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1、(1-1)第二章第二章 半导体二极管及半导体二极管及其基本电路其基本电路 2.1 半导体(半导体(semiconductor)的基本)的基本知识知识 2.2 PN结结的形成及特性的形成及特性 2.3 半导体二半导体二极管极管(diode)2.4 二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法2.5 特殊二极管特殊二极管第1页/共55页(1-2)2.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体:导体:自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体,金属,金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体:绝缘体:有的物质几乎不导电,称为有的物质几乎不导电,称为绝缘体绝缘体,如橡皮
2、,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。、陶瓷、塑料和石英。半导体:半导体:另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为之间,称为半导体半导体,如锗,如锗Ge、硅、硅Si、砷化、砷化镓镓GaAs和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识第2页/共55页(1-3)半导体半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。例如:不同于其它物质的特点。例如:当受外界热和光的作用时,它的导电能当受外界热和光的作用时,它的导电能 力明显变化。力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质
3、,会使往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。第3页/共55页(1-4)共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的离子2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构第4页/共55页(1-5)一、本征半导体的结构特点一、本征半导体的结构特点GeSi现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。的最外层电子(价电子)都是四个。2.1.3 本征半导体本征半导体第5页/共55页(1-6)本征半导体:本征半导体:完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体
4、。在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键,共用一对价,共用一对价电子。电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构:体结构:第6页/共55页(1-7)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束缚电子束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子,因此本征半导体中的自由
5、电子很少,所以,因此本征半导体中的自由电子很少,所以本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后,每个原子的最外层电子是形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。八个,构成稳定结构。共价键有很强的结合力,使原子规共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。则排列,形成晶体。+4+4+4+4第7页/共55页(1-8)在绝对在绝对0度度(T=0K)和没有外界激发时和没有外界激发时,价电子价电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子,即的带电粒子,即载流子载流子(carrier),它的导电能力,它的导电
6、能力为为 0,相当于绝缘体。,相当于绝缘体。在常温下,由于热激发,使一些价电子获得足在常温下,由于热激发,使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为够的能量而脱离共价键的束缚,成为自由电子自由电子,同,同时共价键上留下一个空位,称为时共价键上留下一个空位,称为空穴(空穴(hole)。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴二、本征半导体的导电机理第8页/共55页(1-9)+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子第9页/共55页(1-10)2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下,在其它力的作用下,空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补,这
7、样的结果来填补,这样的结果相当于空穴的迁移,相当于空穴的迁移,而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动,因此正电荷的移动,因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子自由电子和和空穴空穴。第10页/共55页(1-11)温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强,温度是影响半导体性导体的导电能力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度
8、。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成:本征半导体中电流由两部分组成:1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。第11页/共55页(1-12)在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体:型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体,也空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。称为(空穴半导体)。N 型半导体:型
9、半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体,自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为(电子半导体)。也称为(电子半导体)。2.1.4 杂质半导体杂质半导体第12页/共55页(1-13)在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被(或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子很容
10、易被激发而成为自由电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子,称为子给出一个电子,称为施主原子施主原子。一、N 型半导体第13页/共55页(1-14)+4+4+5+4多余电子磷原子N 型半导体中型半导体中的载流子是什的载流子是什么?么?1.1.由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。
