模电课件 CH03二极管基本电路

3.1半导体的基本知识3.3半导体二极管3.4二极管基本电路及其分析方法3.5特殊二极管3.2PN结的形成及特性3.1半导体的基本知识3.1.1半导体材料3.1.2半导体的共价键结构3.1.3本征半导体3.1.4杂质半导体3.1.1半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电能力随温度、光照和掺杂等因素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。3.1.2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+4带一个单位负电荷的价电子最外层轨道带四个单位正电荷的原子核部分+14+32硅原子简化模型锗原子图4.1.1硅和锗的原子模型(b)(c)(a)3.1.3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晶体形态。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。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。由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴－电子对3.1.4杂质半导体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。掺入了杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。1.N型半导体3.1.4杂质半导体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束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,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正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。2.P型半导体3.1.4杂质半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。3.杂质对半导体导电性的影响3.1.4杂质半导体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•本征半导体、杂质半导体本节中的有关概念•自由电子、空穴•N型半导体、P型半导体•多数载流子、少数载流子•施主杂质、受主杂质end3.2PN结的形成及特性3.2.2PN结的形成3.2.3PN结的单向导电性3.2.4PN结的反向击穿3.2.5PN结的电容效应3.2.1载流子的漂移与扩散3.2.1载流子的漂移与扩散漂移运动：在电场作用引起的载流子的运动。扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动。漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强度。扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。3.2.2PN结的形成3.2.2PN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。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: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由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，所以也称耗尽区。电子从N区到P区必须越过空间电荷区产生的能量高坡，也称为势垒区。非对称PN结：在掺杂浓度不对称的PN结中，耗尽区在掺杂浓度大的一边延伸较小，而在掺杂浓度小的一边延伸较大。耗尽区耗尽区++++++++++++++++(a)(b)++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++P区N区P区N区图4.2.2掺杂浓度不对称的PN结(a)P+N结；(b)PN+结3.2.3PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时•低电阻•大的正向扩散电流3.2.3PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向电压时•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结加正向电压时导通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－外电场P区N区多子空穴多子电子V空间电荷区内电场扩散运动R－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－内电场外电场P区N区多子空穴多子电子VF变薄RPN结加正向电压时导通PN结加正向电压时导通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++变薄＋－内电场外电场P区N区多子空穴多子电子IFVF正向电流I：扩散电流RPN结加正向电压时导通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++变薄＋－内电场外电场P区N区IFVFI：扩散电流内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流I。小结RPN结加正向电压时导通内外电场方向相反，故势垒降低，有利于扩散运动的进行。PN结加反向电压时截止－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++空间电荷区＋－内电场外电场P区N区少子电子少子空穴V漂移运动2.外加反向电压PN结加反向电压时截止－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－内电场外电场P区N区V变厚IRI：漂移电流反向电流温度一定时，反向电流IR趋于恒定值，称为反向饱和电流IS。PN结加反向电压时截止－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－内电场外电场P区N区V变厚IRI：漂移电流小结内电场被加强，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IR。PN结加反向电压时截止内外电场方向相同，故势垒升高，有利于漂移运动的进行。归纳：PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。在于它的耗尽区的存在，且其宽度可由外加电压改变。关键这就是PN结的单向导电性。3.2.3PN结的单向导电性(3)PN结V-I特性表达式其中PN结的伏安特性)1e(/SDDTVIivIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTVTmV263.PN结V-I特性的表达式【可参见教材P64图3.2.4】i/mAUBRu/Vi=-IS)1(TDVvSDeIi＋－＋－式中：iD:通过PN结的电流；vD:PN结两端的外加电压；VT:温度的电压当量，在常温(300K)下，VT≈26mV（※）；IS:反向饱和电流IFIR(μA)当加正向电压时：u为正值，表达式等效成：TUuSIei当加反向电压时：u为负值，表达式等效成：SIi常数指数关系i/mAUBRu/Vi=-IS)1(TUuSeIi＋－＋－IFIR(μA)3.PN结V-I特性的表达式i/mAUBRu/Vi=-IS)1(TUuSeIi＋－＋－IFIR(μA)PN结的反向击穿：反向击穿电压反向击穿电击穿热击穿雪崩击穿齐纳击穿可逆不可逆3.2.4PN结的反向击穿3.2.5PN结的电容效应(1)扩散电容CD扩散电容示意图3.2.5PN结的电容效应(2)势垒电容CBend3.3半导体二极管3.3.1半导体二极管的结构3.3.2二极管的伏安特性3.3.3二极管的主要参数3.3.1半导体二极管的结构在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。（a）面接触型（b）集成电路中的平面型（c）代表符号(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型3.3.2二极管的伏安特性二极管的伏安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3.3.2二极管的V-I特性UthUBRuD/ViD/mAiD/μA硅管约为0.5V锗管约为0.1V它的大小与二极管的材料及温度等因素有关。几点说明：①关于死区电压开启电压（或称死区电压）（或称门槛电压）Uon3.3.2二极管的V-I特性UthUBRuD/ViD/mAiD/μA硅管约为0.7V锗管约为0.2V它的大小与二极管的材料有关。几点说明：①关于死区电压二极管的正向导通管压降Uon②正向导通压降3.3.2二极管的V-I特性UthUBRuD/ViD/mAiD/μA几点说明：①关于死区电压Uon2②正向导通压降③与温度的关系在环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。二极管的特性对温度很敏感。Uon1IDIS1IS23.3.3二极管的主要参数(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)极间电容CJ（CB、CD）end1.IF：最大整流电流3.3.3二极管的主要参数指二极管长期运行时，允许通过的最大正向导通电流平均值。指管子未击穿时的反向电流。其值愈小，则管子的单向导电性愈好。温度对它影响很大，使用时应注意。2.IR：反向电流3.3.3二极管的主要参数4.极间电容Cd（1）势垒电容CB（2）扩散电容CD低频或中频信号时二极管极间电容作用不予考虑；高频信号时才考虑作用。3.URM：最高反向工作电压指管子反向击穿时的电压值。一般手册上给出的最大反向工作电压约为UBR的一半。3.4二极管基本电路及其分析方法3.4.1简单二极管电路的图解分析方法3.4.2二极管电路的简化模型分析方法3.4.1简单二极管电路的图解分析方法二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线。例3.4.1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。解：由电路的KVL方程，可得RViDDDDvDDDD11VRRiv即是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。)1e(DSDTVIiv（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符号（c）正向偏置时的电路模型（d）反向偏置时的电路模型3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（2）恒压降模型（a）V-I特性（b）电路模型（3）折线模型（a）V-I特性（b）电路模型3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（4）小信号模型vs=0时,Q点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。)(11sDDDDvvVRRivs=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