模拟电路第一章.ppt

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1、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,1.3二极管电路的分析方法,1. 5特殊二极管,小结,1.4 半导体二极管的应用,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,1.1.3PN结,一、常用半导体器件,自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,半导体的电阻率为10-3109cm。,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、2.光敏性：半导体光照时，其导电能力增强。 利用这种特性，有些对光特别敏感的半导体可做成光敏电阻,3.掺杂性：在纯净的半导体材料中，掺杂微量杂质，其导电能力大大增强。 利用该特性可做成半导体器件,1. 种类,半导体,P型半导体(空穴型）,杂质半导体,N型半导体（电子型）,本征半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,纯净且具有完整晶体结构的半导体。如硅、锗单晶体。,硅(锗)的原子结构,简化 模型,(束缚电子),1、半导体的原子结构,价电子：最外层的电子受原子核的束缚最小，最为活跃，故称之为价电子。 最外层有几个价电子就叫几价元素，半导体材料硅和锗都是四价元素。,2、本征半导体的晶体结构,硅

3、(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。,共价键结构每个价电子为两个相邻原子核所共有。,在硅和锗晶体中，原子之间靠的很近，分属于每个原子的价电子受到相邻原子的影响，而使价电子为两个原子所共有，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,3、本征半导体的导电情况,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发

4、时，价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,自 由 电 子,空穴可在共 价键内移动,自由电子数=空穴数,自由电子和空穴统称为载流子,本征半导体的特点,l导电方式,电子电流,空穴电流,共价健中的价电子在外电场的力的作用下挣脱共价键的束缚，沿与外电场方向相反方向填补空穴，就好像空穴沿与外电场方向相同的方向作定向运动，形成电流，这个电流称为空穴电流。,外电场,所以， 本征半导体中有两种电流：电子电流和空穴电流，他们

5、的方向一致，总电流为电子电流与空穴电流之和。,在半导体上加电场时,本征激发：,复 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。,漂 移：,自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。,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。,载流子 ：,自由与动的带电粒子,两种载流子,电子(自由电子),空穴,两种载流子的运动,自由电子(在共价键以外)的运动,空穴(在共价键以内)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。,本征半导体中

6、存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 温度越高，载流子的浓度越高，因此本征半导体的导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点,本征半导体中电流的大小取决于自由电子和空穴的数量，数量越多，电流越大。即本征半导体的导电能力与载流子的数量有关，而当光照和加热时，载流子的数量都会增加，这就说明了光敏性和热敏性。,1.1.2 杂质半导体（电子型半导体）,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电

7、子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。,一、N 型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子。称为施主原子。,N 型,施主原子,自由电子,电子为多数载流子,空穴为少数载流子,载流子数 电子数,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半

8、导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。,二、 P 型半导体（空穴型半导体）,P 型,受主原子,空穴,空穴 多子,电子 少子,载流子数 空穴数,往本征半导体中掺杂三价杂质硼形成的杂质半导体, P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；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。因而也称为受主杂质。,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半

9、导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,1.1.3 PN 结,一、PN 结

10、(PN Junction)的形成,载流子的两种运动扩散运动和漂移运动 扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓 度高的区域向浓度较低区域的运 动。 漂移运动：在电场作用下，载流子有规则的 定向运动。,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,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

11、散电流 等于漂移电流，,通过界面的净载流子数为零，总电流 I = 0。,此时形成的空间电荷区域称为PN结（耗尽层），又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，又称阻挡区或势垒区。,因浓度差,多子产生扩散运动(PN),形成空间电荷区(NP),形成内电场 (NP),阻止多子扩散,促使少子漂移（ NP）,动态平衡,二、PN 结的单向导电性,当外加电压时，PN结就会显示单向导电性,规定：P区接电源正，N区接电源负为PN结加正向电压,N区接电源正，P区接电源负为PN结加反向电压,单向导电性：,PN结加反向电压时，截止。,PN结加正向电压时，导通。,1. PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接

12、正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。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。其理想模型：开关闭合,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,IF = I多子 I少子 I多子,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流是少子形成的电流

13、，故反向电流非常小，PN结呈现高阻性。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,IR = I少子 0,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结加反向电压时的导电情况,PN结加正向电压时的导电情况,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,伏安特性,反向击穿,正向特性,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加

14、反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,PN结正偏的时候电流比较大，反偏的时候电流非常小,反向击穿类型：,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿： (Zener),反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (击穿电压 6 V，负温度系数),雪崩击穿：,反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,(击穿电压 6 V，正温度系数),击穿电压在 6 V

15、左右时，温度系数趋近零。,(1) 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。,图 01.09 势垒电容示意图,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。,(2) 扩散电容CD,反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。,扩散电容示意图,加正向电压同时，扩散电流即外电

16、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。,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),C,(cathode),分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,1.3.1 半导体二极管的结构类型,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、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图所示。,(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

17、)点接触型结构图,(c)平面型结构图,(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)面接触型结构图,式中IS 为反向饱和电流，U 为二极管两端的电压降，UT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有UT=26 mV。,根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示,U/V,外加电压很小不足以克服内部阻碍作用，多子扩散受到抑制，因此不能形成电流,(1) 正向特性,硅二极管的死区电压约为：

18、 Uth=0.5 V左右， 锗二极管的死区电压约为：Uth=0.1 V左右。,当0UUth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压，管子截止。,当U0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：,当UUth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。管子导通。,(2) 反向特性,当U0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：,当UBRU0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS ， IS 0。管子截止。,当UUBR时，反向电流急剧增加，管子击穿。UBR称为反向击穿电压 。,二、二极管的伏安特性,正向特性,Uth,死区 电压,iD = 0,Uth =

