二极管及其基本电路

淮南师范学院电气信息工程学院3.1半导体的基本知识3.3二极管3.4二极管的基本电路及其分析方法#3.5特殊二极管（选学）3.2PN结的形成及特性淮南师范学院电气信息工程学院3.1半导体的基本知识3.1.1半导体材料3.1.2半导体的共价键结构(单晶体结构）3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用3.1.4杂质半导体淮南师范学院电气信息工程学院3.1.1半导体材料P55根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体材料有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。淮南师范学院电气信息工程学院3.1.2半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构（a)原子结构模型（b)Si的二维晶格结构模型淮南师范学院电气信息工程学院3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体P56——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。电子与空穴移动（动画1-1）（动画1-2）E淮南师范学院电气信息工程学院3.1.4杂质半导体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。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。淮南师范学院电气信息工程学院1.N型半导体3.1.4杂质半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。淮南师范学院电气信息工程学院2.P型半导体3.1.4杂质半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。淮南师范学院电气信息工程学院3.杂质对半导体导电性的影响3.1.4杂质半导体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:3以上三个浓度基本上依次相差约106/cm3,导电性明显提高。2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm34.96×1022/cm3淮南师范学院电气信息工程学院•本征半导体、杂质半导体本节中的有关概念•自由电子、空穴•N型半导体、P型半导体•多数载流子、少数载流子•施主杂质、受主杂质end淮南师范学院电气信息工程学院3.2PN结的形成及特性3.2.2PN结的形成3.2.3PN结的单向导电性3.2.4PN结的反向击穿3.2.5#PN结的电容效应(选学）3.2.1载流子的漂移与扩散淮南师范学院电气信息工程学院3.2.1载流子的漂移与扩散p60漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。(争对本征半导体而言）扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。(争对杂质半导体而言）淮南师范学院电气信息工程学院3.2.2PN结的形成载流子扩散与漂移运动SiO2E淮南师范学院电气信息工程学院3.2.2PN结的形成（动画1-3）淮南师范学院电气信息工程学院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。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: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由杂质离子形成空间电荷区淮南师范学院电气信息工程学院对于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。淮南师范学院电气信息工程学院3.2.3PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时•低电阻•正向扩散电流大（动画1-4）淮南师范学院电气信息工程学院3.2.3PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向电压时•高电阻•反向漂移电流很小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。（动画1-5）淮南师范学院电气信息工程学院PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。淮南师范学院电气信息工程学院3.2.3PN结的单向导电性(3)PN结V-I特性表达式其中PN结的伏安特性)1e(/SDDTVIivIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）V026.0qkTVTmV26淮南师范学院电气信息工程学院3.2.4PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿—可逆电击穿P66击穿淮南师范学院电气信息工程学院3.2.5PN结的电容效应(1)扩散电容CD扩散电容示意图当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为扩散电容CD。注意：离结越远，由于空穴与电子的复合，PN结两边的电荷存储量浓度将随之减小，扩散电容减弱。P66淮南师范学院电气信息工程学院3.2.5PN结的电容效应(2)势垒电容CBend当外加反偏电压VR时，漂移运动占主导地位，势垒电位增加到V0+VR，结电场加强，多数载流子被被拉出而远离PN结，势垒增加。反之，当外加电压减小时，势垒区变窄。