电子技术基础 二极管及其基本电路 课件

2半导体二极管及其基本电路2.1半导体的基本知识2.3半导体二极管2.4二极管基本电路及其分析方法2.5特殊二极管2.2PN结的形成及特性2教学内容：本章首先简单介绍半导体的基本知识，着重讨论半导体器件的核心环节--PN结，并重点讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用；在此基础上对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给予了简要的介绍。3教学要求：本章需要重点掌握二极管模型及其电路分析，特别要注意器件模型的使用范围和条件。对于半导体器件，主要着眼于在电路中的使用，关于器件内部的物理过程只要求有一定的了解。42.1半导体的基本知识2.1.1半导体材料2.1.2半导体的共价键结构2.1.3本征半导体2.1.4杂质半导体半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。导电的重要特点1、其能力容易受环境因素影响（温度、光照等）2、掺杂可以显著提高导电能力5+4+4+4+4+4+4+4+4+4+42.1.2半导体的共价键结构原子结构简化模型—完全纯净、结构完整的半导体晶体。2.1.3本征半导体在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电两个价电子的共价键正离子核62.1.3本征半导体、空穴及其导电作用+4+4+4+4+4+4+4+4+4温度光照自由电子空穴本征激发空穴——共价键中的空位空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。由热激发或光照而产生自由电子和空穴对。温度载流子浓度＋7*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度↑→载流子浓度↑→导电能力↑2.1.4杂质半导体N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）自由电子＝多子空穴＝少子空穴＝多子自由电子＝少子由热激发形成它主要由杂质原子提供空间电荷9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:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm33以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3杂质对半导体导电性的影响10•本征半导体、本征激发本节中的有关概念自由电子空穴N型半导体、施主杂质(5价)P型半导体、受主杂质(3价)•多数载流子、少数载流子•杂质半导体复合*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度↑→载流子浓度↑→导电能力↑*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力112.2PN结的形成及特性2.2.1PN结的形成2.2.2PN结的单向导电性*2.2.3PN结的反向击穿2.2.4PN结的电容效应122.2.1PN结的形成1.浓度差多子的扩散运动2.扩散空间电荷区内电场3.内电场少子的漂移运动阻止多子的扩散4、扩散与漂移达到动态平衡载流子的运动：扩散运动——浓度差产生的载流子移动漂移运动——在电场作用下，载流子的移动P区N区扩散：空穴电子漂移：电子空穴形成过程可分成4步(动画)P型N型内电场13PN结形成的物理过程：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杂质离子形成空间电荷区对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。扩散漂移否是宽142.2.2PN结的单向导电性只有在外加电压时才…扩散与漂移的动态平衡将…定义：加正向电压，简称正偏加反向电压，简称反偏•扩散漂移•大的正向扩散电流（多子）•低电阻正向导通•漂移扩散•很小的反向漂移电流（少子）•高电阻反向截止152.2.2PN结的单向导电性PN结特性描述2、PN结方程iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/V陡峭电阻小正向导通1、PN结的伏安特性特性平坦反向截止一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的非线性其中)1(/SDDTVveIiIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTVTmV26近似估算正向：TVveIi/SDD反向：SDIi162.2.3PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。iDOVBRD热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆172.2.4PN结的电容效应(1)势垒电容CB势垒电容示意图扩散电容示意图(2)扩散电容CD182.3半导体二极管2.3.1半导体二极管的结构2.3.2二极管的伏安特性2.3.3二极管的参数阴极k阳极aPN结加上引线和封装二极管按结构分类点接触型面接触型平面型19半导体二极管图片阴极引线阳极引线PNP型支持衬底点接触型面接触型平面型20半导体二极管图片2122232.3.2二极管的伏安特性3.PN结方程（近似）)1(/SDDTVveIi0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的V-I特性0D/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA②①③VthVBR锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）注意1.死区电压（门坎电压）2.