模电课件--1晶体二极管

1.1 半导体物理基础知识,1.3 晶体二极管电路分析方法,1.2 PN结,1.4 晶体二极管的应用,1.0 概述,第一章 晶体二极管,概 述,晶体二极管结构及电路符号：,PN结正偏（P接+、N接-），D导通。,晶体二极管的主要特性：单方向导电特性,PN结反偏（N接+、P接-） ，D截止。,即,主要用途：用于整流、开关、检波电路中。,半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。,1.1 半导体物理基础知识,硅 ( Si ) 、锗 ( Ge ) 原子结构及简化模型：,硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。,硅和锗共价键结构示意图：,1.1.1 本征半导体,共价键具有很强的结合力。 当T=0K（无外界影 响）时，共价键中无自由移动的电子。,这种现象称,注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。,本征激发。,本征激发,当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。,当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。,注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。,自由电子 带负电,半导体中有两种导电的载流子,空穴的运动,空 穴 带正电,温度一定时： 激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。,热平衡载流子浓度,热平衡载流子浓度：,N型半导体：,1.1.2 杂质半导体,简化模型：,本征半导体中掺入少量五价元素构成。,P型半导体,简化模型：,本征半导体中掺入少量三价元素构成。,杂质半导体中载流浓度计算,1.1.3 两种导电机理漂移和扩散,载流子在电场作用下的运动运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。,总漂移电流密度：,漂移与漂移电流,电导率：,半导体的电导率,电阻：,电压： V = E l,电流： I = S Jt,载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散电流。,扩散电流密度:,扩散与扩散电流,1.2 PN结,利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。,N型,PN结,1.2.1 动态平衡下的PN结,阻止多子扩散,利于少子漂移,PN结形成的物理过程,注意：掺杂浓度（Na、Nd）越大，内建电位差 VB 越大，阻挡层宽度 l0 越小。,内建电位差：,阻挡层宽度：,1.2.2 PN结的伏安特性,PN结单向导电特性,I,PN结单向导电特性,IR,结论：PN结具有单方向导电特性。,PN结伏安特性方程式,PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：,其中：,IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。,正偏时：,反偏时：,PN结伏安特性曲线,温度每升高10，IS约增加一倍。,温度每升高1， VD(on)约减小2.5mV。,1.2.3 PN结的击穿特性,因为T 载流子运动的平均自由路程 V(BR)。,击穿电压的温度特性,雪崩击穿电压具有正温度系数。,齐纳击穿电压具有负温度系数。,因为T 价电子获得的能量 V(BR)。,稳压二极管,利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。,要求：Izmin Iz Izmax,1.2.4 PN结的电容特性,势垒区内空间电荷量随外加电压变化产生的电容效应。,势垒电容CT,扩散电容CD,阻挡层外（P区和N区）贮存 的非平衡电荷量,随外加电压 变化产生的电容效应。,PN结电容,PN结反偏时，CT CD ，则 Cj CT,PN结总电容： Cj = CT + CD,PN结正偏时，CD CT ，则 Cj CD,故：PN结正偏时，以CD为主。,故：PN结反偏时，以CT为主。,通常：CD 几十PF 几千PF。,通常：CT 几PF 几十PF。,1.3 晶体二极管电路分析方法,晶体二极管的内部结构就是一个PN结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型：,适于任一工作状态的通用曲线模型,便于计算机辅助分析的数学模型,数学模型伏安特性方程式,理想模型：,修正模型：,rS 体电阻 + 引线接触电阻 + 引线电阻,注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际IS理想IS。,1.3.1 晶体二极管的模型,曲线模型伏安特性曲线,晶体二极管的伏安特性曲线，通常由实测得到。,简化电路模型,折线等效：在主要利用二极管单向导电性的电路中， 实际二极管的伏安特性。,理想状态：与外电路相比，VD(on)和RD均可忽略时， 二极管的伏安特性和电路符号。,开关状态：与外电路相比，RD可忽略时的伏安特性。,简化电路模型：折线等效时，二极管的简化电路模型。,小信号电路模型,：为二极管增量结电阻。,（室温）,：PN结串联电阻，数值很小。,Cj：PN结结电容，由CD和CT两部分构成。,注意：高频电路中，需考虑Cj影响。因高频工作时， Cj容抗很小，PN结单向导电性会因Cj的交流旁 路作用而变差。,图解法,分析二极管电路主要采用：图解法、简化分析法、小信号等效电路法。（重点掌握简化分析法）,写出管外电路直流负载线方程。,1.3.2 晶体二极管电路分析方法,利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。,要求：已知二极管伏安特性曲线和外围电路元件值。,分析步骤：,作直流负载线。,分析直流工作点。,优点：直观。既可分析直流，也可分析交流。,例1：已知电路参数和二极管伏安特性曲线，试求电路的静态工作点电压和电流。,Q,由图可写出直流负载线方程：V=VDD-IR,在直流负载线上任取两点：,解：,VDD,VDD/R,连接两点，画出直流负载线。,VQ,IQ,令I =0，得V= VDD；,令V =0，得I = VDD / R；,所得交点，即为Q点。,简化分析法,即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。,将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化 电路模型替代，然后分析求解。,（1）估算法,判断二极管是导通还是截止？,假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位。,理想二极管：若V0，则管子导通；反之截止。,实际二极管：若VVD(on)，管子导通；反之截止。,当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子 优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。,例2：设二极管是理想的，求VAO值。,图(a)，假设D开路，则D两端电压：,VD=V1V2= 6 12= 18 0V，,解：,故D截止。,VAO =12V。,图(b)，假设D1、D2开路，则D两端电压：,VD1=V2 0= 9V 0V，,VD2=V2(V1)=15V 0V,由于VD2 VD1 ，则D2优先导通。,此时VD1= 6V 0V，,故D1截止。,VAO = V1 = 6V 。,（2）画输出信号波形方法,根据输入信号大小 判断二极管的导通与截止 找出vO与vI关系 画输出信号波形。,例3：设二极管是理想的，vi =6sint(V)，试画vO波形。,解：,vi 2V时，D导通，则vO=vi,vi 2V时，D截止，则vO=2V,由此可画出vO的波形。,小信号分析法,即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。,分析步骤：,将直流电源短路，画交流通路。,用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。,利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。,1.4 晶体二极管的应用,电源设备组成框图：,整流电路,1.4.1 整流与稳压电路,当vi 0V时，D导通，则vO=vi,当vi 0V时，D截止，则vO=0V,由此，利用二极管的单向导电性，实现了半波整流。,若输入信号为正弦波：,平均值：,稳压电路,某原因VO IZ I ,限流电阻R：保证稳压管工作在Izmin Izmax之间,稳压原理：,VO= VZ,输出电压：,1.4.2 限幅电路(或削波电路）,V2viV1时，D1、D2截止,vo=vi,Vi V1时，D1导通、D2截止,vo=V1,Vi V2时，D2导通、D1截止,vo=V2,由此 ，电路实现双向限幅功能。,其中：V1为上限幅电平， V2为下限幅电平。,