模擬電子線路 第一章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路

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1、第一章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路 第一節(jié) 學(xué)習(xí)要求 第二節(jié) 半導(dǎo)體的基本知識(shí) 第三節(jié) PN結(jié)的形成及特性 第四節(jié) 半導(dǎo)體二極管 第五節(jié) 二極管基本電路及其分析方法 第六節(jié) 特殊二極管 第一節(jié)? 學(xué)習(xí)要求 （1）了解半導(dǎo)體器件中擴(kuò)散與漂移的概念、PN結(jié)形成的原理。 （2）掌握半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦院头蔡匦浴? （3）掌握二極管基本電路及其分析方法。 （4）熟悉硅穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓原理和主要參數(shù)。 第二節(jié)　半導(dǎo)體的基本知識(shí) 　　多數(shù)現(xiàn)代電子器件是由性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的半導(dǎo)體材料制成的。為了從電路的觀點(diǎn)理解這些器件的性能，首先必須從物理的角度了解它們是如何工作的。

2、 一、半導(dǎo)體材料 　　從導(dǎo)電性能上看，物質(zhì)材料可分為三大類： 　　導(dǎo)體： 電阻率ρ < 10-4 Ω·cm 　　絕緣體：電阻率ρ > 109 Ω·cm 　　半導(dǎo)體：電阻率ρ介于前兩者之間。 　　目前制造半導(dǎo)體器件的材料用得最多的有：硅和鍺兩種 二、本征半導(dǎo)體及本征激發(fā) 1、本征半導(dǎo)體 　　沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體單晶，叫做本征半導(dǎo)體。 2、本征激發(fā) 　　當(dāng)溫度升高時(shí)，電子吸收能量擺脫共價(jià)鍵而形成一對(duì)電子和空穴的過程，稱為本征激發(fā)。 三、雜質(zhì)半導(dǎo)體 　　在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)， 就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的變化。因摻入雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為空穴

3、（P）型半導(dǎo)體和電子（N）型半導(dǎo)體兩大類。 1、P型半導(dǎo)體 　　在本征半導(dǎo)體中摻入少量的三價(jià)元素雜質(zhì)就形成P型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。 　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2、N型半導(dǎo)體 　　在本征半導(dǎo)體中摻入少量的五價(jià)元素雜質(zhì)就形成N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是電子，少數(shù)載流子是空穴。 　　　　　　 ? 返回 第三節(jié)　PN結(jié)的形成及特性 一、PN結(jié)及其形成過程　 　　在雜質(zhì)半導(dǎo)體中， 正負(fù)電荷數(shù)是相等的，它們的作用相互抵消，因此保持電中性。 1、載流子的濃度差產(chǎn)生的多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 　　在P型半導(dǎo)體和

4、N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差，N型區(qū)內(nèi)的電子很多而空穴很少，P型區(qū)內(nèi)的空穴很多而電子很少，這樣電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散，因此，有些電子要從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散， 也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。 2、電子和空穴的復(fù)合形成了空間電荷區(qū) 　　電子和空穴帶有相反的電荷，它們?cè)跀U(kuò)散過程中要產(chǎn)生復(fù)合（中和），結(jié)果使P區(qū)和N區(qū)中原來的電中性被破壞。 P區(qū)失去空穴留下帶負(fù)電的離子，N區(qū)失去電子留下帶正電的離子， 這些離子因物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，它們不能移動(dòng)，因此稱為空間電荷，它們集中在P區(qū)和N區(qū)的交界面附近，形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結(jié)。

5、 3、空間電荷區(qū)產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)E又阻止多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 　　在空間電荷區(qū)后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)中形成一個(gè)電場(chǎng)，其方向從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)，由于該電場(chǎng)是由載流子擴(kuò)散后在半導(dǎo)體內(nèi)部形成的，故稱為內(nèi)電場(chǎng)。因?yàn)閮?nèi)電場(chǎng)的方向與電子的擴(kuò)散方向相同，與空穴的擴(kuò)散方向相反，所以它是阻止載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　? 　　綜上所述，PN結(jié)中存在著兩種載流子的運(yùn)動(dòng)。一種是多子克服電場(chǎng)的阻力的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；另一種是少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的漂移運(yùn)動(dòng)。因此，只有當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度和 內(nèi)建電場(chǎng)才能相對(duì)穩(wěn)定。 由于兩種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)