反向饱和电流硅：0.1A；锗：10A242.3.3二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)极间电容CB0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR硅二极管2CP10的V-I特性252.4二极管基本电路及其分析方法2.4.1二极管V-I特性的建模2.4.2模型分析法应用举例4、应用电路分析举例2、二极管状态判断1、二极管电路的分析概述3、等效电路（模型）分析法讲课思路：261、二极管电路的分析概述应用电路举例DvORiDvI+iDvORvI+vO+DVREF+Rvi例2.4.2（习题2.4.12）习题2.4.5整流限幅习题2.4.6初步分析——依据二极管的单向导电性D导通：vO=vI-vDD截止：vO=0D导通：vO=vDD截止：vO=vI左图中图显然，vO与vI的关系由D的状态决定而且，D处于反向截止时最简单！27分析思路分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。首先，判断D的状态？若D反向截止，则相当于开路（iD0，ROFF∞）；若D正向导通，则？正向导通分析方法：图解法等效电路（模型）法——将非线性线性先静态（直流），后动态（交流）静态：vI=0（正弦波过0点）动态：vI01、二极管电路的分析概述282、二极管状态判断例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。+IDVDR=10kVI+10V+IDVDR=10kVI+10V+IDVDR=1kVI+20V+IDVDR=10kVI+100V(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iDIF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向击穿iD=？vD=？二极管状态判断方法假设D截止(开路)，求D两端开路电压普通：热击穿－损坏齐纳：电击穿VD=-VBR=-40VVD0VD正向导通？-VBRVD0VD反向截止,ID=0VD-VBRD反向击穿,VD=-VBRD正向导通？D正向导通！29习题2.4.4试判断图题2.4.4中二极管导通还是截止，为什么?图题2.4.4(a)例2:习题2.4.3电路如下图所示，判断D的状态2、二极管状态判断D3k(a)VVAO303、等效电路（模型）分析法（2.4.1二极管V-I特性的建模）(1)理想模型(3)折线模型(2)恒压降模型VD=0.7V（硅）VD=0.2V（锗）Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）313、等效电路（模型）分析法(4)小信号模型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为:DDdivr微变电阻根据得Q点处的微变电导)1(/SDDTVveIiQVvTQTeVIdvdir/SDDdD1TQTQVvTVIVieVITDD/S)1(D)mA()mV(26DDdIIVrT常温下（T=300K）324、应用电路分析举例例2.4.1求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V时（b）VDD=1V时+DiDVDD+DiDVDDVD+DiDVDDrDVthVDDmA1/DDDRVIV0DV理想模型mA93.0/)(DDDDRVVI恒压模型V7.0DV折线模型V5.0thVk2.0DrmA931.0DthDDDrRVVIV69.0DDthDrIVVV0DV理想模型恒压模型V7.0DVmA1.0/DDDRVImA03.0/)(DDDDRVVImA049.0DthDDDrRVVIV51.0DDthDrIVV折线模型V5.0thVk2.0Dr33二极管应用举例uiuoOOtt(b)22DuiuoRL(a)++--（1）二极管整流电路34（2）二极管限幅电路t+RDE2Vuiuo++(a)05ui/V523)(bt02.7uo/V5232.735D1钳位作用D2隔离作用(3)开关电路D3.4V0.3V1D23.9k-12VABY36例2.4.3一二极管开关电路如图所示。当V1和V2为0V或5V时，求V1和V2的值不同组合情况下，输出电压0的值。设二极管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-0037解：(1)当V1=0V,V2=5V时,D1为正向偏置，V0=0V,此时D2的阴极电位为5V，阳极为0V，处于反向偏置，故D2截止。(2)以此类推，将V1和V2的其余三种组合及输出电压列于下表：V1V2D1D2V00V0V导通导通0V0V5V导通截止0V5V0V截止导通0V5V5V截止截止5V38由上表可见，在输入电压V1和V2中，只要有一个为0V，则输出为0V;只有当两输入电压均为5V时，输出才为5V，这种关系在数字电路中称为“与”逻辑。注意：即判断电路中的二极管处于导通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，然后观察阴、阳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。39（4）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。40例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流电源电压V的正常值为10V，R=10k,当V变化±1V时，问相应的硅二极管电压(输出电压)的变化如何？RDDvVoVIVIRDvDVIi=I+Δiv=V+ΔvDDDDDDRrDvDVIΔID41解：(1)当V的正常值为10V时，利用二极管恒压降模型有VD≈0.7V，由此可得二极管的电流为此电流值可证实二极管的管压降为0.7V的假设。(2)在此Q点上，mAkVVD93.0107.0102893.026mAmVVrDTd42(3)按题意，V有±1V的波动，它可视为峰-峰值为2V的交流信号，该信号作用于由R和rd组成得分压器上。显然，相应的二极管的信号电压可按分压比来计算，即Vd(峰-峰值)由此可知，二极管电压Vd的变化为±2.79mV。mVVrRrVdd58