模拟电子技术基础第2、3、4讲 《模拟电子技术基础》2 半导体二极管及其及本电路

2.1半导体的基本知识2.3半导体二极管2.4二极管基本电路及其分析方法2.5特殊二极管2.2PN结的形成及特性2半导体二极管及其基本电路小结2.6二极管的应用学习指导学习指导电子技术是当代高新技术的龙头。半导体器件是现代电子技术的重要组成部分。PN结是半导体器件的核心环节。半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路有广泛的应用。主要内容:1、半导体的基本知识;2、PN结的形成及特点;3、半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电路。学习目标：1、掌握以下基本概念：半导体材料的特点、空穴、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏；2、了解PN结的形成过程及半导体二极管的单向导电性；3、掌握半导体二极管的伏安特性及其电路的分析方法；4、正确理解半导体二极管的主要参数；5、掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项，了解选管的一般原则。2.1半导体的基本知识2.1.1半导体特性2.1.2半导体的共价键结构2.1.3本征半导体2.1.4杂质半导体2.1.1半导体特性何谓半导体物体分类导体如：金属绝缘体如：橡胶、云母、塑料等。—导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性半导体器件温度增加使导电率大为增加热敏特性热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光敏特性光敏器件光电器件常用的半导体材料有：元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（GaAs）掺杂材料：硼(B)、铟(In)；磷(P)、锑(Sb)。硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构价电子是我们要研究的对象2.1.2半导体的共价键结构硅晶体的空间排列硅和锗都是四价元素，它们的原子结构外层电子(价电子)数均为4个，价电子受原子核的束缚力最小，决定其化学性质和导电性能共价键表示两个共有价电子所形成的束缚作用。为了保持原子的电中性，原子核用带圆圈的+4符号表示T=0K且无外界激发，只有束缚电子，没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体；T=300K，本征激发，少量束缚电子摆脱共价键成为自由电子，这种现象称为本征激发。2.1.3本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体Si+14284Ge+3228184+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子价带导带挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位称为空穴禁带EG外电场E自由电子定向移动形成电子流束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流本征半导体两种载流子动画一1.本征半导体中有两种载流子—自由电子和空穴2.在外电场的作用下，产生电流—电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动本征半导体空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流电子浓度ni=空穴浓度pi2.1.4杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高掺入三价元素如B、Al、In等，形成P型半导体，也称空穴型半导体掺入五价元素如P、Sb等，形成N型半导体，也称电子型半导体杂质半导体P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入三价元素如B。价带导带-------受主能级自由电子是少子空穴是多子杂质原子提供由热激发形成因留下的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。杂质半导体N型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入五价元素如P。价带导带+++++++施主能级自由电子是多子空穴是少子杂质原子提供由热激发形成由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子•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2.2PN结的形成及特性2.2.1PN结的形成2.2.2PN结的单向导电性2.2.3PN结的反向击穿2.2.4PN结的电容效应2.2.1PN结的形成P型半导体中含有受主杂质，在常温下，受主杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子。N型半导体中含有施主杂质，在常温下，施主杂质电离为带负电的电子和带正电的施主离子。除此之外，P型和N型半导体中还有少数受本征激发产生的电子-空穴对，通常本征激发产生的载流子要比掺杂产生的载流子少得多。半导体中的正负电荷数相等保持电中性2.2.1PN结的形成P区N区扩散运动载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流内电场内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡空间电荷区：由不能移动的带电粒子组成，集中在P区和N区的交界处内电场阻止多子扩散因浓度差多子的扩散运动由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扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动扩散运动产生扩散电流漂移运动少子向对方漂移,称漂移运动漂移运动产生漂移电流。动态平衡扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。