21二极管

2.1二极管2.1.1半导体的基本知识2.1.2PN结的形成及单向导电性2.1.3二极管结构及特性2.1.5二极管的应用电路2.1.4二极管的等效模型一、半导体材料半导体的特点：根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。常用材料的半导体有硅Si和锗Ge等。热敏性：导电能力在外界热的刺激时发生很大变化2.1.1半导体的基本知识光敏性：导电能力在光照强度不同时发生很大变化掺杂性：掺进微量杂质，导电性能显著增加原子按一定规律排列，形成晶体点阵后：二、半导体的共价键结构用得最多的半导体材料是硅（Si)和锗（Ge)，它们都是四价元素，简化原子结构为：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键三、本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体——完全纯净的、结构完整的半导体晶体。载流子——可以自由移动的带电粒子电导率——与材料单位体积中载流子数有关，载流子浓度越高，电导率越高T＝0K（K=-273oC)时，本征半导体的价电子被共价键束缚，无载流子，不导电，相当于绝缘体。T＝300K（室温)或有外界刺激时，本征半导体的价电子获得足够能量挣脱共价键的束缚，成为自由电子——本征激发+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4电子空穴对自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，这个空位为空穴。自由电子因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。本征激发或热激发动画1-1空穴动画1-2所以晶体中的载流子有两种：自由电子、空穴空穴是带正电的粒子，与电子的电量相等符号相反。本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，任何时刻浓度相等，ni=Pi，只与温度有关。复合——自由电子可以与空穴复合形成新的填充的共价键温度一定时，载流子的复合率等于产生率——动态平衡问题提出四、杂质半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+41.N型半导体（电子型半导体）在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑)失去电子成为稳定的正离子+5易成为自由电子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价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。1.空穴数=本征激发的空穴数2.所掺杂质称为施主杂质（或N型杂质、施主原子)3.自由电子浓度（n）=本征激发的自由电子浓度（p)+施主杂质自由电子浓度（ND）4.自由电子为多数载流子（多子）；空穴为少数载流子(少子）5.在无外电场时，呈电中性N型半导体的特点+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+32.P型半导体（空穴型半导体）在本征半导体中掺入三价的元素（硼）得到电子成为不能移动的负离子硅或锗原子的共价键缺少一个电子形成了空穴1.电子数=本征激发电子数；2.所掺杂质称为受主杂质（或P型杂质、受主原子）；3.总空穴浓度（p)=本征激发的空穴浓度（n)+受主杂质的浓度（NA）；4.空穴为多数载流子（多子），电子为少数载流子(少子）；5.在无外电场时，呈电中性P型半导体的特点例：纯净硅，室温下，ni=Pi=1010/cm3数量级硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级掺入百万分之一（10-6）的杂质，即杂质浓度为：1022×10－6＝1016/cm3若每个杂质给出一个载流子，则掺杂后的载流子浓度为：1016＋10101016/cm3数量级比掺杂前增加106倍，即一百万倍！！掺入微量杂质，导电能力将很大提高一、PN结的形成在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。+五价的元素-三价的元素产生多余电子产生多余空穴2.1.2PN结及单向导电性动画1-3PN结的形成因浓度差空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区PN结中的两种运动漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。PN结的几种叫法：留下的是不能运动的离子——空间电荷区。多子都扩散到对方被复合掉了——耗尽层。形成的内电场阻止扩散运动——阻挡层。形成的内电场具有电位梯度，称接触电位差（很小）——势垒区。二、PN结的单向导电性1.PN结加正向电压——正偏置动画动画1-4形成正向电流多子向PN结移动空间电荷变窄内电场减弱扩散运动大于漂移运动PN结在外加正向电压时的情况外加电场与内电场方向相反，削减内电场的作用外加电压变化一点，势垒（电流）变化很多•低电阻特性•大的正向扩散电流PN结正偏时的势垒情况2.PN结加反向电压——反偏置动画1-5形成反向电流多子背离PN结移动空间电荷区变宽,内电场增强漂移运动大于扩散运动PN结的外加反向电压时的情况外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用•高电阻•很小的反向漂移电流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，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。PN结反偏时的势垒情况PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。这个结论大家要牢记哦！！！三、PN结伏安特性的表达式PN结V-I特性表达式iD——PN结电流)1e(/SDDTnVIivIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量在常温下（T=300K）V026.0qkTVTmV26n——发射系数，与PN结尺寸、材料等有关，1－2，一般取1vD——PN结外加电压②当二极管的PN结两端加反向电压时，VD为负值，VD比VT大几倍，。