模拟电路课件：chapter3.ppt

1、13 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.3 二极管二极管3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管特殊二极管23.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.1.1 半导体材料半导体材料3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用3.1.4 杂质半导体杂质半导体33.1.1 半导体材料半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分的不同，来划分导体导体、绝缘体

2、绝缘体和和半导体半导体。典型的半导体典型的半导体 元素半导体：元素半导体：硅硅Si和和锗锗Ge 化合物半导体：化合物半导体：砷化镓砷化镓GaAs等。等。半导体是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。它的导电能力与温度、光照或掺杂浓度有关。43.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构这里为便于分析，采用平面结构代替立体结构这里为便于分析，采用平面结构代替立体结构53.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体本征半导体: :化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单化学成分纯净的半导体。它在

3、物理结构上呈单晶体形态。晶体形态。空穴空穴: :共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对: :由热激发由热激发而产生的自由电子和空而产生的自由电子和空穴对穴对。本征激发本征激发: :当半导体受热或光照激发时，某些电子从外界获当半导体受热或光照激发时，某些电子从外界获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，离开原子成为得足够的能量而挣脱共价键的束缚，离开原子成为自由电子自由电子，同时在共价键中留下相同数量的同时在共价键中留下相同数量的空穴空穴。63.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用空穴的移动空穴的移动：空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填空穴的运动是靠相邻共

4、价键中的价电子依次填充空穴来实现的。充空穴来实现的。空穴的移动的演示73.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用半导体的重要特性半导体的重要特性: (1) (1)在本征半导体中自由电子和空穴总是成对产生，其自在本征半导体中自由电子和空穴总是成对产生，其自由电子由电子- -空穴对随温度的增高而显著增加。空穴对随温度的增高而显著增加。 (2)(2)空穴的导电作用。空穴的导电作用。83.1.4 杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三可使半导体

5、的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。N型半导体型半导体：掺入五价杂质元素（如掺入五价杂质元素（如磷磷）的半导体。）的半导体。P型半导体型半导体：掺入三价杂质元素（如掺入三价杂质元素（如硼硼）的半导体。）的半导体。93.1.4 杂质半导体杂质半导体1. P型半导体型半导体 因三价杂质原子在与硅原因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一价电子而在共价键中留下一个个空穴空穴。 在在P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由

6、掺杂形成它主要由掺杂形成；自自由由电子是少数载流子，电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质因。三价杂质因而也称为而也称为受主杂质受主杂质。103.1.4 杂质半导体杂质半导体2. N型半导体型半导体 因五价杂质原子中只有四个因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成束缚而很容易形成自由电子自由电子。 在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多

7、数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原子它主要由杂质原子提供提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由热激发形成。由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此，因此五价杂质原子也称为五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。113.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm3 本征硅的原

8、子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3123.1 半导体的基本知识半导体的基本知识半导体的主要概念：半导体的主要概念： 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 N型半导体、型半导体、P 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133.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩

9、散3.2.2 PN结的形成结的形成3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应143.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散半导体中的两种电流半导体中的两种电流漂移电流：漂移电流：在电场作用下，载流子（自由电子在电场作用下，载流子（自由电子/空穴）在电场空穴）在电场作用下的漂移运动形成的电流。作用下的漂移运动形成的电流。扩散电流：扩散电流：因浓度差，载流子从浓度高处向浓度低处扩散运动因浓度差，载流子从浓度高处向浓度低处扩散运动,形成的电流。形成的电流。153.2.2 PN结的形成结的形成 在一块本征半导体在两

10、侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, ,分分别形成别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半导体和型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄型半导体结

11、合面，离子薄层形成的层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽耗尽层层。 163.2.2 PN结的形成结的形成PN结的形成过程（演示）结的形成过程（演示）图图3.2.1 PN结的形成结的形成173.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。 (1) PN结加正向电压时结加正向电压时PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的

12、导电情况的的演示演示 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性结的伏安特性183.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。 iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性结的伏安特性 (2) PN结加反向电压时结加反向电压时PN结加反向电压时的导电情况的结加反向电压时的导电情况的演示演示 高电阻高电阻

13、 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流iD/mA1.00.5iD=IS0.51.00.501.0 D/V 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向反向饱和电流饱和电流。 193.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的具有较大的正向扩散电流正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，