11、第14页/共55页(1-15)在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼(或铟),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质(或铟),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼原子的最外层有三个价电子,与相邻的取代,硼原子的最外层有三个价电子,与相邻的半导体原子形成共价键时,半导体原子形成共价键时,产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补,可能吸引束缚电子来填补,使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子,所以称为原子接受电子,所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半导
12、体中空穴是多子,电子是少子。二、P 型半导体第15页/共55页(1-16)P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。三、杂质半导体的示意表示法第16页/共55页(1-17)本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质本节中的有关概念本节中的有关概念第17页/共55页(1-18)1.PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上,分别制
13、造在同一片半导体基片上,分别制造P 型半导型半导体和体和N 型半导体,经过载流子的扩散,在它们的型半导体,经过载流子的扩散,在它们的交界面处就形成了交界面处就形成了PN 结。结。2.2 PN结及半导体二极管结及半导体二极管第18页/共55页(1-19)P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区,也称耗尽层。第19页/共55页(1-20)漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相
14、反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。第20页/共55页(1-21)1.空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。注意注意:2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子(都是多子)向对方运动(扩散运动)。3.P 区中的电子和 N区中的空穴(都是少子)数量有限,因此由它们形成的电流很小。第21页/共55页(1-22)PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置(正向偏置(forward bias)的意思都是的意思都是:P 区加正、区加正、N 区加负电压。区加负电压。PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置(反向偏置(reverse bia
15、s)的意思都是:的意思都是:P区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。2.PN结的单向导电性结的单向导电性第22页/共55页(1-23)+RE内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱,多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。(1)、PN 结正向偏置第23页/共55页(1-24)+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强,多子的扩散受抑制。少子漂移加强,但少子数量有限,只能形成较小的反向电流。RE(2)、PN 结反向偏置第24页/共55页(1-25)其中其中PN结的伏安特性结的伏安特性IS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下且在常温下
16、(T=300K)(3)PN结V-I 特性表达式第25页/共55页(1-26)当当PN结的反向电结的反向电压增加到一定数值时,压增加到一定数值时,反向电流突然快速增反向电流突然快速增加,此现象称为加,此现象称为PN结结的的反向击穿。反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆3.PN结的反向击穿结的反向击穿第26页/共55页(1-27)在在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极结上加上引线和封装,就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平点接触型、面接触型和平面型面型三大类。三大类。(1)点接触型二极管点接触型二极
17、管 PN结面积小,结电容小,用于检波和变频等高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图2.3 半导体二极管半导体二极管2.3.1 基本结构第27页/共55页(1-28)(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大,用于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型(4)二极管的代表符号二极管的代表符号PN阳极阳极阴极阴极第28页/共55页(1-29)UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7
18、V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压VBR二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示2.3.2 伏安特性第29页/共55页(1-30)1.最大整流电流最大整流电流 IOM二极管长期使用时,允许流过二极管的最大二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。正向平均电流。2.反向击穿电压反向击穿电压VBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至流剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压压VWRM一般是一般是V
19、BR的一半。的一半。2.3.3 主要参数第30页/共55页(1-31)3.反向电流反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大,说明管子的单向导电性差,因反向电流大,说明管子的单向导电性差,因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响,温度越高反向电流越大。硅管的反向电响,温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小,锗管的反向电流要比硅管大几十到流较小,锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。几百倍。以上均是二极管的直流参数,二极管的应用是以上均是二极管的直流参数,二极管的应用是主要利用它的单向导电性,
20、主要应用于整流、限幅、主要利用它的单向导电性,主要应用于整流、限幅、箝位等等。下面介绍两个交流参数。箝位等等。下面介绍两个交流参数。第31页/共55页(1-32)4.微变电阻微变电阻 rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工作点作点Q 附近电压的变化与附近电压的变化与电流的变化之比:电流的变化之比:显然,显然,rD是对是对Q附近的微小附近的微小变化区域内的电阻。变化区域内的电阻。第32页/共55页(1-33)5.二极管的极间电容二极管的极间电容二极管的两极之间有电容,此电容由两部分组成:二极管的两极之间有电容,此电容由两部分组成:势垒电容势垒电容CB和和
