模拟电子技术2二极管及其应用电路

模拟电子技术基础电子教案V2013陈大钦主编华中科技大学电信系邹韬平2013年3月7日2课程内容与学时安排第1章绪论(2h)第2章半导体二极管及其应用电路(4h)第3章半导体三极管及其放大电路基础(15h)第4章多级放大电路及模拟集成电路基础(4h)第5章信号运算电路(5h)第6章负反馈放大电路(6h)第7章信号处理与产生电路(4h)第8章场效应管及其放大电路(4h)48学时第9章功率放大电路第10章集成运算放大器第11章直流电源2个器件BJTFET关键词核心内容1个电路—放大电路三极管集成运放完美的放大电路模拟电子技术重点章介绍放大的基本概念分立元件分立元件电路(放大)构成规律和分析方法核心、基础线索-不断完善放大性能(读图-741)集成运放实现放大的条件集成运放的应用模电的常用功能电路复习、机动(2h)清明、五一(2h)32半导体二极管及其应用电路2.1PN结的基本知识2.1.3PN结及其单向导电性2.2半导体二极管2.2.2二极管的伏安特性2.2.3二极管的主要参数2.2.4二极管模型2.3二极管应用电路2.3.1整流电路2.3.2限幅电路2.4特殊二极管2.4.1稳压二极管了解半导体材料的基本结构及PN结的形成掌握PN结的单向导电工作原理掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用基本要求：问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？问题2：二极管电路(非线性)分析方法?最常用的是？问题3：常用的二极管电路及功能？(稳压电路)42.1PN结的基本知识2.1.1本征半导体及其导电性2.1.2杂质半导体2.1.3PN结及其单向导电性2.1.4PN结电容+4半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。导电的2个特点1、本征—容易受环境因素影响(温度、光照等)2、掺杂—可以显著提高导电能力原子结构简化模型问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？5共价键价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4图2.1.1本征半导体的共价键结构2.1.1本征半导体及其导电性2.1PN结的基本知识1.本征半导体—完全纯净、结构完整的半导体晶体。在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电+4原子结构简化模型2.本征激发62.1.1本征半导体及其导电性2.1PN结的基本知识+4+4+4+4+4+4+4+4+42.本征激发温度光照本征激发自由电子空位＋自由电子空位空位：带正电荷；可自由移动；靠相邻共价键中的价电子依次充填空位来实现的。取名为：空穴温度载流子浓度载流子:自由移动带电粒子复合－本征激发的逆过程7+4+4+4+4+4+4+4+5+4电子施主原子失去多余电子而形成正离子+4+4+4+4+4+4+4+3+4受主原子获得一个电子而形成一个负离子空穴图2.1.3N型半导体的共价键结构2.1.2杂质半导体2.1PN结的基本知识图2.1.4P型半导体的共价键结构1.N型半导体掺入少量的五价元素磷P2.P型半导体掺入少量的三价元素硼B自由电子是多数载流子（简称多子）空穴是少数载流子（简称少子）空穴是多数载流子自由电子为少数载流子。空间电荷8掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm33以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3杂质对半导体导电性的影响92.1PN结的基本知识2.1.1本征半导体及其导电性2.1.2杂质半导体2.1.3PN结及其单向导电性2.1.4PN结电容+4半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。导电的2个特点1、本征—容易受环境因素影响(温度、光照等)2、掺杂—可以显著提高导电能力原子结构简化模型掺杂N型－5价P型－3价多子－电子多子－空穴空间电荷温度光照本征激发电子空穴复合少子问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？10(1)浓度差多子的扩散运动复合(2)复合空间电荷区内电场(3)内电场少子的漂移运动阻止多子的扩散(4)扩散与漂移达到动态平衡载流子的运动：扩散运动——浓度差产生的载流子移动漂移运动——在电场作用下，载流子的移动P区N区扩散：空穴电子漂移：电子空穴形成过程可分成4步(动画)P型N型内电场2.1.3PN结及其单向导电性1.PN结的形成空间电荷区=PN结11扩散漂移因为浓度差多子的扩散运动在P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区中缺少多子，所以也称耗尽层。复合杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散是宽最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。否问题？当动态平衡被外电场打破后，会如何？