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模拟电子技术-半导体二极管及其基本电路_图文

模拟电子技术-半导体二极管及其基本电路_图文













第 1 章 半导体二极管 及其基本电路
1.1 半导体的基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 半导体二极管的应用 1.4 特殊二极管 小 结













1.1

半导体的基础知 识

1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体 1.1.3 PN结及其特性













半导体的特点 1.热敏性:半导体的导电能力与温度有关利 用该特性可做成热敏电阻 2.光敏性:半导体的导电能力与光的照射有关

系利用该特性可做成光敏电阻
3.掺杂性:掺如有用的杂质可以改变半导体的 导电能力利用该特性可做成半导体器件













1.1.1 本征半导体

半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。
本征半导体 — 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。













1、半导体的原子结构 硅(锗)的原子结构

简化 模型 惯性核

价电子
(束缚电子)













2、本征半导体的晶体结构 硅(锗)的共价键结构

共价键 — 相邻原子共有价电子所形成的束缚。













3、本征半导体的导电情况 当温度为绝对零度以下时,该结构为绝缘体 在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚 成为自由电子,并在共价键中留下一个空位(空穴) 自 由 电 子 空 穴 空穴可在共 价键内移动

空穴













本征激发:
在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共 价键的束缚成为自由电子,并在共价键中留下一 个空位(空穴)的过程。



合:
自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成 对消失的过程。



移:
自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。

载流子 : 自由运动的带电粒子













两种载流子 空穴

两种载流子的运动 空穴(在共价键以内)的运动

电子(自由电子) 自由电子(在共价键以外)的运动

结论: 1. 本征半导体中电子空穴成对出现,且数量少; 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电;

3. 本征半导体导电能力弱,并与温度有关。













1.1.2 杂质半导体 一、N 型半导体
N型

电子为多数载流子
+4 +4 +4

空穴为少数载流子
+4 磷原子 +5 +4 自由电子

载流子数 ? 电子数













二、 P 型半导体
P型

空穴 — 多子
+4 +4 +4

电子 — 少子
+4 +3 +4

硼原子

空穴

载流子数 ? 空穴数













三、杂质半导体的导电作用 I
IN

IP

I = IP + IN N 型半导体 I ? IN P 型半导体 I ? IP













四、P 型、N 型半导体的简化图示
P 型:
多数载流子 负离子

少数载流子 正离子

N 型:

多数载流子 少数载流子













1.1.3 PN 结
一、PN 结(PN Junction)的形成

1. 载流子的浓度差引起多子的扩散

内建电场 2. 复合使交界面形成空间电荷区 产生了一个内电场,电场的作用是阻碍多子 的扩散促进少子产生漂移 此时产生了两种电流:扩散电流和漂移电流













3. 继续扩散和漂移达到动态平衡 扩散电流 等于漂移电流, 总电流 I = 0。
此时形成的空间电荷区域称为PN结(耗尽层)

二、PN 结的单向导电性
1.定性分析

1). 外加正向电压(正向偏置)— forward bias







子 N区





IF

P区 外电场

内电场

扩散运动加强形成正向电流 IF 。 外电场使多子向 PN 结移动, IF = I多子 ? I少子 ? I多子 中和部分离子使空间电荷区变窄。
限流电阻

2). 外加反向电压(反向偏置) — reverse bias IR
P区 N区 内电场 外电场 漂移运动加强形成反向电流 IR 外电场使少子背离 PN 结移动, I =I ?空间电荷区变宽。 0
R 少子

PN 结的单向导电性:正偏导通,呈小电阻,电流较大; 反偏截止,电阻很大,电流近似为零。











术 玻尔兹曼 常数

2、定量估算
I ? I S (e
反向饱 和电流
u /UT

? 1)
温度的 电压当量

UT ?

kT q
电子电量

当 T = 300(27?C): UT = 26 mV 加正向电压时 加反向电压时 i≈–IS













3、伏安特性
I /mA

正向特性
u /V

反 向 击 穿

反向特性

O













1.2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的结构和类型 1.2.2 半导体二极管的伏安特性
1.2.3 温度对二极管伏安特性的影响 1.2.4 半导体二极管的主要参数 1.2.5 半导体器件的型号及二极管的选择 1.2.6 半导体二极管的模型













1.2.1 半导体二极管的结构和类型 构成: PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode) 符号: A (anode) 按材料分 分类: 点接触型 按结构分 面接触型 平面型 C (cathode)