6、生的電流方向相反，因而在無外電場(chǎng)或其他因素激勵(lì)時(shí)，PN結(jié)中無宏觀電流。 二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 　　PN結(jié)在外加電壓的作用下，動(dòng)態(tài)平衡將被打破，并顯示出其單向?qū)щ姷奶匦浴? 1、外加正向電壓 　　當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，內(nèi)電場(chǎng)變?nèi)?，結(jié)果使空間電荷區(qū)（PN結(jié)）變窄。同時(shí)空間電荷區(qū)中載流子的濃度增加，電阻變小。這時(shí)的外加電壓稱為正向電壓或正向偏置電壓用VF表示。 　　在VF作用下，通過PN結(jié)的電流稱為正向電流IF。外加正向電壓的電路如圖所示。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2、外加反向電壓 　　當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向

7、相同，內(nèi)電場(chǎng)變強(qiáng)，結(jié)果使空間電荷區(qū)（PN結(jié)）變寬, 同時(shí)空間電荷區(qū)中載流子的濃度減小，電阻變大。這時(shí)的外加電壓稱為反向電壓或反向偏置電壓用VR表示。在VR作用下，通過PN結(jié)的電流稱為反向電流IR或稱為反向飽和電流IS。如下圖所示。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 3、PN結(jié)的伏安特性 根據(jù)理論分析，PN結(jié)的伏安特性可以表達(dá)為：　 　　式中iD為通過PN結(jié)的電流，vD為PN結(jié)兩端的外加電壓；VT為溫度的電壓當(dāng)量=kT/q=T/11600=0.026V， 其中k為波爾慈曼常數(shù)（1.38×10-23J/K），T為絕對(duì)溫度（300K），q為電子電荷（1.6×10-19C） ；e

8、為自然對(duì)數(shù)的底；IS為反向飽和電流?！? 返回 第四節(jié)　半導(dǎo)體二極管 一、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　半導(dǎo)體二極管按其結(jié)構(gòu)的不同可分為點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。 　　點(diǎn)接觸型二極管是由一根很細(xì)的金屬觸絲(如三價(jià)元素鋁)和一塊半導(dǎo)體(如鍺)的表面接觸，然后在正方向通過很大的瞬時(shí)電流，使觸絲和半導(dǎo)體牢固地熔接在一起，三價(jià)金屬與鍺結(jié)合構(gòu)成PN結(jié)，并做出相應(yīng)的電極引線，外加管殼密封而成，如圖 2.7所示。由于點(diǎn)接觸型二極管金屬絲很細(xì)， 形成的PN結(jié)面積很小， 所以極間電容很小，同時(shí)，也不能承受高的反向電壓和大的電流。這種類型的管子適于做高頻檢波和脈

9、沖數(shù)字電路里的開關(guān)元件， 也可用來作小電流整流。 如2APl是點(diǎn)接觸型鍺二極管， 最大整流電流為16mA， 最高工作頻率為15OMHz。 　　面接觸型或稱面結(jié)型二極管的PN結(jié)是用合金法或擴(kuò)散法做成的，其結(jié)構(gòu)如圖2.7 所示。由于這種二極管的PN結(jié)面積大，可承受較大的電流，但極間電容也大。這類器件適用于整流，而不宜用于高頻電路中。如2CPl為面接觸型硅二極管，最大整流電流為40OmA， 最高工作頻率只有3kHz。 　　圖2.7中的硅工藝平面型二極管結(jié)構(gòu)圖， 是集成電路中常見的一種形式。代表二極管的符號(hào)也在圖2.7中示出。 　　部分二極管實(shí)物如圖2.8所示?！　　　? 　　 二

10、、極管的伏安特性　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　實(shí)際的二極管的V-I特性如圖2.9所示。由圖可以看出，二極管的V-I特性和PN結(jié)的V-I特性(圖2.6)基本上是相同的。下面對(duì)二極管V-I特性分三部分加以說明: 1、正向特性：二極管外加正向偏置電壓時(shí)的V-I特性 　　對(duì)應(yīng)于圖2.9（b）的第①段為正向特性，此時(shí)加于二極管的正向電壓只有零點(diǎn)幾伏，但相對(duì)來說流過管子的電流卻很大，因此管子呈現(xiàn)的正向電阻很小。但是，在正向特性的起始部分，由于正向電壓較小，外電場(chǎng)還不足以克服PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)，因而這時(shí)的正向電流幾乎為零，二極管呈現(xiàn)出一個(gè)大電阻，好像有一個(gè)門坎。 硅管的門坎電壓Vth(又

