1-半导体二极管及其应用电路

电子技术概貌：电子技术应用领域：•广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机•网络：路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器•工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床•交通：飞机、火车、轮船、汽车•军事：雷达、电子导航•航空航天：卫星定位、监测•医学：γ刀、CT、B超、微创手术•消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统电子器件发展历程：电子管→晶体管→集成电路→大规模集成电路→→超大规模集成电路1904年电子管问世1947年晶体管诞生1958年集成电路研制成功电子管、晶体管、集成电路比较•1947年贝尔实验室——第一只晶体管•1958年德州仪器公司——第一块集成电路•1969年大规模集成电路•1975年超大规模集成电路第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。现代电子器件的鼻祖第一只晶体管的发明者（byJohnBardeen,WilliamSchockleyandWalterBrattaininBellLab）他们在1947年11月底发明了晶体管，并在12月16日正式宣布“晶体管”诞生。1956年获诺贝尔物理学奖。巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖。第一个集成电路及其发明者（JackKilbyfromTI）1958年9月12日，在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年以后，2000年获诺贝尔物理学奖。“为现代信息技术奠定了基础”。模电与数电：自然界中的物理量有两大类：模拟量和数字量t℃t℃tu？模拟量模拟信号模拟电路模拟电子技术tu？数字量数字信号数字电路数字电子技术混频级中频放大级检波级功率放大级超外差式无线电收音机原理框图放大滤波采样-保持模-数转换生产控制系统微处理机系统数-模转换电压-电流转换检测与传感执行机构生产设备物理系统电子系统电子系统：从电路板产生来看学习要求与教学环节确定电路功能与要求电路结构设计电路参数计算元件选型电路可行性分析计算机仿真制板制作调试与测试掌握电子技术基本概念掌握各功能电路结构掌握各类定性分析方法掌握各类参数估算方法熟悉各类元器件外特性熟悉EDA软件熟悉制板软件,培养动手操作能力熟悉电子仪器仪表课堂教学实验教学电子实习课程设计第1章半导体二极管及其应用电路1.1半导体基础知识1.2半导体二极管小结1.3稳压二极管1.4二极管典型应用电路1.5辅修内容包含半导体元件等等是半导体元件之一，应用广泛你想知道吗？什么是半导体？PN结是怎样形成的？二极管是干什么用的？电子电路你知道吗？1.1半导体基础知识1.1.1半导体材料及其特性1.1.2杂质半导体1.1.3PN结1.1.1半导体材料及其特性半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。从导电性来分类，物体可分为：共价键结构—2.本征半导体的共价键结构导体、绝缘体、半导体1.半导体的特殊性质——热敏性、光敏性、掺杂性硅(锗)的原子结构简化模型原子核硅(锗)的共价键结构价电子(束缚电子)硅锗本征半导体的晶体结构空穴本征激发：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空穴的过程。3.本征半激发与复合空穴可在共价键内移动自由电子本证激发与复合是一对相反的运动！半导体中有两种载流子——自由电子和空穴两种载流子的运动：自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动载流子—运载电荷的粒子（带电粒子）本征半导体中的电流是两个电流之和电子电流、空穴电流——自由电子带负电，空穴带正电。结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。4.、温度对本征半导体中载流子的影响载流子的浓度随温度的升高而增加。动态平衡——本征激发与复合运动最终要达到动态平衡。N型+5+4+4+4+4+4磷原子多余电子载流子数电子数1.N型半导体在本征半导体中掺入微量的5价杂质元素空穴—少子（少数载流子）电子—多子（多数载流子）多余电子—杂质原子为施主原子正离子—带正电，不能移动1.1.2杂质半导体P型+3+4+4+4+4+4硼原子空位空穴—多子（多数载流子）电子—少子（少数载流子）载流子数空穴数2.P型半导体在本征半导体中掺入微量的3价杂质元素空位—电中性杂质原子为受主原子负离子—带负电，不能移动区分N型半导体和P型半导体！4.杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体IINP型半导体IIP3.杂质半导体中载流子的浓度5.P型与N型半导体的简化示意图P型N型少数载流子（少子）—自由电子多数载流子（多子）—（空穴）负离子多数载流子（多子）—自由电子少数载流子（少子）—空穴正离子【问题引导】N型、P型半导体多子是什么，少子是什么？负离子、或正离子是怎么形成的？N型P型1.1.3PN结1.PN结(PNJunction)的形成扩散运动—由于载流子浓度差而引起的运动复合—使交界面形成空间电荷区空间电荷区、耗尽层、阻挡层、PN结内电场漂移运动—载流子在电场力作用下的运动扩散和漂移达到动态平衡：扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。PN结是怎么形成的？P区N区内电场外电场外电场抵消内电场使空间电荷区变窄有利于扩散运动不利于漂移运动IF限流电阻，可以不要吗？