电子技术(模拟部分)刘颖主编-2-二极管及其典型应用

1/511.绪论2.二极管及其典型应用3.晶体三极管及其放大电路4.场效应管及其放大电路5.级联放大电路6.集成运放及其典型应用7.负反馈放大电路8.典型功能电路设计及仿真调试课程主要内容2/51•半导体二极管图片3/51问题：1.二极管具有怎样的物理结构？2.二极管两端的电压和电流符合欧姆定律吗？3.二极管有哪些类型？4.二极管有哪些典型应用？4/512.1二极管特性2.2二极管工作原理2.3二极管结构2.4二极管典型应用电路2.5二极管主要参数2.6常用二极管器件介绍第二章晶体二极管及应用电路5/512.1二极管特性一、二极管符号及其特性二、二极管的模型6/51一、二极管符号及其特性阴极阳极+-U(BR)（b)二极管的特性曲线(a)二极管符号iDuDiDuD反向偏置区正向偏置区反向击穿区Uon1．正向特性2．反向特性3.二极管温度特性4.二极管单向导电性7/51阴极阳极+-理想二极管特性曲线理想二极管等效电路iDuDiDuDo1.理想二极管模型特点：(1)正偏时导通，压降为0V；(2)反偏时截止，反向电流为0。应用:(1)电路简化定性分析;(2)大信号时电路的近似分析。+-正极、阳极负极、阴极二、二极管模型8/51+-二极管伏安特性曲线二极管等效电路iDuDiDuDoUonUonuArdDuDi2.折线二极管模型特点：(1)正偏电压Uon时，导通；(2)反偏电压Uon时，截止。应用：工程计算。（Si管Uon≈0.7V，Ge管0.3V)；dDDuri交流等效电阻9/513.二极管交流模型当二极管在正偏情况下，若叠加的交流为低频小信号仍能保持二极管正偏，则可忽略二极管结电容和体电阻，其等效模型就是一个交流电阻rD。（b)二极管特性曲线(a)二极管应用电路uDiDoUonDiDuDIDUDDQU,I+5vDRLiL+uL-rDRLiL+uL-(c)交流等效电路+ui-+ui-10/512.2二极管工作原理一、半导体基础知识二、PN结及其特性11/51一、半导体基础知识什么是半导体？导体:导电率为105s.cm-1，量级，如金属。（S:西门子)绝缘体:导电率为10-22～10-14s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。半导体:半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性半导体元件温度增加使导电率大为增加温度特性热敏元件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光敏元件、光电元件12/51本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体+4晶体特征在晶体中，质点的排列有一定的规律。硅（锗）的原子结构简化模型价电子正离子注意：为了方便，原子结构常用二维结构描述，实际上是三维结构。13/51锗晶体的共价键结构示意图半导体能带结构示意图价带中留下的空位称为空穴导带自由电子定向移动形成电子流本征半导体的原子结构和共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子价带禁带EG外电场E束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流挣脱原子核束缚的电子称为自由电子14/511.本征半导体中有两种载流子—自由电子和空穴它们是成对出现的2.在外电场的作用下，产生电流—电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的；方向与外电场方向相反；自由电子始终在导带内运动。空穴流价电子递补空穴形成的；方向与外电场方向相同；始终在价带内运动。3.注意：本征半导体在热力学零度（0K）和没有外界能量激发下，晶体内无自由电子，不导电。载流子概念：运载电荷的粒子。15/51本征半导体的载流子的浓度电子浓度ni:表示单位体积内的自由电子数空穴浓度pi:表示单位体积内的空穴数。G03/2k2iioETnpATeA0—与材料有关的常数EG0—禁带宽度T—绝对温度k—玻尔曼常数结论1.本征半导体中电子浓度ni=空穴浓度pi2.载流子的浓度与T、EG0有关16/51载流子的产生与复合g——载流子的产生率即每秒成对产生的电子空穴的浓度。R——载流子的复合率即每秒成对复合的电子空穴的浓度。当达到动态平衡时g=RR=rnipi其中r—复合系数，与材料有关。17/51杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高。掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝）等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。掺入的五价元素如P（磷）、砷等，形成N型半导体，也称电子型半导体。18/51N型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入的五价元素，如P。价带导带+++++++施主能级自由电子是多子（即多数载流子）空穴是少子杂质原子提供由热激发形成由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子。19/51P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入的三价元素如B。价带导带-------受主能级自由电子是少子空穴是多子杂质原子提供由热激发形成因留下的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。20/51举例：锗原子密度为4.4×1022/cm3，锗本征半导ni=2.5×1013/cm3，若每104个锗原子中掺入1个磷原子（掺杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3个砷原子。则施主杂质浓度为：ND=4.4×1018/cm3（比ni大一万倍）杂质半导体小结：尽管杂质含量很少（如万分之一），但提供的载流子数量仍远大于本征半导体中载流子的数量。载流子的浓度主要取决于多子（即杂质），故使导电能力激增。半导体的掺杂、温度等可人为控制。