电子线路-第二节-v.ppt

第二讲 ：基本半导体器件 二极管电路,内容,PN结 二极管 简单二极管电路,从线性到非线性,2,伏安特性（I-V曲线）：电流-电压关系曲线电阻,,电压：-10V~10V,线性,从线性到非线性,3,伏安特性（I-V曲线）：,,非线性,分段线性,二极管,半导体材料及其特性,4,本征半导体：完全不含杂质，无晶格缺陷的纯净半导体半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间如：硅，锗，砷化镓等硅单晶的共价键结构,本征半导体,5,载流子：物质内部运载电荷的粒子,本征半导体在没有热激发或者光照等外界条件的影响下，价电子无法摆脱共价键的束缚，不能成为自由电子这时本征半导体内没有载流子，相当于绝缘体硅单晶的共价键结构,电子,空穴,电子和空穴都是载流子载流子的浓度决定物质的导电能力本征半导体,6,能带结构,固体中电子的能量是不连续的，处在一些不连续的能带上导带：自由电子存在的能带；,价带：原子外壳的价电子所处的能带；,禁带宽度：价电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度能带,本征半导体,7,能带结构,禁带宽度（bandgap）,物质的导电性能由其禁带宽度决定。

电离能（ Ionization energy ）,8,电离能：物质中产生一对电子空穴对所需要的能量 电离能与禁带宽度成正比（Owens 2004）： 其中Ei为电离能，Eg为禁带宽度电子,空穴,电离能与禁带宽度的关系 （Klein 1968）,常见半导体的电离能,9,数据来源：Helmuth Spieler,Semiconductor Detector Systems, Oxford Science Publications, 2005,杂质半导体,10,半导体的导电能力可以通过掺杂一些特殊的元素而显著提高掺杂半导体的导电能力由电子（N型）和空穴（P型）来提供N-型,V族,磷,杂质半导体,11,载流子为空穴，是正的（positive），所以叫P型杂质原子中空穴的能级更加靠近价带，所以价带的电子能容易激发杂质原子接受了电子，称为‘受主’P型,III族,硼,注意,12,N型半导体中，电子是主要的载流子空穴依然存在，但是空穴的浓度比电子的浓度低很多因此，在N型半导体中，电子为多数载流子（简称多子）；空穴为少数载流子（简称少子）反之，在P型半导体中，空穴为多数载流子，电子为少数载流子尽管杂质的含量甚微，但它对半导体的导电能力却有很大影响。

PN结,13,在一块本征半导体上，一边掺入受主杂质，使之成为P型；另一边掺入施主杂质，使之成为N型 那么在交界面的附近，就会形成一个具有独特物理性质的PN结最初，在交界面的两边，P型区和N型区，各自都是电中性的PN结的形成,14,但是，在热扩散的驱动下，电子和空穴将会各自穿过界面电子从N区穿过界面后，将会迅速与P区的空穴复合那么在N区就留下正电荷区反之，空穴从P区穿过界面后，将会迅速与N区的电子复合在P区留下负电荷区Ebi,内电场,15,耗尽层,很容易设想，在没有外加条件的情况下，电子和空穴的漂移扩散是不会永远进行下去，而是在某一时刻达平衡 这种平衡是由于P型区和N型区逐步累积的净电荷而聚集起来的内电场形成的耗尽层,16,耗尽层,内电场的形成将阻碍电子和空穴的扩散漂移，最终形成一个动态的平衡 而在交界面附近形成的这个稳定的空间电荷区，就称之为‘耗尽层’PN结的特性,当PN结不接外加电压时，通过PN结的总电流为零PN结正偏：外加正向电压，P区接电源的正极，N区接电源的负极 此时，外加电场与PN结内电场方向相反，耗尽层将变窄，电子和空穴的扩散将加强 表现为：PN结有较小的正向电阻，正向电流较大。

17,PN结的正偏,PN结的特性,PN结的反偏,18,PN结反偏：外加反向电压，及P区接电源的负极，N区接电源的正极 此时，外加电场与PN结内电场方向相同，耗尽层将变宽 由于多数载流子更难穿过耗尽层，扩散电流近似为零 表现为，反向电流在一定范围内不随外加反向电压而变化PN结的单向导电性能,19,PN结的这种正向导电性能好，反向导电性能差的特性，称为PN结的单向导电性二极管正是利用PN结的这种特性而制成的二极管,20,半导体二极管是由一个PN结及它所在的半导体再加上电极引线和管壳构成二极管按结构不同，可分为点接触型，面接触型和平面型等参见教材P7.,二极管,21,右图所示（a）二极管简化结构；（b）二极管的电学符号P区的引出端为正极，N区的引出端为负极符号箭头所指的方向为正向电流的方向按照用途来分，有普通二极管，整流二极管，开关二极管，稳压二极管，检波二极管PN结二极管：伏安特性,V(BR),IR(sat),22,其中，IR(sat)为反向饱和电流VT为热力学电压，室温下， VT = 26mV.,PN结二极管两端电流和电压满足下式:,正向,饱和,V(BR),击穿,IR(sat),PN结二极管：伏安特性,23,PN结正偏时，I-V呈指数规律增加。

