模电02、半导体二极管及其应用电路3

模拟电子技术基础电子教案V1.0陈大钦主编华中科技大学电信系2模拟电子技术基础第1章绪论第2章半导体二极管及其应用电路第3章半导体三极管及其放大电路基础第4章多级放大电路及模拟集成电路基础第5章信号运算电路第6章负反馈放大电路第7章信号处理与产生电路第8章场效应管及其放大电路第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半导体二极管及其应用电路2.1PN结的基本知识2.2半导体二极管2.3二极管应用电路2.4特殊二极管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。导电的重要特点1、其能力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6+4+4+4+4+4+4+4+4+4温度光照自由电子空穴本征激发空穴—共价键中的空位空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。由热激发或光照而产生自由电子和空穴对。温度载流子浓度＋2.1.1本征半导体及其导电性2.1PN结的基本知识2.本征激发复合－本征激发的逆过程载流子:自由移动带电粒子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9•本征半导体、本征激发本节中的有关概念自由电子空穴N型半导体、施主杂质(5价)P型半导体、受主杂质(3价)•多数载流子、少数载流子•杂质半导体复合*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度↑→载流子浓度↑→导电能力↑*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力101.浓度差多子的扩散运动2.扩散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11PN结形成的物理过程：因浓度差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最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区对于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，由于缺少多子，所以也称耗尽层。扩散漂移否是宽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•大的正向扩散电流（多子）•低电阻正向导通•漂移扩散•很小的反向漂移电流（少子）•高电阻反向截止13P区N区内电场E0V0IFVF外电场EFV0-VF122'1'P区N区VR内电场E0IR外电场ERV0+VRV01122图2.1.6外加正向电压时的PN结图2.1.7外加反向电压时的PN结2.PN结的单向导电性2.1.3PN结及其单向导电性14iDOVBRvD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反向击穿特性倍增效应雪崩击穿齐纳击穿2.1.3PN结及其单向导电性15vDCBOPNVD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硅：0.1A；锗：10A3.PN结方程（近似）)1(/SDDTVveIi19vDiDV50C25CO50C25C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21OvD+vDiD(a)(d)iD+vDiD(b)+vDiD=0(c)（iD0，vD=0）（vD0，iD=0）理想实际图2.2.5理想模型（a）伏安特性曲线（b）代表符号（c）正向偏置时的电路模型（d）反向偏置时的电路模型2.2.4二极管模型2.2半导体二极管22OvD+vDiD(a)(b)iDOvD+vDiD(a)(b)iDVthrDABCiDvD图2.2.6恒压降模型图2.2.7折线模型(a)伏安特性曲线(b)代表符号(a)伏安特性曲线(b)代表符号23OvD(a)iD+iD(b)vDiDQvDrdDVD图2.2.8小信号模型(a)伏安特性曲线(b)代表符号242.3二极管应用电路2.3.1整流电路2.3.2限幅电路2.3.3钳位电路252.3.1整流电路+vO-R+vI-DOtvI234OtvO234（a）（b）图2.3.1单向半波整流电路（a）电路图（b）vI和vO的波形2.3二极管应用电路26+vL+RL++v1v2v2D1D2iD1iD2TrOtv2234OtvL234（a）（b）图2.3.2单向全整流电路（a）电路图（b）v2和vo的波形27vO+DVBvI+RvO+VBvI+RvO+VBvI+R（a）（b）（c）图2.3.3二极管限幅电路（a）电路图（b）vi＞VB时的等效电路（c）vi＜VB时的等效电路2.3.2限幅电路2.3二极管应用电路280t23vI/V0t23vO/VVBVB图2.3.4二极管限幅电路波形图29vO+DvI+C+vC0tvC/VT/4Vm0tTvI/V0tTvO/VT/2T/2T/4T/4Vm-2Vm(b)(d)图2.3.5二极管钳位电路(a）电路图（b）输入电压波形（c）电容两端电压波形（d）输出电压波形(a)(c)2.3.3钳位电路2.3二极管应用电路302.4特殊二极管2.4.1稳压二极管2.4.2光电二极管2.4.3发光二极管2.4.4激光二极管311.稳压管及其稳压作用2.稳压管的主要参数(1)稳定电压VZ(2)稳定电流IZ(3)动态电阻rZakVZOIZvD/ViD/mAIZVZrZ1斜率（a）（b）图2.4.1稳压管电路符号与伏安特性（a）电路符号（b）伏安特性(4)额定功耗PZ(5)稳定电压的温度系数K2.4.1稳压二极管2.4特殊二极管32ipak0ak246810E=200lx40050(a)(b)(c)ip/Avp/V+vp图2.4.3光电二极管（a）电路符号（b）等效电路（c）特性曲线2.4.2光电二极管2.4特殊二极管33akO+RLEDI+RL+图2.4.4发光二极管的电路符号图2.4.5光隔离器电路2.4.3发光二极管2.4特殊二极管