SDVnVIieTD,0/)1e(/SDDTnVIiv①当二极管的PN结两端加正向电压时，VD为正值，VD比VT大几倍，，iD与VD成指数关系。,1/TDVVeTnVIi/SDDevPN结的反向击穿当外加的反向电压大于一定的数值（VBR：击穿电压）时，反向电流急剧增加，称为击穿。在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1)点接触型二极管(a)点接触型二极管的结构示意图PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。2.1.3二极管结构及特性（a）面接触型（b）集成电路中的平面型(2)面接触型二极管PN结面积大，用于低频、大电流整流电路。无论是点接触型、面接触型二极管，电路符号皆为：半导体二极管实物二极管的V-I特性二极管的V-I特性曲线可用下式表示)1e(/SDDTVIiv锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管2CP10的V-I特性硅管的Vth=0.5V左右锗管的Vth=0.1V左右当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称死区电压或开启电压。1.正向特性-分为两段：当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。返回Si管与Ge管V-I特性的差异硅管正向导通压降约为0.7V锗管正向导通压降约为0.2V反向区也分两个区域：当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。2.反向特性返回反向饱和电流：硅管为纳安（10－9）级锗管为微安（10－6）级管子反向击穿时的电压值。管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR(3)反向电流IR二极管未击穿时的反向电流。IR越小，管子的单向导电性越好。特性：IR与温度有关，T二极管的主要参数表2.1.1IR2.1.4二极管电路的等效模型1.二极管V-I特性的建模（1）理想模型正偏时：管压降为0，电阻也为0。反偏时：电流为0，电阻为∞。又称开关模型（2）恒压降模型（iD≥1mA时）0.7V硅管0.2V锗管正偏时：Dv反偏时:0Di放大电路多用此模型（3）折线模型20015.07.0mAVViVVrDthDDVVth5.0（硅二极管）折线段：DDthDriVvDi2005.0正偏时：反偏时:0DimAID1VVD7.0tg例1二极管加正向电压V0DVmA1/DDDRVI1.理想模型R=10kVDD=10V，mA93.0/)(DDDDRVVI2.恒压模型V7.0DV（硅二极管典型值）3.折线模型V5.0thV（硅二极管典型值）mA931.0DthDDDrRVVIk2.0DrV69.0DDthDrIVV二极管正偏置，形成直流电流——静态，（VD，ID）为静态工作点Q（与例3.4.1比较）（4）小信号模型此电路可以看成静态（直流通路）＋动态（交流通路）：vs=Vmsint时（VmVDD）,将Q点附近小范围内的V-I特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。二极管等效成一个微变电阻DDdirv即)1e(/SDDTVIiv根据得Q点处的微变电导QigDDdddvQVTTVI/SDevTVIDdd1gr则DIVT常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrTQTViD特别注意：小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vDVT。例：图示电路中，VDD=10V，R=10k，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sintV。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。此电路可以看成静态（直流通路）＋动态（交流通路）：)(sin0997.0VtvrRRvsdo动态：2893.026mAmVrd静态：mA93.0/)(DDDDRVVIV7.0DVVRIVDo3.9所以：)(sin0997.03.9VtvVvoOO注意1：二极管电路的求解实际上使用了叠加定理)(sin0997.03.9VtvVvoOO实际上二极管电路是非线性电路，叠加定理是不成立的——微变范围，折线代替了曲线——工程近似。注意2：电量的大小写有严格含义——大写表示直流量，小写表示交流量，电量小写、下标大写表示混合量。1)整流电路2.1.5二极管基本电路2)限幅电路电路如图，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sintV时，绘出相应的输出电压vO的波形。解：（1）理想模型（2）恒压降模型如何判断二极管在电路中是导通的还是截止的先假设二极管两端断开，确定二极管两端的电位差；若电路出现两个或两个以上二极管，应先判断承受正向电压较大的管子优先导通，再按照上述方法判断其余的管子是否导通。根据二极管两端加的是正电压还是反电压判定二极管是否导通，若为正电压且大于阈值电压，则管子导通，否则截止；解：将二极管两端断开123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:12-Aug-2003SheetofFile:E:\long\T_MD\T_MD_P202.schDrawnBy:1kΩ5V5VDD－O－(b)O＋V10V(a)10V＋V1kΩ121kΩD5VV＋D－3V(c)O1kΩ5VD－O(d)3V＋VD21BA5,10ABVVVV(5)(10)5ABthVVV所以二极管导通3)开关电路导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-5V。解：将二极管两端断开12532,734BABAVVVV二极管D2导通后：所以二极管D2先导通1572BAVV－所以二极管D1最终截止截止解：V1151401010AVV5.3152555101822BV断开二极管D：判别二极管是导通还是截止。