PN结反偏时，反向电流为一个常数，即饱和电流IR(sat)PN结反向电压增大到一定值时，反向电流急剧增大，直至PN结被击穿（breakdown）此时电压称为击穿电压V(BR)理想PN结二极管,24,当PN结正偏时，电流是电压的指数方程 当PN结反偏时，电流很小，近似为零,V 0,V 0,分段模型,25,正向,反向,对于理想的二极管可用分段模型来表示加反向偏压时，可以看做是开路，电流为零,正向导通时，可以看做是短路，电压为零,理想二极管电路,26,如图所示理想二级管电路，输入电压是正弦信号信号的正周期，二极管是正向偏置；信号的负周期，二极管是反向偏置正向,反向,输出信号,输入信号,这是一个简单的半波整流电路,实际二极管,27,A,B,Vth,OA段为正向特性 当正向电压较小时，由于外电场还不足以克服内电场对载流子扩散所造成的阻力，正向电流依然很小 当正向电压超过一定的值Vth后，内电场被显著削弱，电流随电压迅速增加因此，Vth被称为门限电压或开启电压硅二极管为0.5VOB段为反向特性 反向电流基本不随电压变化对于硅二极管，反向电流小于0.1µA当反向电压超过一定值时，二极管将被反向击穿，致使二极管烧毁。

大多数二极管应该避免工作在反向击穿区二极管电路应用 -- 限幅电路,28,限幅，是指输出信号的幅度受到规定电压（限幅电压）的限制下图为一个二极管限幅电路，VB为限幅电压假定D1为理想二极管分析： 对于理想二极管，根据其模型，相当于一个理想开关正偏时接通，反偏时断开二极管电路应用 -- 限幅电路,当输入信号VIVB时，加于二极管上的电压为正，二极管导通，相当于短路，输出电压就被限定在VB上正向等效,反向等效,当输入信号VIVB时，加于二极管上的电压为负，二极管截止，相当于开路，输出电压等于输入电压如果输入信号为正弦信号，将有如下输出29,限幅电路的计算机仿真模拟,30,试用电子线路模拟软件，模拟双重二极管限幅电路并且利用程序给出该限幅电路的输出信号输入信号为正弦信号 要求：通过模拟简单电路，学会使用电子线路模拟软件的基本操作双重二极管限幅电路图,双重二极管限幅电路的输出响应,31,击穿区,稳压管二极管，简称稳压管也叫齐纳（Zenner）二极管稳压管工作在反向击穿区，将电流控制在器件允许的范围内 这种二极管可在电路中起稳压作用二极管电路应用 -- 稳压电路,32,击穿区,稳压管二极管，简称稳压管。

也叫齐纳（Zenner）二极管二极管电路应用 -- 稳压电路,VZ表示反向击穿电压，及稳压管的稳定电压稳压管的稳压作用在于，很大的电流变化，只引起很小的电压变化因此，击穿特性斜率越大，稳压管的动态电阻越小，稳压性能越好简单稳压电路,33,图示为一个简单的稳压电路稳压管的稳定电压为5.6V，流过二极管的电流为3mA，输入电压为10V试确定限流电阻R的值解： 流过电阻的电流等于电阻两端的电压除以电阻，即,所以电阻为：,注：本电路中，在一定范围内改变输入电压和限流电阻R的值，输出电压保持不变，即稳压管的稳定电压并联型稳压电路,34,图示为一个并联了负载RL的并联型二极管稳压电路 稳压管工作于反向击穿区，电阻Ri起限流和调压作用试推导，当负载电流在IL(min)和IL(max)之间取值，输入电压在VPS(min) 和VPS(max)之间取值，输出电压保持不变 时，稳压管的电流IZ取值范围，以及限流电阻Ri的取值范围解： Ri上承担的压降为VPS-VZ则有：,由于II=IZ+IL则有：,并联型稳压电路,35,由于VZ保持不变； 当负载电流最大IL(max)，输入电压最小VPS(min) 时，流过二极管的电流最小，为IZ(min) 。

分析：,当负载电流最小IL(min)，输入电压最大VPS(max) 时，流过二极管的电流最大，为IZ(max) 则，Ri的取值范围为两个值之间对于给定的稳压管电路，输入电压，稳压管电流，负载阻值，以及限流电阻，任意给定三个量的取值范围，便可求出另外一个的取值范围二极管电路应用 -- 稳压电路例题,36,并联型稳压电路 – P13，例1.2.1,给定Vz=6V，输入电压15V，稳压管电流范围（5mA，33mA），负载RL范围（0.5k，2k），试计算限流电阻Ri的范围即，Ri的取值范围： （0.25k，0.53k）,（1）,（2）,其他类型的二极管,37,光电二极管,光电二极管电路图,光电二极管将光信号转变为电信号其PN结要工作在反向电压状态光子入射后，在空间电荷区产生过剩电子和空穴在电场作用下，这些过剩载流子迅速通过空间电荷区重新分布，因而产生了‘光电流’ 这种光电流与入射的光子流成正比其他类型的二极管,38,发光二极管是将电流转化为光信号 LED（light emitting diode）,发光二极管,如果二极管正偏，电子和空穴注入空间电荷区成为过剩少数载流子如果半导体是砷化镓材料，则这些过剩少数载流子复合时会发出光子。

如是硅，则电子空穴复合时，能量和动量会被存储起来，不可能发出光子LED中的电流与复合率成正比，即发光二级管发出的光的强度正比于二极管的电流LED阵列可用于显示数字和文字，如图所示LED数字显示器，每一段都是一个IC逻辑门控制的LED习题,39,习题P37页，1.5题（c）和（d） 习题P38页，1.9题。