21、扩散电容扩散电容CD。势垒电容:势垒电容:势垒区是积累空间电荷的区域,当电压变化时,势垒区是积累空间电荷的区域,当电压变化时,就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化,这样所表现出就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化,这样所表现出的电容是的电容是势垒电容势垒电容。扩散电容:扩散电容:为了形成正向电流为了形成正向电流(扩散电流),注入(扩散电流),注入P 区的少子区的少子(电子)在(电子)在P 区有浓度差,越靠区有浓度差,越靠近近PN结浓度越大,即在结浓度越大,即在P 区有电区有电子的积累。同理,在子的积累。同理,在N区有空穴的区有空穴的积累。正向电流大,积累的电荷积累。正向电流大,积累的电荷多。多
22、。这样所产生的电容就是扩散这样所产生的电容就是扩散电容电容CD。P+-N第33页/共55页(1-34)由于由于CB和和CD一般都很小(结面积小的为一般都很小(结面积小的为1pF左右,左右,结面积大的为几十至几百结面积大的为几十至几百pF),对于低频信号呈),对于低频信号呈现出较大的容抗,其作用可忽略不计,因而只有现出较大的容抗,其作用可忽略不计,因而只有在信号的频率较高时才考虑结电容的作用在信号的频率较高时才考虑结电容的作用。PN结高频小信号时的等效电路:结高频小信号时的等效电路:势垒电容和扩散电容的综合效应rd第34页/共55页(1-35)半导体二极管图片半导体二极管图片第35页/共55页(
23、1-36)第36页/共55页(1-37)2.4.1 二极管V-I 特性的建模2.4 二极管基本电路极其分析方法二极管基本电路极其分析方法1.理想模型iDvD0iDvD=0V2.恒压降模型iDvD0iDvD=0.7V3.折线模型iDvD0iDvDrD误差最大误差最大应用最普遍应用最普遍误差最小误差最小第37页/共55页(1-38)4.小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某二极管工作在正向特性的某一小范围内时,其正向特性可以一小范围内时,其正向特性可以等效成一个微变电阻。等效成一个微变电阻。即即根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导则则常温下常温下(T=300K)iDvD0iDvDrd
24、第38页/共55页(1-39)2.4.2 应用举例 例例1.二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析理想模型理想模型(1)R=10k ,VDD=10V 时时恒压模型(硅二极管典型值)恒压模型(硅二极管典型值)习习惯惯画画法法第39页/共55页(1-40)折线模型折线模型(硅二极管典型值)(硅二极管典型值)设设(2)VDD=1V 时时(自看)(自看)rD第40页/共55页(1-41)2.限幅电路限幅电路例例2 求(求(1)vI=0V,4V,6V时输出电压的值;(时输出电压的值;(2)当当 时,画出时,画出vO的波形。的波形。解解:(1)考虑输入电压不高,考虑输入电压不高,故采用折线模型来
25、分析故采用折线模型来分析3V第41页/共55页(1-42)第42页/共55页(1-43)RLvivovivott例例3:二极管半波整流二极管半波整流第43页/共55页(1-44)vovivi/Vvott电路及输入电压的波形电路及输入电压的波形如图所示,画出输出电如图所示,画出输出电压的波性。压的波性。解:解:当当vi+10V时,时,VD1正偏正偏短路,短路,VD2反偏开路,反偏开路,vo=+10V当当vi-10V时,时,VD1反偏开路,反偏开路,VD2正偏短路,正偏短路,vo=-10V当当-10Vvi+10V时,时,VD1、VD2均反偏开路,均反偏开路,vo=vi例4第44页/共55页(1-4
26、5)3.开关电路开关电路在数字电路里已经讲过,不再细说在数字电路里已经讲过,不再细说 4.低压稳压电路(箝位)低压稳压电路(箝位)利用二极管正向压降基本恒定的特点,在输入信号较利用二极管正向压降基本恒定的特点,在输入信号较低时,可以稳定输出电压。几只二极管串联可以获得低时,可以稳定输出电压。几只二极管串联可以获得34V的输出电压。的输出电压。总结:总结:二极管常用功能:二极管常用功能:整流、限幅、箝位、开关整流、限幅、箝位、开关第45页/共55页(1-46)2.5.1 稳压二极管稳压二极管(齐纳二极管)(齐纳二极管)VIIZIZmax VZ IZ稳压误差曲线越陡,电压越稳定。VZ动态电阻:动态
27、电阻:rz越小,稳压越小,稳压性能越好。性能越好。2.5 特殊二极管特殊二极管+第46页/共55页(1-47)(4)稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。(5)最大允许功耗)最大允许功耗稳压二极管的参数稳压二极管的参数:(1)稳定电压稳定电压 UZ(2)电压温度系数电压温度系数 U(%/)稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。(3)动态电阻)动态电阻第47页/共55页(1-48)求求RL分别等于分别等于30K、4K、3K 时,流过稳压管的电流时,流过稳压管的电流IZIRVoIZDZRILVIRL解:解:1.当当RL=30K 时时
28、2.当当RL=4K 时时例稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例第48页/共55页(1-49)3.当当RL=3K 时时此时,稳压管工作在临界击穿状态,当此时,稳压管工作在临界击穿状态,当RL继续减小时,继续减小时,稳压管就会离开击穿区,不能实现稳压功能。稳压管就会离开击穿区,不能实现稳压功能。为了保证稳压官能工作在击穿区,除管子两端加的为了保证稳压官能工作在击穿区,除管子两端加的反向电压超过稳压管的击穿电压外,还必须使稳压反向电压超过稳压管的击穿电压外,还必须使稳压管以一定的工作电流管以一定的工作电流IRVoIZDZRILVIRL第49页/共55页(1-50)负载电阻负载电阻 。要求要求当输
29、入电压由正常值发当输入电压由正常值发生生 20%波动时,负载电压基本不变。波动时,负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解:令输入电压达到上限时,流过稳压管的电解:令输入电压达到上限时,流过稳压管的电流为流为Izmax。求:求:电阻电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正常值。的正常值。方程方程1第50页/共55页(1-51)令输入电压降到下限时,令输入电压降到下限时,流过稳压管的电流为流过稳压管的电流为Izmin。方程方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1、2,可解得:,可解得:第51页/共55页(1-52)2.5.2 光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加第52页/共55页(1-53)2.5.3 发光二极管发光二极管有正向电流流过有正向电流流过时,发出一定波长范时,发出一定波长范围的光,目前的发光围的光,目前的发光管可以发出从红外到管可以发出从红外到可见波段的光,它的可见波段的光,它的电特性与一般二极管电特性与一般二极管类似。类似。第53页/共55页(1-54)电子技术电子技术第二章 结束模拟电路部分模拟电路部分第54页/共55页(1-55)感谢您的观看。第55页/共55页
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