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1,1 半导体(semiconductor)的基本知识,2 PN结(PNjunction)的形成及特性,电子-空穴对,杂质半导体,2,3,PN结(PNjunction)的形成及特性,5,PN结的单向导电性,6,3.3 半导体二极管,3.3.1 半导体二极管的结构,3.3.2 二极管的伏安特性,3.3.3 二极管的参数,7,3.3.1 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。二极管按结构分有点接触型、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。不能承受大的反向电压和电流.,例:2AP1 Imax=16mA, f最高=150MHz,8,(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,极间电容大,用于工频大的电流整流电路。,(b)面接触型,(4) 二极管的代表符号,9,半导体二极管图片,二极管的应用:利用其单向导电性,作为整流、滤波、元件保护及开关元件。,10,11,3.3.2 二极管的伏安(V-I)特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,反向特性,反向击穿特性,12,3.3.3 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) 极间电容CJ(CB、 CD ),最大正向平均电流,13,(a) 势垒电容CB,描述势垒区的空间电荷随电压变化而产生的电容效应。,CB正比于PN结的面积S, 反比于耗尽区厚度。,势垒电容与结电阻并联,它只有在外加电压改变时才起作用,特别是外加电压的频率越高CB的作用就越明显。在PN结反向偏置时作用更明显。利用这种特性可做成各种变容二极管。,14,(b) 扩散电容CD,扩散电容示意图,C为CB与CD并联的总效果。,当PN结处于正向偏置时,扩散运动使多数载流子穿过PN结,在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小,取决于PN结上所加正向电压值的大小。离结越远,由于空穴与电子的复合,浓度将随之减小。,若外加正向电压有一增量V,则相应的空穴(电子)扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q,二者之比Q/V为扩散电容CD。,15,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,16,3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法,二极管是一种非线性器件,因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法,相对来说比较复杂,而图解分析法则较简单,但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线。,17,例3.4.1 电路如图所示,已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R,求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。,解:由电路的KVL方程,可得,即,是一条斜率为-1/R的直线,称为负载线,Q的坐标值(VD,ID)即为所求。Q点称为电路的工作点,18,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,将指数模型 分段线性化,得到二极管特性的等效模型。,当电源电压远高于二极管的管压降时用此模型。,19,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,vD0.7V,当iD大于或接近1mA时,模型合理,应用最广。,rD,Vth具有随机性,Vth,20,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,(4)小信号模型,vs =0 时, Q点称为静态工作点 ,反映直流时的工作状态。,vs =Vmsint 时(VmVDD), 将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化,得到小信号模型,即以Q点为切点的一条直线。,21,补充:,正向导通的函数表达为:,设系统的直流工作点Q为vD0,在Q附近进行Taylor展开:,当(vD-vD0)在小范围波动时,上述方程可近似为:,即:,22,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,(4)小信号模型,过Q点的切线可以等效成一个微变电阻,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下(T=300K),?,23,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,(4)小信号模型,小信号模型中研究的是信号的变化量 小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。 该模型用于二极管处于正向偏置条件下,且vDVT 。,(a)V-I特性 (b)电路模型,24,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,2模型分析法应用举例,(1)整流电路,(a)电路图 (b)vs和vO的波形,25,2模型分析法应用举例,(2)静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,(硅二极管典型值),折线模型,(硅二极管典型值),设,(a)简单二极管电路 (b)习惯画法,注意与上面结论有差别!,26,2模型分析法应用举例,(3)限幅电路,电路如图,R = 1k,VREF = 3V,二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解,当vI = 6sint V时,绘出相应的输出电压vO的波形。,27,2模型分析法应用举例,(4)开关电路,解:,VB截止。,DA称为嵌位二极管,DB隔离二极管。,(5)低电压稳压电路 (自学),利用的是二极管电流变化较大时其两端电压变化较小的原理。,28,2模型分析法应用举例,(6)小信号工作情况分析,图示电路中,VDD = 5V,R = 5k,恒压降模型的VD=0.7V,vs = 0.1sinwt V。(1)求输出电压vO的交流量和总量;(2)绘出vO的波形。,直流通路、交流通路、静态、动态等概念,在放大电路的分析中非常重要。,29,3.5 特殊二极管,3.5.1 稳压二极管(齐纳二极管),1. 符号及稳压特性,(a)符号,(b) 伏安特性,管子的杂志浓度大,空间电荷区的电荷密度大,空间电场强。,30,(1) 稳定电压VZ,(2) 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下,所对应的反向工作电压。,rZ =VZ /IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,(5)稳定电压温度系数,2. 稳压二极管主要参数,31,3. 稳压电路,R可在VI或RL变化时,通过调节自身压降而使VO稳定。,正常稳压时 VO =VZ,# 稳压条件是什么?,# 不加R可以吗?,# 上述电路vI为正弦波,且幅值大于VZ , vO的波形是怎样的?,32,3.5.2 变容二极管,对数坐标,在高频技术中应用较多。,例如:彩色电视中的电子调谐器,通过直流电压的控制改变二极管的结电容从而改变振荡频率,实现频道选择。,33,3.5.3 肖特基二极管,(a)符号 (b)正向V-I特性,特点: 1、电容效应非常小,适合高频和开关状态应用; 2、正向导通电压低,反向击穿电压低。,34,3.5.4 光电子器件,1、光电二极管,器件的PN结工作在反向偏置状态,电流随光照强度的增加而上升。,35,2、发光二极管,发光二极管常做为显示器件,另一种重要用途是将电信号变为光信号,通过光缆传输,然后再用光电二极管接收,再现电信号。,36,2. 激光二极管,(a)物理结构 (b)符号,在小功率光电设备中得到广泛应用。如:计算机的光盘驱动器,激光打印机的打印头等.,37,第三章 结束,
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