杂质半导体的载流子浓度N型半导体：施主杂质的浓度NDn表示总电子的浓度p表示空穴的浓度n=p+ND≈ND（施主杂质的浓度p）P型半导体：NA表示受主杂质的浓度，n表示电子的浓度p表示总空穴的浓度p=n+NA≈NA（受主杂质的浓度n）说明：因掺杂的浓度很小，可近似认为复合系数R保持不变。在一定温度条件下，空穴与电子浓度的乘积为一常数。22/51结论：在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得多，但两者乘积保持不变。其中：ni表示本征材料中电子的浓度pi表示本征材料中空穴的浓度。n·p=ni·pi=ni2=C23/511.PN结的形成2.PN结的单向导电性3.PN结的反向击穿4.PN结电容二、PN结及其特性24/511.PN结的形成P区N区扩散运动载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流内电场内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡耗尽层PN结P区N区空穴自由电子负电荷正电荷25/51内电场阻止多子扩散浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移扩散运动物质从浓度高向浓度低的地方的运动称扩散运动。扩散运动产生扩散电流。漂移运动电场作用下载流子的运动。漂移运动产生漂移电流。动态平衡扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。PN结稳定的空间电荷区，又称高阻区，也称耗尽层。P区N区26/51U内电场的建立，使PN结中产生了电位差，从而形成接触电位U。接触电位U决定于材料及掺杂浓度硅：U=0.6～0.7V锗：U=0.2～0.3V27/512.PN结的单向导电性1）PN结加正向电压时的导电情况原理：外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。外接电源E后，P区的电位高于N区的电位，称为外接正向电压，也称为正向偏置，简称正偏。内外结论：PN结正偏时，呈现低阻性。28/512）PN结加反向电压时的导电情况原理：外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。P区的电位低于N区的电位，称为外接反向电压，也称为反向偏置，简称反偏。内外结论：PN结反偏时，呈现高阻性，近似为截止状态。29/51小结：PN结具有单向导电性。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。问题：有必要加电阻R吗？30/51式中Is(反向)饱和电流;UT=kT/q等效电压k波尔兹曼常数；q为电子的电量；UD为PN结两端的电压；ID为PN结的电流；当T=300k（室温）时，UT=26mv由半导体物理可推出：DTDS(1)UUIIe3）PN结电流方程阳极+-IDUD阴极PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式31/51DTDS(1)UUIIe当加反向电压时：加正向电压时：(UDUT)DTDSUUIIeDSIIPN结电流方程IDUD(UDUBR)反向击穿概念：PN结上所加的反向电压达到某一数值时（UDUBR），反向电流激增的现象。32/51雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。掺杂浓度小的二极管容易发生。齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。掺杂浓度大的二极管容易发生。不可逆击穿热击穿PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。可逆击穿击穿3.PN结击穿33/51势垒电容CB当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容。注意：此时PN结为反偏）4.PN结电容34/51•注意：势垒电容和扩散电容均是非线性电容,并同时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。扩散电容CD外加电压不同情况下，P、N区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效为扩散电容。35/51如果在PN结加正偏电压UD，外电场将消弱内建电场对载流子扩散的阻挡作用。在外加电场满足一定条件下，注入到耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生光增益。EDPN5.PN结的电致发光36/51PN结用导线连接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻挡，在回路中不产生电流。当有光照射PN结材料上时，若光子能量大于半导体的禁带宽度，则在PN结的耗尽区、P区、N区内产生光生的电子-空穴对，耗尽区内的载流子在内建场的作用下电子迅速移向N区，孔穴移向P区，在回路内容形成光电流，而P、N区内产生的光子无内建电场的作用只进行自由的扩散运动，多数因复合而消失，对光电流基本没有贡献。DEDDRLUDIP注意：为了充分利用在PN结各区内产生的光生载流子，PN结需加适当的反向偏压。6.PN结的光电效应37/51一、二极管结构二、二极管类型2.3二极管结构及类型38/51一、二极管结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分点接触型面接触型平面型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。二极管符号正极负极39/51分类说明按功能分类整流二极管专门用于整流的二极管开关二极管作为电子开关使用稳压二极管专门用于直流稳压的二极管发光二极管专门用于发光指示的二极管光敏二极管对光有敏感作用的二极管，也称光电二极管变容二极管高频电路中作为可调电容按材料分类硅二极管硅材料制作的二极管锗二极管锗材料制作的二极管按结构分类点接触型用于高频检波，开关元件，小电流整流电路面接触型用于低频整流平面型用于整流、开关元件二、二极管类型40/5