1、第一章 半導(dǎo)體材料及二極管,1.3 晶體二極管及其應(yīng)用,二極管的核心是一個PN結(jié)。,圖1.11 二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號,1.3.1 晶體二極管的伏安特性,二極管的伏安特性是指流過二極管中的電流 與其端電壓 之間的關(guān)系。,（1.16）,-加在二極管上的端電壓,-流過二極管上的電流,二極管的正偏伏安特性方程:,二極管的正向電流隨正偏電壓的增大呈指數(shù)規(guī)律增加。,1.正偏伏安特性,（1.17）,二極管的反偏伏安特性方程:,可見，二極管反向電流不隨反向偏壓 而變化，僅有很小的反向飽和電流。,2.反偏伏安特性,（1.18）,圖1.12 二極管的伏安特性曲線,當(dāng)加在二極管上的反偏電壓超過某一數(shù)值VBR時，反

2、偏電流將急劇增大，這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿,圖1.13 二極管的反向擊穿特性,3.反向擊穿特性,導(dǎo)致二極管出現(xiàn)反向擊穿的原因有下面兩種： 雪崩擊穿 齊納擊穿,4.溫度對二極管伏安特性的影響,溫度對二極管正向特性的影響,溫度對二極管反向特性的影響,圖1.14 溫度對二極管伏安特性的影響,5. Si二極管與Ge二極管的差別,Si 二極管的開啟電壓約0.5-0.6V，Ge二極管的開啟電壓約0.1-0.2V。 Si二極管反向電流比Ge二極管反向電流小得多，Si 管是pA量級，Ge管是A量級。 為什么？,圖1.15 Si和Ge兩種二極管伏安特性的差別,1.3.2 二極管的直流電阻和交流電阻,1.直流

3、電阻,靜態(tài)工作點,圖1.16 二極管的直流電阻,2.交流電阻,說明:交流電阻與直流電流成反比。,如何證明？,圖1.17 二極管的交流電阻,3.二極管的其它主要參數(shù),最大平均整流電流 最高反向工作電壓 反向電流 最高工作頻率,含二極管電路的分析 （非線性伏安關(guān)系）,代數(shù)法：求解非線性方程組,幾何法：圖解法,模型法：近似線性法,計算復(fù)雜，必須借助計算機,粗糙，必須知道伏安關(guān)系曲線,方便，可以利用線性電路分析方法,如何模型化？,根據(jù)伏安關(guān)系,1.3.3 二極管模型,圖1.18 二極管模型 （a)理想開關(guān)模型 （b）恒壓源模型 （c）折線近似模型,1.二極管伏安特性的分段線性近似模型,例1.1 硅二極

4、管與恒壓源E和限流電阻R構(gòu)成的直流電路如圖1.19所示，求二極管工作點。,圖1.19,解：將二極管用恒壓源模型近似后來估算二極管工作點。,為什么采用恒壓源模型？,2.二極管的交流小信號模型,圖1.20 二極管的交流小信號模型,例1.2 若在例1.1電路中串聯(lián)一個正弦電壓源 ，圖1.21（a）為其電路圖，估算此時二極管上交流電壓與電流成分的振幅值 和 （T300K）。,圖1.21 二極管交流電路分析 （a）電路圖 （b）交流等效電路,解：當(dāng)未加正弦電壓源，即 時，由例1.1可知，二極管的工作點 ， ，則可估算出該工作點處的交流電阻為,直流電壓上疊加了交流電壓，直流電流上疊加了交流電流。,在靜態(tài)工

5、作點附近，非線性電路近似為線性電路。,利用線性電路的疊加原理，可以畫出只反映交變電壓和交變電流之間關(guān)系的電路，稱之為交流等效電路，如圖1.21(b)所示，由此交流通路可求出 :,1.3.4 二極管應(yīng)用電路,1.整流電路,圖1.22 直流穩(wěn)壓電源方框圖,圖1.23 半波整流電路,試分析半波整流電路的工作原理，指出其不足，提出改進方法。,全波整流電路,試分析全波整流電路的工作原理，指出其不足，提出改進方法。,橋式整流電路,試分析橋式整流電路的工作原理,2.濾波電路,圖1.25 濾波電路,試分析濾波電路的工作原理。,限幅電路是一種能限制電路輸出電壓幅值的電路。,3.限幅電路,圖1.26 限幅電路的電

6、壓傳輸特性,Vomax,Vomin,VIL,VIH,圖1.27 雙向限幅電路,試分析雙向限幅電路的工作原理。,鉗位電路是一種能使整個信號電壓直流平移的電路。在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出波形完全是輸入波形的復(fù)制品，但輸出波形相對于輸入波形有直流平移現(xiàn)象，平移程度取決于電路。,4.鉗位電路,圖1.28 鉗位電路原理分析 圖1.29 鉗位電路的波形,試找出圖中的錯誤,1.3.5 穩(wěn)壓管及其應(yīng)用,1.穩(wěn)壓管的伏安特性,圖1.30 穩(wěn)壓管伏安特性曲線及電路符號,穩(wěn)定電壓 最小穩(wěn)定電流 最大穩(wěn)定電流 動態(tài)電阻 電壓溫度系數(shù),2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù),3.穩(wěn)壓管電路,圖1.32 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,1）穩(wěn)壓原理,圖1.33

