电子器件与电子电路基础1篇1章课件

第一篇电子器件与电子电路基础第一章半导体二极管及其电路分析1.1.1二极管的结构、特性与参数电路符号空心三角形箭头表示实际电流方向：电流从P流向N。一、二极管的结构与类型（P）（N）二极管由一个PN结，加相应的电极引线和管壳封装而成。半导体的导电特性1.本征半导体PN结的机理与特性(p.597附录A)导电性能介于导体（如铜、铁等）与绝缘体（如石头、木头）之间；主要有：Si（硅）Ge（锗）GaAs（砷化镓）；影响半导体的导电性能：温度、纯度。纯净的半导体称为本征半导体。以硅(Si)为例：最外层有4个电子，受原子核的束缚力最小，称为价电子。导电性能与价电子有关。硅原子结构简化模型(+4)表示原子核和内层电子所组成的惯性核的电荷。硅制成单晶后，原子按一定规律整齐排列。价电子受相邻原子核的作用，形成共价键。共价键中的价电子获得足够的能量时（温度或光照）挣脱共价键的束缚，成为自由电子。同时，在共价键中留下空位，称为空穴。自由电子和空穴总是成对出现，称为电子空穴对。电子空穴对的产生称为本征激发（热激发）。在本征硅中，自由电子作为携带负电荷的载流子参加导电。空穴也可以看成是携带正电荷的载流子。出现空穴后，共价键中的价电子就较易填补到这个空位上，过程的持续进行，相当于空穴在晶体中移动。在本征激发的同时，自由电子受原子核的吸引还可能重新回到共价键中，称为复合。在一定温度下，电子空穴对的热激发与复合达到动态平衡，电子空穴对维持一定的浓度。导电能力由电子空穴对的浓度决定。常温下，本征硅中自由电子的浓度或空穴的浓度为硅原子浓度的3万亿分之一。所以本征硅的导电能力是很弱的。2.杂质半导体为了提高半导体的导电能力，掺入某些微量的元素作为杂质，称为杂质半导体。(1)N型半导体掺入磷、砷等五价元素。多余的价电子成为自由电子，且浓度远远超过电子空穴对。自由电子为多子；空穴为少子。(2)P型半导体掺入硼、镓等三价元素。空穴为多子；自由电子为少子。这种半导体以空穴导电为主，称为P型半导体。杂质半导体中，多子浓度由杂质的含量决定，少子的浓度主要由温度决定。3.半导体中载流子的运动漂移运动扩散运动在电场作用下的定向运动。自由电子与空穴产生的电流方向一致。载流子由浓度高的区域向浓度低的区域扩散。PN结的形成在N型半导体的基片上，采用平面扩散法等工艺，掺入三价元素，使之形成P型区，则在P区和N区之间的交界面处将形成一个很薄的空间电荷层，称为PN结。PN结的典型厚度为0.5m。P区空穴(多子)向N区扩散，留下不能移动的负离子；N区电子(多子)向P区扩散，留下不能移动的正离子；正负离子形成空间电荷层。内电场是多子的扩散运动引起的。内电场的影响：•阻碍多子的扩散运动•促进少子的漂移运动多子扩散运动使PN结变厚少子漂移运动使PN结变薄没有外加电压时，多子扩散电流与少子漂移电流达到动态平衡。[名称]：空间电荷层、势垒区、阻挡层、高阻区阻挡层：强调对多子扩散运动的阻挡作用耗尽层：强调PN结内的载流子浓度减到最小PN结的单向导电性•正偏：P(＋)N(－)外加电场与PN结内电场方向相反N区电子进入空间电荷层，使PN结厚度变薄。多子的扩散电流大大增加少子的漂移电流远远小于扩散电流正向电流近似为多子的扩散电流•反偏：P(－)N(＋)外加电场与内电场方向一致P区电子（少子）进入空间电荷层，使PN结厚度变厚。多子的扩散电流大大减小少子的漂移电流占优势反向电流近似为少子的漂移电流少子浓度很小，因此反向电流远远小于正向电流；少子浓度与外加电压无关，故称反向饱和电流。PN结的正向伏安特性：正偏时PN结导通，电流由外加电压和限流电阻决定。PN结的反向伏安特性：反偏时PN结的电流很小，称为截止。PN结的反向击穿特性PN结的温度特性PN结的电容效应二极管的特性与PN结相似，参见二极管一节二极管分类点接触型面结合型平面型结面积结电容应用点接触型小小较高频率，检波、混频平结合型较大大工频或低频，大电流整流较大较大大功率整流平面型较小较小脉冲数字电路二、二极管的特性与参数1.伏安特性)1(TVvSeIiIS：反向饱和电流VT：电压当量，室温下VT26mVDEOA：死区开启电压：VthAB：近似指数规律BC：近似恒压源导通电压：VonOD：近似恒流源DE：反向击穿特性击穿电压：V(BR)反向电流：IR硅二极管与锗二极管的比较硅二极管锗二极管开启电压Vth0.5V0.1V导通电压Von0.6~0.8V(取0.7V)0.2~0.3V(取0.3V)反向电流IR较小(nA级)较大(μA级)击穿电压VBR较大较小硅2CP6锗2AP15击穿特性当外加反向电压超过击穿电压时，反向电流急剧增大，称为反向击穿。齐纳击穿：雪崩击穿：外加电场将价电子直接从共价键中拉出来，使电子空穴对增多，电流增大当电场足够强时，载流子的漂移运动被加速，将中性原子中的价电子“撞”出来，产生新的电子空穴对。形成连锁反应，使电流剧增。齐纳击穿多发生在高掺杂的PN结中雪崩击穿多发生在低掺杂的PN结中4V以下为齐纳击穿7V以上为雪崩击穿4~7V可同时存在温度特性温度升高时,反向饱和电流增大,正向电流也增大。