模电ppt第一章晶体二极管及其基本电路Yl2010.

模拟电子技术闫林电子系副教授13528203581答疑地点3-209时间主要参考书江晓安模拟电子技术西安电子科技大学出版社童诗白、华成英，《模拟电子技术基础》，（第四版），高等教育出版社清华大学康华光，《电子技术基础(模拟部分)》，第四版，高等教育出版社华中科技大学第一节半导体的特性本征半导体杂质半导体下页总目录第一章半导体器件1.半导体(semiconductor)共价键Covalentbond半导体的定义：将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗一、本征半导体(intrinsicsemiconductors)价电子在硅(或锗)的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。晶体中的价电子与共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4下页首页上页2.本征半导体(intrinsicsemiconductors)纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度零度（即T=0K，在绝对零度(-273℃)时）价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同绝缘体一样。下页上页首页+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半导体中的载流子带负电的自由电子Freeelectron带正电的空穴hole如果温度升高，少数价电子将挣脱共价键束缚成为自由电子。在原来的共价键位置留下一个空位，称之为空穴。下页上页首页+4+4+4+4+4+4+4+4+4半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。在一定温度下电子-空穴对的产生和复合达到动态平衡。在本征半导体中，两种载流子总是成对出现称为电子–空穴对本征载流子的浓度对温度十分敏感电子-空穴对两种载流子浓度相等下页上页首页半导体中的载流子——在绝对零度(-273℃)时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原子而成为自由电子。与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位，称为本征激发。空穴的出现是半导体的特点1.N型（或电子型）半导体(N-typesemiconductor)二、杂质半导体则原来晶格中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子与周围四个硅原子组成共价键时多余一个电子。这个电子只受自身原子核吸引，在室温下可成为自由电子。在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素，下页上页在本征半导体中掺入某种特定的杂质，就成为杂质半导体。+5+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子首页+5+4+4+4+4+4+4+4+4失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动，并带有正电荷，称为正离子。在这种杂质半导体中，电子的浓度大大高于空穴的浓度。因主要依靠电子导电，故称为电子型半导体。多数载流子Majoritycarrier少数载流子Minoritycarrier下页上页5价的杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。首页+3+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素，空位2.P型半导体(P-typesemiconductor)当它与周围的硅原子组成共价键时，将缺少一个价电子，产生了一个空位。空位为电中性。下页上页首页硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂质原子成为负离子，硅原子的共价键中产生一个空穴。在这种杂质半导体中，空穴的浓度远高于自由电子的浓度。+3+4+4+4+4+4+4+4+4空穴在室温下仍有电子-空穴对的产生和复合。多数载流子P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为空穴型半导体。下页上页3价的杂质原子产生多余的空穴，起着接受电子的作用，所以称为受主原子。少数载流子首页在杂质半导体中：杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。杂质半导体的优点：掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。总结上页首页第二节半导体二极管PN结及其单向导电性二极管的伏安特性二极管的主要参数稳压管总目录下页-++++++++++++-----------1.PN结中载流子的运动-++++++++++++-----------空间电荷区内电场Uho又称耗尽层，即PN结。最终扩散(diffusion)运动与漂移(drift)运动达到动态平衡，PN结中总电流为零。内电场又称阻挡层，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。硅约为（0.6~0.8）V锗约为（0.2~0.3）V一、PN结及其单向导电性扩散漂移下页上页首页正向电流外电场削弱了内电场有利于扩散运动，不利于漂移运动。空间电荷区变窄2.PN结的单向导电性☻加正向电压+-U-++++++++++++-----------RE耗尽层内电场Uho-U外电场I称为正向接法或正向偏置（简称正偏）forwardbiasPN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。下页上页首页+-U-++++++++++++-----------RE称为反向接法或反向偏置（简称反偏）一定温度下，E超过某一值后I饱和，称为反向饱和电流IS。结论：PN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。内电场外电场Uho+U空间电荷区外电场增强了内电场有利于漂移运动，不利于扩散运动。反向电流非常小，PN结处于截止(cut-off)状态。☻加反向电压I反向电流IS对温度十分敏感。下页上页首页动画二、二极管的伏安特性阳极从P区引出，阴极从N区引出。1.二极管的类型从材料分：硅二极管和锗二极管。从管子的结构分：对应N区对应P区点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。开关型二极管，在数字电路中作为开关管。