模电课件(康华光)-2

1、半导体二极管及基本电路,半导体的基本知识,PN结的形成及特性,半导体二极管,特殊二极管,二极管基本电路分析,半导体的基本知识,本征半导体、空穴及其导电作用,杂质半导体,根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体的特点：1）导电能力不同于导体、绝缘体； 2）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化光敏元件、热敏元件； 3）掺进微量杂质，导电能力显著增加半导体。,半导体的基本知识,半导体的共价键结构,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。 原子按一定规律整齐排列，形成晶体点阵后，结构图为：,返回,本征半导体、空穴及其导电作用,本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,载流子可以自由移动的带电粒子。 电导率与材料单位体积中所含载流子数有关，载流子浓度越高，电导率越高。,返回,电子空穴对,当T=0K和无外界激发时，导体中没有栽流子，不导电。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，

2、而参与导电，成为自由电子本证激发。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，这个空位为空穴。,自由电子,因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。,本征激发,动画1-1,空穴,返回,杂质半导体,N型半导体（电子型半导体）,在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 ),多余电子， 成为自由电子,自由电子,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。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,返回,P型半导体（空穴型半导体）,在本征半导体中掺入三价的元素（硼）,空穴,空穴,返回,N型半导体的多数载流子为电子，少数载流子是空穴； P型半导体的多数载流子为空穴，少数载流子是电子。,例：纯净硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级， 在室稳下，载流子浓度为ni=pi=1010数量级， 掺入百万分之一的杂质（1/10-6），即杂质浓度为1022*（1/106）=1016数量级， 则掺杂后载流子浓度为1016+1010，约为1016数量级， 比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。,返回,PN结的形成及特性,P

3、N结的形成及特性,PN结的单向导电性,PN结的形成,PN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。,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,因浓度差,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,动画,+ 五价的元素,+ 三价的元素,产生多余电子,产生多余空穴,PN结的单向导电性,(1) PN结加正向电压,外加的正向电压，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，PN结呈现低阻性。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏。,动画,外加反向电压,方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。 P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,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

4、。,动画,（2）PN结加反向电压,总之：PN结正向电阻小，反向电阻大单向导电性。,返回,半导体二极管,半导体二极管,二极管 ：一个PN结就是一个二极管。 单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。 符号：,二极管按结构分有点接触型、面接触型二大类。,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用 于大电流整流电路。,半导体二极管的结构,半导体二极管的伏安特性曲线,式中IS 为反向饱和电流，VD 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,第一象限的是正向伏安特性曲线，第三象限的是反向伏安特性曲线。,(1) 正向特性,硅二极管的死区电压Vth=0.50.8V左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.20.3 V左右。,当0VVth时，正向电流为零，Vth称死区电压或开启电压。,正向区分为两段：,当V Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,反向区也分两

5、个区域：,当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。,(2) 反向特性,硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,若|VBR|7V时, 主要是雪崩击穿；若|VBR|4V时, 则主要是齐纳击穿。,(3) 反向击穿特性,半导体二极管的参数,(1) 最大整流电流IF,(2) 反向击穿电压VBR,(3) 反向电流IR,(4) 正向压降VF,在室温，规定的反向电压下，最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。硅二极管约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,二极管连续工作时，允许流过的最大整流电流的平均值。,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。,二极管基本电路分析,二极管基本电路分析,二极管模

6、型,正向偏置时： 管压降为0，电阻也为0。,反向偏置时： 电流为0，电阻为。,当iD1mA时， vD=0.7V。,1. 理想模型,2. 恒压降模型,3. 折线模型（实际模型）,4. 小信号模型,二极管电路分析,1.静态分析,例1：求VDD=10V时，二极管的 电流ID、电压VD 值。,解：,1. 理想模型,正向偏置时： 管压降为0，电阻也为0。 反向偏置时： 电流为0，电阻为。,2. 恒压降模型,3. 实际模型,当iD1mA时， vD=0.7V。,2.限幅电路,Vi VR时，二极管导通，vo=vi。,Vi VR时，二极管截止， vo=VR。,例2：理想二极管电路中 vi= Vm sint V，求输出波形v0。,解：,3.开关电路,利用二极管的单向导电性可作为电子开关,0V 0V,导通 导通,导通 截止,截止 导通,截止 截止,0V 5V,5V 0V,5V 5V,0V,0V,0V,5V,例11：求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。,解：,例9：判别二极管是导通还是截止。,+ 9V -,+ 1V -,+ 2.5V -,+ 12.5V -,+ 14V -,+ 1V -,

7、截止,截止,解：,导通,例4：,正半周： D1、D3 导通 D2、D4 截止,负半周 D2、D4导通 D1、D3截止,求整流电路的输出波形。,解：,例5：,实际模型,求(1).vI=0V,vI=4V, vI=6V 时，输出v0的值。 (2). Vi=6sint V 时， 输出v0的波形。,解：(1) .,vI=4V时，D导通。,vI=0V时，D截止。v0 = vI,vI=6V时，D导通。,(2). Vi=6sint V （理想模型）,折线模型,例6： 理想二极管电路中 vi=V m sint V，求输出波形v0。,ViV1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。,ViV2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。,V2ViV1时，D1、D2均截止，Vo=Vi。,例7：画出理想二极管电路的传输特性（VoVI）。,解： VI25V，D1、D2均截止。, VI 25V ，D1导通，D2截止。,VI137.5V，D1、D2均导通。,VO=25V,VO=100V,137.5,例8：画出理想二极管电路的传输特性（VoVI）。,当VI0时 D1导通 D2截止,当VI0时 D1截止 D2导通,已知二极管D的正向

8、导通管压降VD=0.6V，C为隔直电容，vi(t)为小信号交流信号源。 试求二极管的静态工作电流IDQ，以及二极管的直流导通电阻R直。 求在室温300K时，D的小信号交流等效电阻r交 。,解：,例10：,例3：,二极管限幅电路:已知电路的输入波形为 v i ,二极管的VD 为0.6伏，试画出其输出波形。,解：,Vi 3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。,Vi 3.6V时，二极管截止， vo=Vi。,特殊二极管,特殊二极管,稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管 的伏安特性曲线完全一样。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,(2) 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =VZ /IZ， rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,(3) 最大耗散功率 PZM,最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,(4) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin,最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。,(1) 稳定电压VZ,例12：,稳压管的稳压过程。,RL,Io,IR,Vo,IZ,IR,Vo,

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