1S h e e t o f
F i l e,E,\ 模 模 模 模 \ c i r c u i t \ 模 模 模,D d bD r a w n B y,
D
R
VDD
解:( 1) VDD=10V,
例,设简单二极管基本电路如右图所示 R=10k?,.对于下列两种情况,求电路的 ID和 VD的值,(1)VDD=10V;(2) VDD=1V。
在每种情况下,应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。
1234
A
B
C
D
4321
T i t l e
N u m b e rR e v i s i o nS i z e
B
D a t e,2 8 - F e b - 2 0 0 1S h e e t o f
F i l e,E,\ 模电教案 \ c i r c u i t \ 二极管,D d bD r a w n B y,
R
D
VDD
ID
+
VD
-
a,理想模型:
VD=0V,ID= VDD/R =1mA
b,恒压降模型:
VD=0.7V,
R
VVI DDD
D
mA93.0
k10
7.010
分析方法一般有两种:图解法和模型法。
模型法:
2.4.2 模型分析法应用举例
c,折线模型:
d
thDD
D rR
VVI
mA931.0
k2.0k10
5.010?

DDthD RIVV V69.02.0931.05.0
( 2) VDD=1V,
a,理想模型:
VD=0V,ID= VDD/R =0.1mA
b,恒压降模型:
VD=0.7V,
R
VVI DDD
D
mA03.0
k10
7.01
c,折线模型:
d
thDD
D rR
VVI
mA049.0
k2.0k10
5.01?

DDthD RIVV V51.02.0049.05.0
当电源电压大较时可用恒压降模型,电源电压较小时可用折线模型,二极管上信号在某个值附近小范围变化时,可以用小信号模型。
图解法:
A部分的电压与电流关系:
B部分的电压与电流关系就是二极管的伏安特性。
RIVV DDDD
1234
A
B
C
D
4321
T i t l e
N u m b e rR e v i s i o nS i z e
B
D a t e,2 8 - F e b - 2 0 0 1S h e e t o f
F i l e,E,\ 模电教案 \ c i r c u i t \ 二极管,D d bD r a w n B y,
R
D
VDD
ID
A B
+
VD
-
V
I
F
F
O
A
B
C
I
V
VDD

。VDD
R
两条曲线的交点即为回路电流和二极管上的电压。
例:
2,利用伏安特性稳压区构成稳压电路
V
I
0.7
1.4V
0
3,利用伏安特性的非线性构成限幅电路
|Vi |<0.7V时:
例如:
D1,D2截止 Vo=Vi
D1,D2中有一个导通 |Vo|=0.7V|Vi |>0.7V时:
4,利用单向导电性构成开关电路分析方法:将二极管观察阳极电压是否高于阴极电压。
VCC( 5V)
Va,Vb有一个是低电平:
Vo为低电平
Va,Vb为高电平( 5V):
Vo为高电平所以 VO=Va?Vb
5,判定电路中二极管是导通还是截止
1 2 3 4A
B
C
D
4321
D
C
B
A
T i t l e
N u m b e r R e vi s i o nS i z e
B
D a t e,1 9- J u n- 2 00 0 S he e t o f
F i l e,E,\ 教案 \ 2 00 3 模电 \ c i r c u i t \ 第二章,d db D r a w n B y,
D
R5V
10V
A B
1 2 3 4
A
B
C
D
4321
D
C
B
A
T i t l e
N u m b e r R e v i s i o nS i z e
B
D a t e,1 9 - J u n - 2 0 0 0 S h e e t o f
F i l e,E,\ 教案 \ 2 0 0 3 模电 \ c i r c u i t \ 第二章,d d b D r a w n B y,
D2
R5V
10V
A2
B
D1
A1
2.5 特殊二极管
2.5.1 齐纳二极管 (稳压管 )
工作原理,二极管反向击穿时,电流变化很大,电压基本不变,
符号,
稳压管应用电路稳压管正常工作的条件:
a,必须工作在反向击穿状态(利用其正向特性除外);
b,流过管子的电流必须介于稳定电流和最大电流之间。
VO IZ
RL或 Vi变化时,电路能自动调整 IZ的大小,
从而使输出电压达到稳定,
IR
VO
可见,
2.5.2 变容 二极管
2.5.3 光电二极管和发光二极管
HW,P97 3.4.3,3.4.5,3.4.10,3.5.1