二极管的符号阳极anode阴极cathode下页上页首页302010I/mAUD/V0.51.01.5201024-I/μАO正向特性死区电压IsUBR反向特性+-UDI2.二极管的伏安特性下页上页首页动画当正向电压超过死区电压后，二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。硅二极管为0.7V左右锗二极管为0.2V左右死区电压正向特性0.51.01.5102030U/VI/mAO二极管正向特性曲线硅二极管为0.5V左右锗二极管为0.1V左右死区电压：导通压降：♥正向特性下页上页首页反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电压超过UBR则被击穿。IS反向特性UBR结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：反向饱和电流反向击穿电压若|U|UT则I≈-IS式中：IS为反向饱和电流UT是温度电压当量，常温下UT近似为26mV。♥反向特性)1(TSUUeII24-I/μAI/mAU/V2010O若UUT则TSUUeII下页上页首页三、二极管的主要参数♥最大整流电流IF指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。♥最高反向工作电压UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR。下页上页首页室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。IR受温度的影响很大。♥最高工作频率fM值主要决定于结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。下页上页♥反向电流IR首页二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。♥势垒电容Cb由PN结的空间电荷区形成，又称结电容，反向偏置时起主要作用。♥扩散电容Cd由多数载流子在扩散过程中的积累引起，正向偏置时起主要作用。下页上页首页4二极管基本电路及其分析方法4.1二极管正向V-特性的建模1.理想模型在正向偏置时，其管压降为0V;而在反向偏置时，认为电阻无穷大。iDVDiDvD2.恒压降模型二极管导通后,其管压降认为是恒定的,且不随电流而变化,典型值是0.7V。不过，这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才是正确的。DivDiDVD3.折线模型二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加。Vth约为0.5V,其中，Vth和rD的值不是固定不变的。(见例题)20015.07.0mArDDivDiDVDrDthv2.4.2模型分析法1.限幅电路在电子技术中，常用限幅电路对各种信号进行处理。它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。（见例题）2.开关电路在开关电路中，利用二极管的单向导电性以接通或断开电路。在分析这种电路时，应掌握一条基本原则，即判断电路中二极管处于导通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，然后观察（或经过计算）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，否则二极管截止。（见例题）3.低电压稳压电路稳压电源是电子电路中常见的组成部分。利用二极管正向压降基本恒定的特点，可以构成低电压稳压电路。（见例题）1–4-3利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限幅及电平选择等功能。一、把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图1–17(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)，uo=0。其输入、输出波形见图1–17(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。ttuo0ui0(b)Vui＋－uo＋－RL(a)图1–17(a)电路；(b)输入、输出波形关系二、限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。tVui＋－uo＋－R(a)E2Vui/V0(b)5－5tuo/V0－52.7一个简单的上限幅电路如图1–19(a)所示。当ui≥E+UD(on)=2.7V时，V导通，uo=2.7V，即将ui的最大电压限制在2.7V上；当ui2.7V时，V截止，二极管支路开路，uo=ui。图1–19(b)画出了输入一5V的正弦波时，该电路的输出波形。将输入信号中高出2.7V的部分削平了。1–5–1稳压二极管(齐纳二极管)特殊工艺制造，杂质浓度比较大。稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限幅电路之外，主要用于稳压电路。一、稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图1–21所示。由图可见，它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压几乎不变。1–5其它二极管简介(a)ui0IZminIZmaxUZ(b)图1-21稳压二极管及其特性曲线（a)电路符号（b)伏安特性曲线稳压管特点：1、PN结易击穿，其击穿电压比普通二极管击穿电压低很多；2、PN结面积大，散热条件好，使反向击穿在较大范围内是可逆的。稳压管特性：当稳压管处于正向偏置时，其特性和普通二极管特性相同。当稳压管处于反向偏置时，（1）如果电压较小，（＜UZ）则处于截止状态，电流近似为0；（2）如果电压达到击穿电压值（UZ），电流迅速增大，稳压管处于稳压状态。这表明，稳压二极管反向击穿后，能通过调整自身电流实现稳压。稳压二极管击穿后，电流急剧增大，使管耗相应增大。因此必须对击穿后的电流加以限制，以保证稳压二极管的安全。VZUi＋－Uo＋－RRLILIZ图1–22稳压二极管稳压电路二、1.稳定电压UZUZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。由于制作工艺的原因，即使同型号的稳压二极管，UZ的分散性也较大。使用时可通过测量确定其准确值。2额定功耗PZPZ是由管子结温限制所限定的参数。PZ与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过此值。3稳压电流IZIZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压效果差，大于此值时，稳压效果好。稳定电流的最大值IZ