11、稱死區(qū)電壓)約為0·5V，鍺管的Vth約為0·lV，當(dāng)正向電壓大于Vth時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)大為削弱，電流因而迅速增長(zhǎng)。 2、反向特性：二極管外加反向偏置電壓時(shí)的V-I特性 　　P型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子（電子）和N型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子（空穴），在反向電壓作用下很容易通過PN結(jié)， 形成反向飽和電流。但由于少數(shù)載流子的數(shù)目很少， 所以反向電流是很小的， 如圖2.9（b）的第②段所示， 一般硅管的反向電流比鍺管小得多，其數(shù)量級(jí)為：硅管nA級(jí)，鍺管大mA級(jí)。 　　溫度升高時(shí)，由于少數(shù)載流子增加，反向電流將隨之急劇增加。 3、反向擊穿特性：二極管擊穿時(shí)的V-I特性 　　當(dāng)增加反向電壓時(shí)， 因在一定

12、溫度條件下， 少數(shù)載流子數(shù)目有限，故起始一段反向電流沒有多大變化，當(dāng)反向電壓增加到一定大小時(shí)，反向電流劇增，這叫做二極管的反向擊穿， 對(duì)應(yīng)于圖2.9的第③段，其原因與PN結(jié)擊穿相同。 三、二極管的主要參數(shù) 　　1、最大整流電流 IF：是指管子長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。因?yàn)殡娏魍ㄟ^PN結(jié)要引起管子發(fā)熱，電流太大，發(fā)熱量超過限度，就會(huì)使PN結(jié)燒壞。例如2APl最大整流電流為16mA。 　　2、反向擊穿電壓 VBR：指管子反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)，反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至因過熱而燒壞。一般手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓約為擊穿電壓的一半，以確保管子安全運(yùn)行

13、。例如2APl最高反向工作電壓規(guī)定為2OV， 而反向擊穿電壓實(shí)際上大于40V。 　　3、反向電流 IR：指管子末擊穿時(shí)的反向電流， 其值愈小，則管子的單向?qū)щ娦杂谩Ｓ捎跍囟仍黾?，反向電流?huì)急劇增加，所以在使用二極管時(shí)要注意溫度的影響。 　　4、極間電容 CJ：二極管的極間電容包括勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容，在高頻運(yùn)用時(shí)必須考慮結(jié)電容的影響。二極管不同的工作狀態(tài)，其極間電容產(chǎn)生的影響效果也不同。 　　二極管的參數(shù)是正確使用二極管的依據(jù)，一般半導(dǎo)體器件手冊(cè)中都給出不同型號(hào)管子參數(shù)。使用時(shí)，應(yīng)特別注意不要超過最大整流電流和最高反向工作電壓，否則將容易損壞管子。 返回 第五節(jié)　二極管基

14、本電路及其分析方法 　　在電子技術(shù)中，二極管電路得到廣泛的應(yīng)用。本節(jié)只介紹幾種基本的電路，如限幅電路、開關(guān)電路、低電壓穩(wěn)壓電路等。 　　二極管是一種非線性器件，因而二極管電路一般要采用非線性電路的分析方法。這里主要介紹比較簡(jiǎn)單理想模型和恒壓模型分析法。 一、二極管正向特性的數(shù)學(xué)模型 1、理想模型--理想的開關(guān)　 　 　　　　　　 　　圖2.10表示理想二極管的VI特性和符號(hào)，其中的虛線表示實(shí)際二極管的VI特性。由圖中可見，在正向偏置時(shí)，其管壓降為OV，而當(dāng)二極管處于反向偏置時(shí)，認(rèn)為它的電阻為無窮大，電流為零。在實(shí)際的電路中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時(shí)，利用此法來近似分析是

15、可行的。 2、恒壓模型--其正向壓降為0.7V(硅管)　 　　　　　　　　 　　這個(gè)模型如圖2.11所示，其基本思想是當(dāng)二極管導(dǎo)通后，其管壓降認(rèn)為是恒定的，且不隨電流而變，典型值為0.7V，不過，這只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或大于1mA時(shí)才是正確的。 該模型提供了合理的近似，因此應(yīng)用也較廣。 二、模型分析法應(yīng)用舉例 1、靜態(tài)工作點(diǎn)分析 　　　　 　　電路如圖2.12所示，請(qǐng)分別用二極管的理想模型和恒壓模型分析其靜態(tài)工作點(diǎn)。 （1）使用理想模型得：VD=0V，ID=VDD/R （2）使用恒壓模型得：VD=0.7V，ID=（VDD-VD）/R 　　上述的計(jì)算結(jié)果

