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模电幻灯片--1晶体二极管

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    • 1、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

      2、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

      3、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:

      4、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

      5、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。

      6、,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。,

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