14、呈现高电阻，具有很小的具有很小的反向漂移电流反向漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向结具有单向导电性。导电性。203.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性3）PN结结V- I 特性表达式特性表达式其中：其中：iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=IS0.51.00.501.0 D/V)1(/SDD TVveIiIS 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（T=300K）V026. 0 qkTVTmV 26 213.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿

15、 当当PN结的反向电压增加结的反向电压增加到一定数值时，反向电流到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称突然快速增加，此现象称为为PN结的结的反向击穿。反向击穿。iDOVBR D热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿可逆可逆 电击穿电击穿223.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 (1) 势垒电容势垒电容CB势垒电容示意图势垒电容示意图233.2.5 PN结的电容效应结的电容效应(2) 扩散电容扩散电容CD扩散电容示意图扩散电容示意图243.3 二极管二极管3.3.1 二极管的结构二极管的结构3.3.2 二极管的二极管的V-I特性特性3.3.3 二极管的主要参数二极

16、管的主要参数253.3.1 二极管的结构二极管的结构 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。二极管按结构分有面接触型面接触型和和点接触型点接触型两类。两类。(1) 点接触型二极管点接触型二极管PNPN结面积小，结电容小，用结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。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二极管的结构示意图263.3.1 二极管的结构二极管的结构(3)集成电路中的平面型集成电路中的平面型 往往用于集成电路制造艺中。往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和结面积可

17、大可小，用于高频整流和开关电路中。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，用于工频大结面积大，用于工频大电流整流电路。电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型阴阴 极极引引 线线阳阳 极极引引 线线PNP 型型 支支 持持 衬衬 底底(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号(d) 代代表表符符号号k 阴阴极极阳阳极极 a273.3.2 二极管的二极管的V-I特性特性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：)1(/SDD TVveIi0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/

18、AiD/mA死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性+iDvD-R正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性283.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数(1) 最大整流电流最大整流电流IF(2) 反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM(3) 反向电流反向电流I IR R(6) 正向压降正向压降VF(5) 反向恢

19、复时间反向恢复时间TRR(4) 极间电容极间电容Cd CB+CDPN结的高频等效电路结的高频等效电路293.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法3.4.1 简单二极管电路图解分析方法简单二极管电路图解分析方法3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法303.4.1 简单二极管电路图解分析方法简单二极管电路图解分析方法 iD/mA VDD/R IDD.5 0 VDD D/V VD 二极管二极管 V-I 特性曲线特性曲线 斜率为斜率为-1/R 的负载线的负载线 Q + vD VD D R iD D DDDDVviR11DDDDivVRR )1(/S

20、DD TVveIi指数模型指数模型迭代法迭代法（计算机辅助设计（计算机辅助设计SPICE等）等）313.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法3.4.2.1 二极管的二极管的V-I特性的建模特性的建模 (1) 理想模型理想模型(2) 恒压降模型恒压降模型(3) 折线模型折线模型323.4.2.1 二极管的二极管的V-I特性的建模特性的建模(4) 小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根据根据得得Q

21、点处的微变电导点处的微变电导QdvdigDDd QVvTTeVI/SD TVID dd1gr 则则DIVT 常温下（常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 333.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法3.4.2.2 模型分析法应用举例模型分析法应用举例1) 整流电路整流电路 D1 D3 D2 D4 D1 D3 D2 D4 导导 通通 导导 通通 导导 通通 导导 通通 D2 D4 D1 D3 D2 D4 D1 D3 截截 止止 截截 止止 截截 止止 截截 止止 vI O wt iL O wt O wt vL 单相桥式整流电路单相桥式整流电路工作

22、原理：利用二极管的单向导电性。343.4.2.2 模型分析法应用举例模型分析法应用举例V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k ）（1）VDD=10V 时时mA 93. 0/ )(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7 . 0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型V 5 . 0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931. 0DthDDD rRVVI k 2 . 0Dr设设V 69. 0DDthD rIVV+ DiDVDD+ DiDVDDVD+ DiDVDDrDVth（2）VDD=1V 时时（自修）（自修）2) 静态工作情况分析静态工作

23、情况分析353.4.2.2 模型分析法应用举例模型分析法应用举例时时V 5 . 3)( )1(REFthI VVv时时V 5 . 3)( )2(REFthI VVv O +VREF I +R O + VD VREF I + R D O + D (a) (b) VREF I + R O + VD VREF I + R D O/V O/V w wt w wt 斜率斜率 VREF+VD=3.5 V I/V (c) (d) 3) 限幅电路限幅电路363.4.2.2 模型分析法应用举例模型分析法应用举例4) 开关电路开关电路 OD1VCC5 V4.7K I1 I2D2基本原则：基本原则： 判断电路中的二