19、0.5 V,0.1 V,(硅管),(锗管),U Uth,iD 急剧上升,0 U Uth,UD(on) = (0.6 0.7) V,硅管 0.7 V,(0.2 0.3) V,锗管 0.3 V,反向特性,IS,U (BR),反向击穿,U(BR) U 0,iD = IS, 0.1 A(硅),几十 A (锗),U U(BR),反向电流急剧增大,(反向击穿),从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|7V时,主要是雪崩击穿；若|UBR|4V时, 则主要是齐纳击穿。当在4V7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱

20、和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,UBR,1.2.3 二极管的主要参数,图解法,公式法：,功率二极管,T 升高时，,UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降,uD = UD(on),0.7 V (Si),0.3 V (Ge),六、 晶体二极管基本电路及分析 1. 二极管等效电路 1) 理想模型：把二极管看作理想开关 2) 恒压降模型,（c)二极管恒压降电路模型 （d)理想电路模型,1.3 整流与滤波电路,1.半波整流电路,二极管导通，uL=u2,二极管截止, uL=0,u2 0 时:,u20时:,一. 单相整流电路,主要参数：,IL= UL

21、/RL =0.45 u2 / RL,（2）输出电流平均值Io ：,（1）输出电压平均值UL：,（3）流过二极管的平均电流：,ID = IL,（4）二极管承受的最高反向电压：,练一练,3.二极管限幅电路 限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。一个简单的上限幅电路如图(a)所示。,E0时输出波形,E=0时输出波形,E0时输出波形,工作原理,3. 双向限幅电路,2.全波整流电路,原理：,变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2,当u2正半周时， D1导通，D2截止。,当u2负半周时， D2导通，D1截止。,全波整流电压波形,IL= UL /R

22、L =0.9 u2 / RL,主要参数：,（2）输出电流平均值IL ：,（1）输出电压平均值UL：,（3）流过二极管的平均电流：,ID = IL/2,（4）二极管承受的最高反向电压：,3. 桥式整流电路,（1）组成：由四个二极管组成桥路,u2正半周时:,D1 、D3导通， D2、D4截止,（2）工作原理：,u2负半周时：,D2、D4 导通， D1 、D3截止,输出电压平均值：UL=0.9u2,输出电流平均值:IL= UL/RL =0.9 u2 / RL,流过二极管的平均电流：ID=IL/2,（3）主要参数：,五、二极管的简易测试 将万用表置于R100或R1k()挡（R1挡电流太大,用R10k(

23、)挡电压太高,都易损坏管子）。,将万用表的红黑表笔分别接二极管两端， 若测得阻值小，再将红黑表笔对调测试，测得电阻值大，则表明二极管完好且阻值小的那次测量中（导通）万用表黑表笔所连那端为正极（阳极），红表笔所连为二极管负极（阴极）； 若两次测量阻值都很小，则管子短路；都很大时则管子断路，此两种情况管子都已损坏。,4. 二极管电平选择电路 一从多路输入信号中选出最低或最高电平的电路。一种二极管低电平选择电路如图 (a)所示。设两路输入信号u1,u2均小于E。若u1u2，则V1导通后将把uo限制在低电平u1上，使V2截止。反之，若u2u1，则V2导通，使V1截止。只有当u1=u2时，V1,V2才能

24、都导通。,试分析下列几种情况下二极管的工作状态及输出端F的电位UF。设二极管正向压降为0.7V。 （1）UA=UB=0V （2）UA=0V，UB=3V （3）UA=3V，UB=0V （4）UA=UB=3V,练习,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,两个二极管的阴极接在一起 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V

25、2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,2.发光二极管（LED） 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。 当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。,发光二极管,当发光二极管外加正向电压，且正向电流足够大时，发光二极管发光。 正向电流越大亮度越大。,发光二极管的外形结构和符号,光电二极管 光电二极管是一种将光能 转换为电能的半导体器件， 其结构与普通二极管相似， 只是管壳上

26、留有一个能入射 光线的窗口。 当光电二极管反偏时，它 的反向电流随光照强度的增 加而上升。,光电二极管,光电二极管的外形和符号,光电二极管是远红外线接受管，它是利用PN结的光敏特性制成的将光能转换为电能的器件,返回,光电二极管的伏安特性,光电二极管加反向偏置时，光线对反向电流的影响较大，照度越大光电流越大。,光电二极管加正向偏置时，光线对正向电流的影响较小。,光电二极管的这种特性广泛用于遥控、报警、光电传感器中。,返回,稳压管的伏安特性及符号,稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图所示。它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZmi

27、nIIZmax)，其两端电压几乎不变。,稳压管动态电阻,稳压管等效电路,5. 稳定电压温度系数 CT,一般，,UZ 4 V，CTV 0 (为齐纳击穿)具有负温度系数；,UZ 7 V，CTV 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数；,4 V UZ 7 V，CTV 很小。,例题：稳压管的稳定电流是10mA，稳压值为6V，耗散 功率为200mW。试问：若电源电压E在18V至30V范围 内变化，输出电压UO是否基本不变？稳压管是否安全？,IZ=10 mA,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

28、),3. 根据欧姆定律求电阻 R = (UI UD)/ ID,(R 要选择标称值),小 结,第 1 章,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 半导体,N 型 (多电子),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()。,2. 主要参数,正向 最大平均电流 IF,反向 ,最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿),反向饱和电流 IR (IS)(受温度影响),IS,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,恒压降模型,UD(on),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) = (0.6 0.8) V,估算时取 0.7 V,硅管：,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,主要用途,稳压二极管,反 偏,稳 压,发光二极管,正 偏,发 光,光敏二极管,反 偏,光电转换,