硅二极管
锗二极管


正极 引线








负极 引线


铝合金 小球 正极引线 PN 结 N型锗

N 型锗片

金锑 合金
底座

外壳

触丝 负极引线
正极 负极 引线 引线

点接触型

面接触型

P N
P 型支持衬底

集成电路中平面型

























1.2.2 二极管的伏安特性 一、PN 结的伏安方程
i D ? I S (e
反向饱 和电流
uD / UT

玻尔兹曼 常数

? 1)

UT ?
电子电量

kT q

温度的 电压当量

当 T = 300(27?C):

UT = 26 mV













二、二极管的伏安特性
iD /mA

0 ? U ? Uth

iD = 0

U (BR)

正向特性
uD /V

Uth = 0.5 V (硅管) 0.1 V (锗管)

U ? Uth iD 急剧上升 反 反向特性 O Uth 向 击 死区 UD(on) = (0.6 ? 0.8) V 硅管 0.7 V 穿 电压 (0.1 ? 0.3) V 锗管 0.2 V U(BR) ? U ? 0 U < U(BR) iD = IS < 0.1 ?A(硅)几十 ?A (锗) 反向电流急剧增大 (反向击穿)













反向击穿类型: 电击穿 — PN 结未损坏,断电即恢复。 热击穿 — PN 结烧毁。

反向击穿原因: 齐纳击穿: 反向电场太强,将电子强行拉出共价键。 (Zener) (击穿电压 < 6 V,负温度系数)
反向电场使电子加速,动能增大,撞击 雪崩击穿: 使自由电子数突增。 (击穿电压 > 6 V,正温度系数) 击穿电压在 6 V 左右时,温度系数趋近零。












iD / mA
15 10 5
– 50 – 25 –0.01 0 0.2 –0.02

iD / mA
60 40

20
–50 –25 – 0.02 – 0.04 0 0.4 0.8 u / V D

0.4

uD / V

硅管的伏安特性

锗管的伏安特性













1.2.3 温度对二极管伏安特性的影响
iD / mA
60 40 20 –50 –25 0 0.4

90?C 20?C

uD / V

– 0.02

T 升高时,
UD(on)以 (2 ? 2.5) mV/ ?C 下降













1.2.4 二极管的主要参数
iD U (BR) URM O IF uD

1. IF — 最大整流电流(最大正向平均电流) 2. URM — 最高反向工作电压,为 U(BR) / 2 3. IR — 反向电流(越小单向导电性越好) 4. fM — 最高工作频率(超过时单向导电性变差)













影响工作频率的原因 — PN 结的电容效应

结论: 1. 低频时,因结电容很小,对 PN 结影响很小。 高频时,因容抗增大,使结电容分流,导致单向 导电性变差。 2. 结面积小时结电容小,工作频率高。













1.2.6 半导体二极管的模型

1 理想二极管模型
特性

iD
uD

符号及 等效模型

S

S

正偏导通,uD = 0;反偏截止, iD = 0

U(BR) = ?













2 二极管的恒压降模型
iD/mA + Uon

? 0 Uon uD/V

uD = UD(on)

0.7 V (Si) 0.2 V (Ge)













3. 二极管的折线模型
iD/mA U Δ ΔU rD = ΔI ΔI + Uon rD

0 Uon

uD/V

?













4 二极管的交流小信号模型
iD/mA Q点处的切线 ΔiD IDQ + ΔiD ΔuD ? rd

0
? iD ?u D
Q

uD/V UDQ ΔuD
ISe
uD U
T

图解法
?
T Q

1 rd

?

?

diD du D
Q

?

I DQ U
T

U

rd ?

U

T

I DQ













【例1-1】 电路如图1-15所示,VD为硅二极管,R=2k?, 求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。

解: 当VDD=2V时
采用恒压源模型进行分析
VDD

IO

VD + R
UO

UO=VDD﹣Uon=2V﹣0.7V=1.3V IO=UO/R=1.3V/2k?=0.65mA

?