势垒区的变化，意味着区内存储的正、负离子数的增减，类似于平行板电容器两极上电荷的变化。此时PN结呈现出的电容效应为势垒电容CB。注意：所不同的是：势垒电容是非线性的，而平行板电容器的电容是线性的。参见P67+CBCDCd=淮南师范学院电气信息工程学院3.3二极管3.3.1二极管的结构3.3.2二极管的伏安特性3.3.3二极管的主要参数淮南师范学院电气信息工程学院3.3.1二极管的结构P68～在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，适用于高频电路和数字电路，但不能承受大电流场合。淮南师范学院电气信息工程学院（a）面接触型（b）集成电路中的平面型（c）代表符号(2)面接触型二极管PN结面积大，能承受大电流，适用于整流电路，但结电容大，不能用于高频电路。(b)面接触型淮南师范学院电气信息工程学院3.3.2二极管的V-I特性二极管的V-I特性曲线可用下式表示)1e(/SDDTVIiv锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管2CP10的V-I特性坎电压P69VT——温度的电压当量，26mv,注意:温度升高反向饱和电流增加P70淮南师范学院电气信息工程学院3.3.3二极管的主要参数P71(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR(3)反向电流IR(4)极间电容Cd（CB、CD）(5)反向恢复时间TRRend参见p71淮南师范学院电气信息工程学院3.4二极管的基本电路及其分析方法3.4.1简单二极管电路的图解分析方法（了解）3.4.2二极管电路的简化模型分析方法淮南师范学院电气信息工程学院3.4.1简单二极管电路的图解分析方法二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法（其中：简化模型分析方法常用的方法)，但相对来说比较复杂，另一种方法：图解分析法，相对较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线，适用范围有限，且不使用于复杂电路分析。淮南师范学院电气信息工程学院例3.4.1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。淮南师范学院电气信息工程学院例3.4.1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。解：由电路的KVL方程，可得RViDDDDvDDDD11VRRiv即是一条斜率为-1/R的直线，称为直流负载线Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路工作点，简称静态工作点。淮南师范学院电气信息工程学院3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。)1e(DSDTVIiv（1）理想模型（a）V-I特性（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淮南师范学院电气信息工程学院3.4.2二极管电路的简化模型分析方法（2）恒压降模型（a）V-I特性（b）电路模型硅管恒压降值：0.6v～0.7v锗管恒压降值：0.2v～0.3v电路图淮南师范学院电气信息工程学院3.4.2二极管电路的简化模型分析方法（3）折线模型（b）电路模型rD：硅材料200Ω，锗材料100Ω电路图（a）V-I特性注明：理想模型、恒压降模型、折线模型主要用于对二极管静态工作点及输出波形的分析。淮南师范学院电气信息工程学院3.4.2二极管电路的简化模型分析方法当vs=0时,画直流负载线L，其中Q点为静态工作点，反映直流时的工作状态。)(11sDDDDvvVRRi当vs=Vmsint时（VmVDD）,将Q点附近小范围内的V-I特性线性化，以L为基准线，得到两条交流负载线L1、L2,两条交流负载线间的范围即交流信号动态范围。其中ΔvDΔiD为电压、电流的小信号，Q点为静态工作点，Q，、Q”为动态工作点。（4）小信号模型LL1L2注明：小信号模型主要用于对二极管交流参数的分析淮南师范学院电气信息工程学院3.4.2二极管电路的简化模型分析方法过Q点的切线其斜率的倒数，可以等效成一个微变电阻rDDDdirv即)1e(/SDDTVIiv经验公式得Q点处的微变电导QigDDdddvQVTTVI/SDevTVIDdd1gr则，常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrTQTViD（a）V-I特性（b）电路模型根据即注明：小信号模型用于对二极管交流信号分析淮南师范学院电气信息工程学院3.4.2二极管电路的简化模型分析方法特别注意：小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关，即ID有关。该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vDVT。此交流模型适用于低频和中频信号，对于高频信号的模型，还需要并接一个等效的结电容，如下图所示。参见P79淮南师范学院电气信息工程学院3.4.2二极管电路的简化模型分析方法2．模型分析法应用举例：在整流电路中分析应用（1）画出输出电压的波形（a）电路图（b）vs和vO的波形说明：二极管模型多种，在本题中选用理想模型法淮南师范学院电气信息工程学院（2）静态工作情况分析（即求二极管两端电压及流过的电流）V0DVmA1/DDDRVI•采用理想模型法R=10k已知VDD=10V，mA93.0/)(DDDDRVVI•采用恒压模型法V7.0DV（硅二极管典型值）•采用折线模型法V5.0thV（硅二极管典型值）mA931.0DthDDDrRVVIk2.0Dr设V69.0DDthDrIVV当VDD=1V时，（自看）（a）