16、表明：VDD>>VD時(shí)，使用恒壓模型較好，因此，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的模型是關(guān)鍵。 2、模型分析法應(yīng)用舉例 例題1：如果圖示電路(a)中設(shè)二極管為恒壓模型。求電路中輸出的電壓Vo值說明二極管處于何種狀態(tài)？ 解：假設(shè)先將A、B斷開，則VA = -10V, VB = -5V，∴VAB= VA-VB= -5V，可見重新接入后二極管將處于反向截止?fàn)顟B(tài)：電路中電流為0（反向電阻無窮大），∴電阻R上的壓降為0，Vo = -5V成立。 例題2：如果圖2.13所示電路(b)中設(shè)二極管為恒壓模型。求電路中輸出的電壓Vo值說明二極管處于何種狀態(tài)？ 解：∵將D1、D2斷開，VB1A＝9V，VB

17、2A= -12-(-9)=-3V ∴將D1、D2接入后，D1導(dǎo)通，D2截止，VA被D1箝位在－0.7V上?！郪o= VA= -0.7V成立?！　　　　　　　　　? 　　 返回 第六節(jié)　特殊二極管 　　除前面所討論的普通二極管外，還有若干種特殊二極管，如齊納二極管、變?nèi)荻O管、光電子器件(包括光電二極管、 發(fā)光二極管和激光二極管)等，本節(jié)主要討論齊納二極管及其應(yīng)用。　　　　　 一、齊納二極管 　　齊納二極管又稱穩(wěn)壓二極管，是一種特殊的面接觸型硅晶體二極管。由于它有穩(wěn)定電壓的作用，經(jīng)常應(yīng)用在穩(wěn)壓設(shè)備和一些電子線路中。 　　 　　 　　穩(wěn)壓二極管的特性曲線與普通二極管基本相似，只是

18、穩(wěn)壓二極管的反向特性曲線比較陡?！　　　? 　　穩(wěn)壓二極管的正常工作范圍，是在伏安特性曲線上的反向電流開始突然上升的A、B段。 這一段的電流， 對(duì)于常用的小功率穩(wěn)壓管來講，一般為幾毫安至幾十毫安。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1、穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) 　?。?）穩(wěn)定電壓Vz 　　穩(wěn)定電壓就是穩(wěn)壓二極管在正常工作時(shí)，管子兩端的電壓值。這個(gè)數(shù)值隨工作電流和溫度的不同略有改變，既是同一型號(hào)的穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)定電壓值也有一定的分散性， 例如2CW14硅穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓為6～7.5V。 　?。?）耗散功率PM 　　反向電流通過穩(wěn)壓二極管的PN結(jié)時(shí)，要產(chǎn)生一定的功率損耗，P

19、N結(jié)的溫度也將升高。　根據(jù)允許的PN結(jié)工作溫度決定出管子的耗散功率。通常小功率管約為幾百毫瓦至幾瓦。 　?。?）穩(wěn)定電流IZ、最小穩(wěn)定電流IZmin、大穩(wěn)定電流IZmax 　　穩(wěn)定電流：工作電壓等于穩(wěn)定電壓時(shí)的反向電流； 　　最小穩(wěn)定電流：穩(wěn)壓二極管工作于穩(wěn)定電壓時(shí)所需的最小反向電流； 　　最大穩(wěn)定電流：穩(wěn)壓二極管允許通過的最大反向電流。 2、穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用　　　　　　　　　　 　　穩(wěn)壓管常用在整流濾波電路之后，用于穩(wěn)定直流輸出電壓的小功率電源設(shè)備中。 　　　　　 　　如圖由R、Dz組成的就是穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓管在電路中穩(wěn)定電壓的原理如下： 　　　　　 　　只要R參數(shù)選得適當(dāng)，就可以基本上抵消Vi的升高值，因而使Vo基本保持不變。 　　可見，在這種穩(wěn)壓電路中， 起自動(dòng)調(diào)節(jié)作用的主要是穩(wěn)壓二極管Dz，當(dāng)輸出電壓有較小的變化時(shí)， 將引起穩(wěn)壓二極管電流Iz的較大變化，通過限流電阻R的補(bǔ)償作用，保持輸出電壓Vo基本不變。 限流電阻R的選擇： 　　1、當(dāng)I0 = I0min、VI = VImax 時(shí) 要求： 　　　　 　　2、當(dāng)I0 = I0max、VI = VImin 時(shí) 要求： 　　　　 故R的取值范圍為： 　　　　 ? 　 返回