当VDD=10V时
采用理想二极管模型分析 UO=VDD =10V IO=UO/R=10V/2k?=5mA













1.3 半导体二极管的应用
? 二极管在电路中有着广泛的应用,利用它的单 向导电性,可组成整流、限幅、检波电路,还可 做元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。
1.3.1 二极管在限幅电路中的应用 限幅电路分为串联限幅电路、并联限幅电路、 并联限幅电路和双向限幅电路三种 。












+ ui +

VD _ uD R uo E _ +

1. 串联限幅电路 工作原理 uD=ui﹣E 当uD≥Uon 即ui?E+Uon时

_
ui Um E+Uon 0

VD正偏导通 uD=Uon uo=ui﹣Uon

t

uo Um-Uon E 0 t

输出波形












+ ui +

VD _ uD R uo E _ _ +

1. 串联限幅电路 uD=ui﹣E 当uD?Uon 即ui<E+Uon时 VD截止 流过二极管的电流为零

ui Um E+Uon 0 t

uo

uo=E

Um-Uon E 0 t

输出波形


+ ui +

VD uD


_


R


+ uo




ui Um E+Uon 0 t

E _ _

传输特性(或限幅特性)uo=f(ui)
uo E

uo

Um-Uon E 0 t

0

E+Uon

ui

输出波形












+ ui +

VD _ uD R uo E _ +

ui Um Uon 0 t

ui Um

_

0 E+Uon

t

uo Um-Uon 0 t

uo Um-Uon 0 E E<0时输出波形 t

E=0时输出波形













2. 并联限幅电路
R + VD ui _ (a) 电路图
uo E+Uon

ui
+ uD _ + uo

Um E+Uon 0 t

E

_

uo E+Uon
0 E+Uon ui

0

t

(b) 传输特性

(c) 输出波形




R








ui

3. 双向限幅电路
+ VD1 ui E1 _ (a) 电路图 uo E1+Uon ?E2?Uon 0 E1+Uon ?E2?Uon (b) 传输特性 ui E2 _ VD2 uo +

Um E1+Uon 0 ?E2?Uon

t

uo E1+Uon 0 ?E2?Uon (c) 输出波形

t













1.3.2 二极管在整流电路中的应用
1. 单相半波整流电路
u2 U2m a + u2 _ b VD io + RL uo uo _ U2m

0

+ u1 _

t

A

0

t













2. 全波整流电路
u2 a + + u21 _ c + u22 _ ? b VD2 RL VD1 io + uo _ uo U2m t 0 t U2m

u1

0













1. 4

特殊二极管

1.4.1 稳压二极管 1.4.2 发光二极管 1.4.3 光电二极管 1.4.4 变容二极管













1.5.1 稳压二极管 一、伏安特性
iZ /mA

符号
特性

?UZ
?IZ

?UZ

? IZminuZ/V ? IZ ? IZmax

O

工作条件:反向击穿













二、主要参数 1. 稳定电压 UZ
2. 稳定电流 IZ

流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。 越大稳压效果越好, 小于 Imin 时不稳压。 P ZM = UZ IZM

3. 最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZM 4. 动态电阻 rZ

几 ? ? 几十 ?

rZ = ?UZ / ?IZ 越小稳压效果越好。













5. 稳定电压温度系数 α
? ?
?U
Z

U Z?T

? 100 %/ C

?

UZ < 4 V, α < 0 (为齐纳击穿)具有负温度系数; UZ > 7 V, α > 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数; 4 V < UZ < 7 V, α 很小。











术 R IR IO

3. 稳压管稳压电路 ⑴ 稳压原理 UI IR = IDZ + IO UO= UI – IR R

IDZ RL

UO

① 负载电阻RL不变,输入电压UI变化时
UI UO UO UZ IDZ IR UR











术 R IR IO

3. 稳压管稳压电路 ⑴ 稳压原理 UI IR = IDZ + IO UO= UI – IR R

IDZ RL

UO

② 当输入电压UI不变,负载电阻RL变化时
RL IO IR UR UO UO IDZ IR UR











术 R IR IO

⑵ 限流电阻的选择 稳压条件:U I
RL R ? RL ?U
Z

UI

I Zmin ? I D Z ? I Z max
当UI=UImax,IO=IOmin时,IDZ最大,

IDZ RL

UO

则R值必须足够大,以满足IDZ?IZmax,即
U
Imax

?U R

Z

? I Omin ? I Zmax
Imax



R ?

U

?U

Z

I Omin ? I Zmax











术 R IR IO

⑵ 限流电阻的选择
当UI=UImin,IO=IOmax时, IDZ最小,则R值必须足够小, 以满足IDZ ?IZmin,即
U
Imin

UI
?U
Z

IDZ RL

UO

R

? I Omax ? I Zmin



R ?