24、极管处于导通判断电路中的二极管处于导通状态还是截止状态，可以先将二极状态还是截止状态，可以先将二极管断开，然后观察（或经过计算）管断开，然后观察（或经过计算）阳、阴两极间是正向电压还是反向阳、阴两极间是正向电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，否电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。则二极管截止。当当 、 时，时，D1为正向偏置，为正向偏置， （因二（因二极管是理想的），此时极管是理想的），此时D2的阴极电位为的阴极电位为5V，阳极为，阳极为0V，处于反向，处于反向偏置，故偏置，故D2截止。截止。VvI52Vvo0VvI01二极管“与”逻辑电路373.4.2.2 模型分析法应用举例模型

25、分析法应用举例5) 低电压稳压电路低电压稳压电路 利用二极管的正向压降特性，获得较好的稳压性能。单个硅管/0.7V，锗管/0.3V(具体见器件参数)383.4.2.2 模型分析法应用举例模型分析法应用举例6) 小信号工作情况分析小信号工作情况分析 分析电路的静态工作情况(求出静态工作点Q)； 根据Q点算出微变电阻rd； 根据小信号模型交流电路模型，求出小信号作用下电路的交流电压、电流； 最后与静态值叠加，得出完整值。 + iD Vo - R + - vs vDD D vD + - + ID Vo - R vDD D vD + - + id vo - R + - vs rd + - vd 393

26、.5 特殊二极管特殊二极管3.5.1 齐纳二极管齐纳二极管3.5.2 变容二极管变容二极管3.5.3 肖特基二极管肖特基二极管3.5.4 光电子器件光电子器件l 光电二极管光电二极管l 发光二极管发光二极管l 激光二极管激光二极管403.5.1 齐纳二极管（稳压管）齐纳二极管（稳压管）齐纳二极管又称为稳压管齐纳二极管又称为稳压管(a)符号符号(b) 伏安特性伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。 413.5.1 齐纳二极管（稳压管）齐纳二极管（稳压管） 稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数(1) 稳定电压稳定电压VZ(2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的

27、稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。rZ = VZ / IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ423.5.1 齐纳二极管（稳压管）齐纳二极管（稳压管）简单的稳压电路简单的稳压电路+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常稳压时正常稳压时 VO =VZIZmin IZ IZmax433.5 特殊二极管特殊二极管3.5.2 变容二极管变容二极管工作原理工作原理：利用二极管的结电

28、容与外加电压之间的关系。：利用二极管的结电容与外加电压之间的关系。可以作为电子调谐器，通过控制直流电压来改变二极管可以作为电子调谐器，通过控制直流电压来改变二极管的结电容量，从而改变谐振频率，实现频道选择。的结电容量，从而改变谐振频率，实现频道选择。实际应用实际应用：FM/MP3收音模块（变容二极管收音模块（变容二极管BB系列系列BB910/BB131等）等）443.5 特殊二极管特殊二极管3.5.3 肖特基二极管肖特基二极管(SBD)肖特基二极管肖特基二极管：用贵金属（金、银、铝、铂等）为正：用贵金属（金、银、铝、铂等）为正极，以极，以N型半导体为负极，利用二者接触面上形成的型半导体为负极，

29、利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件半导体器件 。特点与应用特点与应用：多数载流子导电器件，电容效应小，工：多数载流子导电器件，电容效应小，工作速度快。广泛应用于作速度快。广泛应用于开关电源、变频器、驱动器开关电源、变频器、驱动器等等电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管使用。管、保护二极管使用。453.5 特殊二极管特殊二极管3.5.4 光电子器件光电子器件1)光电二极管光电二极管：将光信号转换为电信号的特殊二极管：将光信号转换为电信号的特殊二极管。2)发光二极管发光二极管：将电能转换成光能的特殊二极管：将电能转换成光能的特殊二极管。3)激光二极管激光二极管：利用垂直于利用垂直于PN结面的一对平行平面构成结面的一对平行平面构成法布里法布里珀罗谐振腔，自发辐射产生的光子由于谐振腔珀罗谐振腔，自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从可从PN结发出具有良好谱线的相干光结发出具有良好谱线的相干光激光。激光。46作业作业3.4.1 3.4.6 3.4.7 3.4.83.5.3