[學(xué)習(xí)]二極管及其基本電路

1、,3 二極管及其基本電路,3.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),3.3 半導(dǎo)體二極管,3.4 二極管基本電路及其分析方法,3.5 特殊二極管,3.2 PN結(jié)的形成及特性,,3.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),3.1.1 半導(dǎo)體材料,3.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),3.1.3 本征半導(dǎo)體,3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體,3.1.1 半導(dǎo)體材料,,,根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。,典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs

2、等。,,,3.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu),,3.1.3 本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。,空穴——共價(jià)鍵中的空位。,電子空穴對(duì)——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)。,空穴的移動(dòng)——空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。,由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對(duì),,3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半

3、導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。,N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。,P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。,1. N型半導(dǎo)體,,3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體,因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。,在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載

4、流子, 由熱激發(fā)形成。,提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。,2. P型半導(dǎo)體,,3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體,因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。,在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。,空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。,3. 雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響,,3.1.

5、4 雜質(zhì)半導(dǎo)體,摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:,以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3 。,,本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體,本節(jié)中的有關(guān)概念,自由電子、空穴,N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體,多數(shù)載流子、少數(shù)載流子,施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì),end,3.2 PN結(jié)的形成及特性,,3.2.2 PN結(jié)的形成,3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿,3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng),3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)

6、散,3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散,,,漂移運(yùn)動(dòng)： 在電場(chǎng)作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)： 由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。,,3.2.2 PN結(jié)的形成,,,,3.2.2 PN結(jié)的形成,,在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:,因濃度差 ?,空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng),? 內(nèi)電場(chǎng)

7、促使少子漂移,?內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散,最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。,,,多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)?,由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) ?,,3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。,(1) PN結(jié)加正向電壓時(shí),低電阻 大的正向擴(kuò)散電流,,3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電

8、壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。,(2) PN結(jié)加反向電壓時(shí),高電阻 很小的反向漂移電流,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流； PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?,3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(3) PN結(jié)V-I 特性表達(dá)式,其中,PN結(jié)的伏安特性,IS ——反向飽和電流,VT ——溫度的電壓當(dāng)量,且在常溫下（T=3

9、00K）,,3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿,當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。,熱擊穿——不可逆,,3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng),(1) 擴(kuò)散電容CD,擴(kuò)散電容示意圖,,3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng),(2) 勢(shì)壘電容CB,end,3.3 半導(dǎo)體二極管,,3.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu),3.3.2 二極管的伏安特性,3.3.3 二極管的主要參數(shù),3.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu),,,

10、在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類。,(1) 點(diǎn)接觸型二極管,PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。,,（a）面接觸型 （b）集成電路中的平面型 （c）代表符號(hào),(2) 面接觸型二極管,PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。,(b)面接觸型,,,3.3.2 二極管的伏安特性,,二極管的伏安特性曲線可用下式表示,鍺二極管2AP15的V-I 特性,硅二極管2CP10的

11、V-I 特性,,3.3.3 二極管的主要參數(shù),end,3.4 二極管基本電路及其分析方法,,3.4.1 簡單二極管電路的圖解分析方法,3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,3.4.1 簡單二極管電路的圖解分析方法,,,二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V -I 特性曲線。,例3.4.1 電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源

12、VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD 。,,解：由電路的KVL方程，可得,即,是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線,Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn),,,3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,,1.二極管V-I 特性的建模,將指數(shù)模型 分段線性化，得到二極管特性的等效模型。,,3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,1.二極管V-I 特性的建模,,3.4.2

13、 二極管電路的簡化模型分析方法,1.二極管V-I 特性的建模,（4）小信號(hào)模型,vs =0 時(shí), Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn) ，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。,vs =Vmsin?t 時(shí)（Vm<<VDD）, 將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I 特性線性化，得到小信號(hào)模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線。,,3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,1.二極管V-I 特性的建模,（4）小信號(hào)模型,過Q點(diǎn)的切線可以等效成一個(gè)微變電阻,即,根據(jù),得Q點(diǎn)處的微

14、變電導(dǎo),則,常溫下（T=300K）,,（a）V-I特性 （b）電路模型,,3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,1.二極管V-I 特性的建模,（4）小信號(hào)模型,（a）V-I特性 （b）電路模型,,3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,2．模型分析法應(yīng)用舉例,（1）整流電路,（a）電路圖 （b）vs和vo的波形,2．模型分析法應(yīng)用舉例,（2）靜態(tài)工作情況分析,理想模型,恒壓模型,（硅二極管典型值

15、）,折線模型,（硅二極管典型值）,設(shè),（a）簡單二極管電路 （b）習(xí)慣畫法,2．模型分析法應(yīng)用舉例,（3）限幅電路,電路如圖，R = 1kΩ，VREF = 3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI = 6sin?t V時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。,2．模型分析法應(yīng)用舉例,（4）開關(guān)電路,電路如圖所示，求AO的電壓值,解：,先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位， 即O點(diǎn)為0V。,則接D陽極的電位為-6V，接陰

16、極的電位為-12V。,陽極電位高于陰極電位，D接入時(shí)正向?qū)ā?導(dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽極的電位。,所以，AO的電壓值為-6V。,end,2．模型分析法應(yīng)用舉例,（6）小信號(hào)工作情況分析,圖示電路中，VDD = 5V，R = 5k?，恒壓降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinwt V。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。,直流通路、交流通路、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。

17、,3.5 特殊二極管,,3.5.1 齊納二極管(穩(wěn)壓二極管),1.符號(hào)及穩(wěn)壓特性,利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。,(1) 穩(wěn)定電壓VZ,(2) 動(dòng)態(tài)電阻rZ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。,rZ =?VZ /?IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin,(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——?VZ,2. 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù),

18、,3.5.1 齊納二極管,3. 穩(wěn)壓電路,,正常穩(wěn)壓時(shí) VO =VZ,3.5.1 齊納二極管,3.5.2 變?nèi)荻O管,,（a）符號(hào) （b）結(jié)電容與電壓的關(guān)系（縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)刻度）,3.5.3 肖特基二極管,,（a）符號(hào) （b）正向V-I特性,3.5.4 光電子器件,,1. 光電二極管,（a）符號(hào) （b）電路模型 （c）特性曲線,3.5.4 光電子器件,,2. 發(fā)光二極管,符號(hào),光電傳輸系統(tǒng),