PN结正向电压具有负温度系数。温度升高10℃，IS约增加1倍，电压减小25mV。2.二极管的电容效应PN结电压变化将引起结区及结外侧载流子数量(电荷量)的变化，这一效应可用结电容Cj来模拟。DBjCCCCB(垫垒电容)：PN结外加电压增大，空间电荷层变窄。所以，垫垒区的电荷量随电压变化而变化。BarrierDiffusionCD(扩散电容)：PN结外侧非平衡载流子有一浓度分布曲线，当外加电压增大，浓度分布曲线变化相当于电荷量变化。非线性几十pF正偏时以垫垒电容为主反偏时以扩散电容为主3.二极管的主要参数最大整流电流IF是二极管长期运行时允许通过的最大半波整流电流平均值。整流电流超过此值时，二极管将被烧坏。反向击穿电压V(BR)当反向电压超过V(BR)时，反向电流剧增，二极管的单向导电性能被破坏，甚至引起二极管损坏。反向电流IR反向电流越小，管子的单向导电性越好。1.1.2二极管基本应用电路分析举例一、二极管模型对二极管的非线性进行线性化处理。大信号模型理想二极管模型恒压降模型当二极管在某一工作点附近电压或电流变化时的模型称为小信号模型。rd称为动态电阻（微变等效电阻）rd的数值与静态工作点(Q点)有关小信号模型tan1Qdivr二、二极管基本应用电路分析举例半波整流整流电路tVvsin222222T02)(45.0222sin21VVdttVTvAVO2RM2VV反向峰值电压全波整流tVvvsin222221|sin2|2tVvO2202)(9.022sin21VVdttVvAVO2RM22VV限幅电路|vi|＜0.7V，D1、D2截止，vo=vivi＞0.7V，D1导通，vo=0.7V上限幅vi＜-0.7V，D2导通，vo=-0.7V下限幅数字电路中，输入只有2种状态：要么是高电平(+3V)，要么是低电平(0V)。VAVBDADBVO0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V3.7V3V3V0.7V导通导通导通导通导通导通截止截止LLHLHLHHHLLL真值表001010111000VAVBVO输入VA“与”VB都有效(高电平)时，输出VO才有效(高电平)，称为“与”逻辑。“与”门电路低压稳压电路VO＝2VD1.4V当由于某种原因（如电网波动、负载变化）引起VI变化时，VO也将变化。分析VO的变化情况需要用微变等效电路。微变等效电路IdIddOVRrVrRrV222【例1.1.1】在低压稳压电路中，设VI＝12V，R＝5.1k。若VI变化（10%），问输出电压VO变化多少？IdIddOVRrVrRrV222解：应先求rd：)1(TVvSeIididvrdtan1QdivrTVvTSVieVIdvdiT应先求i＝ID在分析小信号性能时，应先求电路的静态工作点，然后计算小信号模型参数，最后求得电路的小信号性能指标。DTdiVr在低压稳压电路中，设VI＝12V，R＝5.1k。若VI变化（10%），问输出电压VO变化多少？解：VO＝1.4VmA08.21.54.112RVVIOID5.1208.226DTdiVrmV88.5)2.1(101.55.1222223IdIddOVRrVrRrV1.1.3特种二极管利用反向击穿特性稳压范围从1V到几百伏一、稳压二极管主要参数：•稳定电压VZ•动态电阻rzZZzIVrrz愈小，则击穿特性愈陡，稳压特性愈好。•最大允许耗散功率PZM•最大稳定电流IZ(max)ZZMZVPI(max)•最小稳定电流IZ(min)反向击穿区起始电流【例1.1.2】设计一个硅稳压管稳压电路，要求输出电压VO＝6V，最大负载电流为20mA，设外加输入电压VI为+12V。解：电路结构如图所示。选用2CW14，其稳定电压VZ＝6V，稳定电流为10mA，最大稳定电流为33mA。200k02.0k01.0V6V12(max)LZOIIIVVRR选标称值为200的电阻。33mAmA30(max)RVVIOIZ二、发光二极管电致发光器件，将电信号转换成光信号。通常由磷砷化镓（GaAsP)、磷化镓（GaP)制成光的波长（颜色）与材料有关正偏导通时发光发光二极管的开启电压和正向导通电压比普通二极管大，正向电压一般为1.3~2.4V。亮度与正向电流成正比，一般需要几个毫安以上。三、光电二极管正常工作在反偏状态。无光照时，只有很小的反向饱和电流，称为暗电流；有光照时，PN结受光激发，产生大量电子空穴对，形成较大的光电流。通常由硅材料制成，管壳有接收光照的透镜窗口。光电二极管的电流与照度成正比，用于信号检测、光电传感器、电机转速测量等。四、变容二极管反向偏置时，PN结的等效电阻很大，等效电容与所加反向电压的大小有关。变容二极管的电容很小，一般为pF数量级，通常用于高频电路，如电视机高频头中的压控可变电容器。五、肖特基二极管主要特点是导通电压较低(0.4V左右)，导通时存储的非平衡载流子数量少，夹断时间很短，在高速数字电路中获得很好的应用。