扩散:空穴电子漂移:电子空穴内电场2.1.3PN结及其单向导电性1.PN结的形成122.PN结的单向导电性只有在外加电压时才…扩散与漂移的动态平衡将…定义：加正向电压，简称正偏加反向电压，简称反偏•扩散漂移•有正向扩散电流(多子电流较大)•低电阻正向导通•漂移扩散•反向漂移电流(少子电流很小的)•高电阻反向截止2.1.3PN结及其单向导电性内电场内电场外电场外电场13iDOVBRvD图2.1.8PN结伏安特性3.PN结的伏安特性)1e()1e(DDSSDTVkTqIIivv正向特性TVIiDeSDv反向特性SDIi反向击穿特性（击穿电压）倍增效应雪崩击穿齐纳击穿2.1.3PN结及其单向导电性PN结(二极管)特性描述方法陡峭电阻小正向导通特性平坦反向截止温度一定，由本征激发产生的少子浓度一定反向击穿PN结方程（理论计算仿真）IS—反向饱和电流VT—温度的电压当量(26mV)曲线（对应图解法）齐纳二极管、稳压二极管14PNVD电子浓度分布空穴浓度分布图2.1.10扩散电容效应(1)势垒电容CB(2)扩散电容CD2.1.4PN结电容2.1PN结的基本知识用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而变化的电容效应多数载流子的扩散运动是形成扩散电容的主要因素图2.1.9势垒电容与外加电压关系152半导体二极管及其应用电路2.1PN结的基本知识2.1.3PN结及其单向导电性2.2半导体二极管2.2.2二极管的伏安特性2.2.3二极管的主要参数2.2.4二极管模型2.3二极管应用电路2.3.1整流电路2.3.2限幅电路2.4特殊二极管2.4.1稳压二极管了解半导体材料的基本结构及PN结的形成掌握PN结的单向导电工作原理掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用基本要求：问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？问题2：二极管电路(非线性)分析方法?最常用的是？问题3：常用的二极管电路及功能？其他特性－击穿特性。结电容描述－PN结方程、伏安特性曲线。原理：多子扩散和少子漂移的动态平衡击穿特性(稳压电路)162.2半导体二极管2.2.1二极管的结构2.2.2二极管的伏安特性2.2.3二极管的主要参数2.2.4二极管模型阴极k阳极aPN结加上引线和封装二极管按结构分类点接触型面接触型平面型17阴极引线阳极引线PNP型支持衬底点接触型面接触型平面型2.2.1二极管的结构18vD/V00.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mAVBRVth0vD/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA图2.2.2硅二极管的2CP10的伏安特性图2.2.3锗二极管2AP15的伏安特性2.2.2二极管的伏安特性2.2半导体二极管正向特性反向特性反向击穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）注意1.死区电压（门坎电压）2.反向饱和电流(好)硅：0.1A；锗：10A3.PN结方程（近似）)1(/SDDTVveIi19图2.2.4温度对二极管特性曲线的影响示意图温度对二极管特性的影响2.2.2二极管的伏安特性2.2半导体二极管温度升高时:vDiDV50C25CO50C25C正向特性曲线向左移动温度1℃，正向压降2~2.5mV反向特性曲线向下移动温度10℃，反向电流一倍201.最大整流电流IF2.最高反向工作电压VRM3.反向电流IR4.极间电容Cd5.最高工作频率fM2.2.3二极管的主要参数2.2半导体二极管0vD/V0.20.40.6204060510152010203040iD/AiD/mA图2.2.3锗二极管2AP15的伏安特性IFVRMVBRIR极限直流交流212半导体二极管及其应用电路2.1PN结的基本知识2.1.3PN结及其单向导电性2.2半导体二极管2.2.2二极管的伏安特性2.2.3二极管的主要参数2.2.4二极管模型2.3二极管应用电路2.3.1整流电路2.3.2限幅电路2.4特殊二极管2.4.1稳压二极管了解半导体材料的基本结构及PN结的形成掌握PN结的单向导电工作原理掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用基本要求：问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？问题2：二极管电路(非线性)分析方法?最常用的是？问题3：常用的二极管电路及功能？其他特性－击穿特性。结电容、温度特性描述－PN结方程、伏安特性曲线。原理：多子扩散和少子漂移的动态平衡击穿特性安全－2个极限参数222.2.4二极管模型2.2半导体二极管vD/V00.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mAVBRVth图2.2.2硅二极管的伏安特性对于非线性器件，分析方法有：非线性分析方法（PN结方程，比较复杂）根据不同的工作条件和要求，在分析精度允许的条件下，采用不同的模型来描述非线性元器件的电特性。大信号模型、小信号模型图解分析方法（麻烦、直观）等效电路分析方法（转换为线性）OvDiD理想实际图2.2.5理想模型OvDiDOvDiDABCiDvD图2.2.6恒压降模型图2.2.7折线模型OvDiDvDiDQDVD图2.2.8小信号模型23(1)二极管电路的分析概述应用电路举例DvORiDvI+iDvORvI+vO+DVREF+Rvi图2-3-3(习题2-15,16,17）例2-2-1和图2-3-1整流限幅初步分析——依据二极管的单向导电性D导通:vO=vI-vDD截止:vO=0D导通:vO=vDD截止:vO=vI左图中图显然，vO与vI的关系由D的状态决定。而且，D处于反向截止时最简单！vO0vOvD右图vOvD+VREF分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。24二极管电路分析的讲课思路：(1)二极管电路的分析概述(a)图解分析法(b)等效电路(模型)分析法(2)二极管电路的直流分析(3)二极管电路的交流分析—大信号(4)二极管电路的交流分析—小信号分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。vO与vI的关系由D的状态决定。而且，D处于反向截止时最简单！DvORiDvI+iDvORvI+vO+DVREF+Rvi图2-3-3(习题2-15,16,17）例2-2-1和图2-3-1整流限幅25(2)二极管电路的直流分析例1:2CP1(硅),IF=16mA,VBR=40V。求VD、ID。+IDVDR=10kVI+10V+IDVDR=10kVI+10V+IDVDR=1kVI+20V+IDVDR=10kVI+100V(a)(b)(c)(d)正偏:D正向导通？正偏:D正向导通！反偏:D反向截止反偏:D反向击穿iDIF？ID=0,VD=-10VvD=？iD=