扩散运动加强形成正向电流IF2.PN结的单向导电性(1)PN结外加正向电压时处于导通状态正向电压、正向接法、正向偏置、正偏P区N区IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子0(2)PN结外加反向电压时处于截止状态反向电压、反向接法、反向偏置、反偏反向饱和电流Is—内电场外电场外电场与内电场同向使空间电荷区变宽有利于漂移运动不利于扩散运动【问题引导】什么是PN结的单向导电性？3.PN结的伏安特性)1e(T/SUuII反向饱和电流温度电压当量qkTUT电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mVOu/VI/mA正向特性反向击穿加正向电压时加反向电压时i≈–ISISPN结具有单向导电性！该常数非常重要！反向击穿，反向击穿电压—•雪崩击穿—当耗尽层宽度较宽时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞击出共价键，产生电子空穴对，载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增加。内电场P型N型自由电子漂移撞击价电子内电场P型N型价电子被拉出变成自由电子•齐纳击穿—当耗尽层宽度很小时，不大的反向电压就可以在耗尽层形成很强的电场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子空穴对，致使电流急剧增加。4.PN结的电容效应Cj=Cb+Cd•势垒电容Cb—空间电荷区的宽度和空间电荷的数量随外加电压而变化，如同电容的充放电过程。•外加反向电压时，势垒电容占主导。内电场P型N型等效电容极板等效充电电荷常把PN结当电容使用！4.PN结的电容效应Cj=Cb+Cd内电场P型N型等效电容极板等效充电电荷•扩散电容Cd—PN结在正偏时，在外电场的作用下，靠近耗尽层交界面的地方，少子的浓度高，且向远离耗尽层的地方扩散。扩散区内电荷的积累与释放如同电容的充放电过程。•外加正向电压时，扩散电容占主导；5.PN节的温度特性无论是正偏还是反偏，当温度升高时，电流增加1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构类型1.2.2二极管的伏安特性1.2.4二极管的主要参数1.2.3二极管的势垒电容与扩散电容1.2.5二极管等效电路1.2.1二极管的结构与类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型阳极阴极阳极阴极点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP型支持衬底点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管1.2.2二极管的伏安特性1.二极管结电流方程)1e(TD/SDUuIi反向饱和电流温度电压当量qkTUT电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mV二极管实质就是一个PN结！2.二极管的伏安特性曲线OuD/ViD/mA正向特性Uth开启电压UUth时，iD急剧上升0UUth时，iD=0反向特性ISU(BR)反向击穿︱U(BR)︱︱U︱0时,iD=IS︱U︱︱U(BR)︱时，反向电流急剧增大(反向击穿)IS材料开启电压Uth导通电压UD(on)反向饱和电流硅Si0.5V0.6~0.8V（通常取0.7V）1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V（通常取0.3V）几十µA反向饱和电流击穿电压记得对二极管限流！不要让二极管击穿了！反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.0203.温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD/mAuD/V20C90CT升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降【问题引导】温度变化会导致半导体元件的一些参数发生变化！Cj=Cb+Cd（1）势垒电容Cb—空间电荷区的宽度和空间电荷的数量随外加电压而变化，如同电容的充放电过程。外加反向电压时，势垒电容占主导。内电场P型N型等效电容极板等效充电电荷1.2.3二极管的势垒电容与扩散电容4.PN结的电容效应Cj=Cb+Cd内电场P型N型等效电容极板等效充电电荷（2）扩散电容Cd—PN结在正偏时，在外电场的作用下，靠近耗尽层交界面的地方，少子的浓度高，且向远离耗尽层的地方扩散。扩散区内电荷的积累与释放如同电容的充放电过程。外加正向电压时，扩散电容占主导。1.2.4二极管的主要参数1.IF—最大整流电流(最大正向平均电流)2.URM—最高反向工作电压，为U(BR)/23.IR—反向电流(越小单向导电性越好)2.fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)4.RD—直流电阻1.rd—交流电阻iDuDU(BR)IFURMOUDIDQ)(26DDTDDdIIUdiduIUr直流参数：交流参数：影响工作频率的原因—PN结的电容效应结论：1.低频时，因结电容很小，容抗很大，结电容对二极管影响很小。高频时，因结电容容抗减小，使结电容分流，导致二极管单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。高频信号时，必须考虑二极管的电容效应！1.2.5二极管等效电路1.理想二极管模型特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0,rd=0反偏截止，iD=0,rd=2.二极管的恒压降模型（理想二极管串联电压源模型）uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.3V(Ge)导通时3.二极管的折线化模型uDiDUonUIIUrD斜率1/rdrDUon导通时uD=Uon+rdid截止时id=0二极管的动态电阻4.二极管的低频小信号模型二极管的动态电阻反映了静态工作点附近微变电压和微变电