U

Imin

?U

Z

I Zmin ? I Omax

因此,限流电阻R的选择必须满足:
U
Imax

?U

Z

I Zmax ? I Omin

? R ?

U

Imin

?U

Z

I Zmin ? I Omax













【例1-5】
已知UZ=6V,IZmin=10mA,PCM=200mW,R=500Ω。 rz和反向饱和电流均可忽略。试求: ① 当UI=20V,RL分别取1k?、100?或开路时, 电路的稳压性能怎样?输出电压UO=?

② 当UI=7V,RL变化时,电路的稳压性能又怎样?

解: ① 当RL=1k?时,
UI ? RL RL ? R 1000 1000 ? 500

R IR

IO IDZ RL

? 20 ?

UI

UO

? 13 . 3 V ? 6 V










U

术 R IR IO

VDZ被反向击穿
I DZ ? ? UI ?U R ? 6 1000
Z

?

Z

RL

20 ? 6 500

UI

IDZ RL

UO

? 0 . 022 A ? 22 mA

因为: 所以:

I Zmax ?

PCM U
Z

? 33 . 3

I Zmin ? I DZ ? I Zmax

稳压管稳压性能好











术 R IR

当RL=100?时
UI? RL RL ? R ? 20 ? 100 100 ? 500 ? 3 .3 V ? 6 V

IO
IDZ RL

UI

UO

稳压管不能被击穿
U
O

? 3 .3 V

当负载开路时
I DZ ? U
I

UO=UZ=6V
?U R
Z

?

20 ? 6 500

? 0 . 028 A ? 28 mA

IDZ?IZmax

稳压管能稳压,且稳压性能很好













R IR

IO
IDZ RL

② 当UI=7V时

UI

UO

当负载开路时,流过稳压管的电流最大,为
I DZM ? U
I

?U R

Z

?

7?6 500

? 0 . 002 A ? 2 mA ? I Zmin

故稳压管不能稳压













1.4.2 发光二极管 发光二极管 LED (Light Emitting Diode)

1. 符号和特性 工作条件:正向偏置

符号

特性 一般工作电流几十 mA, 导通电压 (1 ? 2) V

i /mA

O

2

u /V













2. 主要参数
电学参数:I FM ,U(BR) ,IR 光学参数:峰值波长 ?P,亮度 L,光通量 ? 发光类型: 可见光:红、黄、绿 不可见光:红外光

显示类型: 普通 LED ,七段 LED ,
点阵 LED























术 i
O

1.4.3 光电二极管
1.符号和特性 暗电流
E = 200 lx

工作条件: 反向偏置
u

符号 2. 主要参数

E = 400 lx

特性

电学参数: 暗电流,光电流,最高工作范围 光学参数: 光谱范围,灵敏度,峰值波长

实物照片













补充:选择二极管限流电阻

步骤:

1. 设定工作电压(如 0.7 V;2 V (LED);UZ )
2. 确定工作电流(如 1 mA;10 mA;5 mA)

3. 根据欧姆定律求电阻 R = (UI ? UD)/ ID
(R 要选择标称值)













第 1 章 小 结













一、两种半导体和两种载流子
两种载流 子的运动 电子 — 自由电子 空穴 — 价电子 两 种 N 型 (多电子) 半导体 P 型 (多空穴)

二、二极管 1. 特性 — 单向导电
正向电阻小(理想为 0),反向电阻大(?)。
uD

uD

i D ? I S (e

UT

? 1)

uD ? 0, i D ? I S (e

UT

? 1)

uD ? 0, I ? ? I S ? 0



拟 iD U (BR)

电 IF







2. 主要参数
uD

URM O
IS

正向 — 最大平均电流 IF

最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿) 反向 — 反向饱和电流 IR (IS)(受温度影响)













3. 二极管的等效模型 理想模型 (大信号状态采用)
正偏导通 电压降为零 相当于理想开关闭合 反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开
iD

恒压降模型
正偏电压 ? UD(on) 时导通 等效为恒压源UD(on) 否则截止,相当于二极管支路断开

UD(on)

uD

硅管: UD(on) = (0.6 ? 0.8) V 估算时取 0.7 V
锗管:

(0.1 ? 0.3) V

0.2 V

折线近似模型
相当于有内阻的恒压源 UD(on)













4. 二极管的应用 限幅 整流

5. 特殊二极管
工作条件 稳压二极管 发光二极管 光电二极管 反 偏 正 偏 反 偏 主要用途 稳 压 发 光

光电转换


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