PN结稳定的空间电荷区又称高阻区也称耗尽层PN结的形成动画二空间电荷区变窄，内电场减弱扩散运动加强相等动态平衡VPN结的接触电位内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V接触电位V决定于材料及掺杂浓度硅：V=0.7锗：V=0.2内电场2.2.2PN结的单向导电性1.PN结加正向电压时的导电情况外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低阻性。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内外PN结的单向导电性2.PN结加反向电压时的导电情况外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。PN结呈现高阻性P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；内外由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。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。PN结的单向导电性动画三式中Is饱和电流;UT=kT/q等效电压k波尔兹曼常数；T=300k（室温）时UT=26mvPN结电流方程由半导体物理可推出：1)(eIITUUS当加反向电压时：当加正向电压时：(UUT)TUUSeIISIIPN结两端的电压与流过PN结电流的关系式iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=–IS–0.5–1.00.501.0D/V2.2.3PN结的反向击穿反向击穿PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。击穿是可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生击穿是可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生不可逆击穿—热击穿PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁iDOVBRDVBR反向击穿电压势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。2.2.4PN结的电容效应动画高频应用2.2.4PN结的电容效应高频应用CB大小与PN结面积成正比，与耗尽区厚度成反比，而耗尽区厚度随外加电压的改变而改变从电路上来看，CB与结电阻并联反偏时，结电阻大，CB小，二者在同一个数量级正偏时，结电阻小，CB大，二者不在同一个数量级，结电阻起主要作用扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。扩散电容CDPN结电容效应当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。2.3半导体二极管2.3.1半导体二极管的结构2.3.2二极管的伏安特性2.3.3二极管的参数实物图片2.3.1半导体二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型二极管的结构示意图(3)平面型二极管往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底(4)二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极a晶体二极管1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。硅：Vr=0.5-0.6v;锗：Vr=0.1-0.2v2.加反向电压时，反向电流很小即Is硅(nA)Is锗(A)硅管比锗管稳定3.当反压增大VB时再增加，反向电流激增，发生反向击穿，VB称为反向击穿电压。①②③二极管的伏安特性可用下式表示)1(/SDDTVveIi2.3.2二极管的伏安特性当温度升高时特性曲线左移注意参考方向问题晶体二极管晶体二极管的电阻非线性电阻直流电阻R(也称静态电阻）交流电阻r（又称动态电阻或微变电阻）一、直流电阻定义二极管两端的直流电压UD与电流ID之比DDIURIDIUUDD晶体二极管二、交流电阻rRLEDDuIQUUIdIdUr或IUr实质是特性曲线静态工作点处的斜率交流电导：g=dI/dU=I/UT交流电阻：r=1/g=UT/I室温下：UT=26mv交流电阻：r=26mv/ID(mA)晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：TUUSeII由此可得：晶体二极管的电阻2.3.3二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)极间电容CB二极管的型号命名2.4二极管基本电路及其分析方法2.4.1二极管V-I特性的建模2.4.2应用举例直流模型：理想模型恒压降模型折线模型指数模型模型越来越准确，但是计算越来越复杂直流模型用在直流电源作用的电路中交流模型用在交流电源作用的电路中交流模型：小信号模型2.4.1二极管V-I特性的建模1.理想模型3.折线模型2.恒压降模型正偏时导通，管压降为0V;反偏时截止，电流为0。管子导通后,管压降认为是恒定的,典型值为0.7V。管压降不是恒定的,而是随电流的增加而增加。5.小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr即)1(/SDDTVveIi根据得Q点处的微变电导QdvdigDDdQVvTTeVI/SDTVIDdd1gr则DIVT常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT2.4.1二极管V-I特性的建模)1(/SDDTVveIi4.指数模型较完整且较准确2.4.2应用举例二极管在某个电路中可以这样来使用：1、当作非线性电阻来使用，即所有时间内全部在正向导通区2、当作开关来使用，即某段时间内导通，某段时间内截止3、当作开关来使用，即在所有时间内均导通4、当作开关来使用，即在所有时间内均截止5、当作小电压稳压器件来使用，即所有时间内全部在正向导通区6、当作