7、穩(wěn)壓管電路原理分析,試分析穩(wěn)壓原理,問題：還有其他的分析方法嗎？,2）限流電阻R的選取,穩(wěn)壓管正常工作范圍：,可以求得：,例1.3 采用的Si穩(wěn)壓管2DW3的穩(wěn)壓電路如圖1.34所示。如果輸入電壓的波動 ，試問輸出電壓的波動,圖1.34,解：,圖1.35 穩(wěn)壓電路模型及增量等效模型,輸入電壓的變化量為：,輸出電壓的變化量為：,輸出電壓的相對變化量為：,例1.4為汽車上的收音機設(shè)計一個穩(wěn)壓電源。要求該穩(wěn)壓電源為汽車收音機提供一個9V的電壓，穩(wěn)壓電源的輸入電壓來自汽車電瓶，電瓶電壓的變化范圍（1113.6）V，收音機的電流介于0(關(guān)掉)100mA(最大音量)之間。,圖1.36,解：（1）當(dāng)負載電流

8、最大 ，輸出電壓最小 時，流過穩(wěn)壓管的電流最小 ，則 （2）當(dāng)負載電流最小 ，輸入電壓最大 時，流過穩(wěn)壓管的電流最大 ,則,令上兩式相等，則:,只含兩個未知量： 和 。 取穩(wěn)壓管的最小電流是最大電流的十分之一，即,則限流電阻 :,提高訓(xùn)練： 如何設(shè)計小功率電壓源電路？,1.3.6 PN結(jié)電容效應(yīng)及應(yīng)用,勢壘電容 擴散電容,變?nèi)荻O管,1.3.7特殊二極管,太陽能電池 光電二極管 發(fā)光二極管 肖特基二極管,1.3.8 小結(jié),半導(dǎo)體知識 二極管知識 二極管應(yīng)用,一、半導(dǎo)體知識 1本征半導(dǎo)體 單質(zhì)半導(dǎo)體材料是具有4價共價鍵晶體結(jié)構(gòu)的硅（Si）和鍺（Ge）。前者是制造半導(dǎo)體IC的材料（三五價化合物砷化

9、鎵GaAs是微波毫米波半導(dǎo)體器件和IC的重要材料）。 純凈且具有完整晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在一定的溫度下，本征半導(dǎo)體內(nèi)的最重要的物理現(xiàn)象是本征激發(fā)（又稱熱激發(fā)或產(chǎn)生）。本征激發(fā)產(chǎn)生兩種帶電性質(zhì)相反的載流子自由電子和空穴對。溫度越高，本征激發(fā)越強。,空穴是半導(dǎo)體中的一種等效載流子。空穴導(dǎo)電的本質(zhì)是價電子依次填補本征晶格中的空位，使局部顯示電荷的空位宏觀定向運動。 在一定的溫度下，自由電子與空穴在熱運動中相遇，使一對自由電子和空穴消失的現(xiàn)象稱為載流子復(fù)合。復(fù)合是產(chǎn)生的相反過程，當(dāng)產(chǎn)生等于復(fù)合時，稱載流子處于平衡狀態(tài)。,2雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征硅（或鍺）中滲入微量5價（或3價）元素后形成N型（

10、或P型）雜質(zhì)半導(dǎo)體。 在很低的溫度下，N型（P型）半導(dǎo)體中的雜質(zhì)會全部電離，產(chǎn)生自由電子和雜質(zhì)正離子對（空穴和雜質(zhì)負離子對）。 由于雜質(zhì)電離，使N型半導(dǎo)體中的多子是自由電子，少子是空穴，而P型半導(dǎo)體中的多子是空穴，少子是自由電子。,在常溫下，多子少子,且多子濃度幾乎等于雜質(zhì)濃度，與溫度無關(guān)；少子濃度是溫度的敏感函數(shù)。 在相同摻雜和常溫下，Si的少子濃度遠小于Ge的少子濃度。這也是Si器件工作溫度高于Ge器件的原因。,3半導(dǎo)體中的兩種電流 在半導(dǎo)體中存在因電場作用產(chǎn)生的載流子漂移電流（這與金屬導(dǎo)電一致）；還存在因載流子濃度差而產(chǎn)生的擴散電流。,二、PN結(jié) 在具有完整晶格的P型和N型材料的物理界面附近，會形成一個特殊的薄層PN結(jié)。 PN結(jié)是非中性區(qū)（稱空間電荷區(qū)），存在由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場和內(nèi)建電壓；PN結(jié)內(nèi)載流子數(shù)遠少于結(jié)外的中性區(qū)（稱耗盡層）；PN結(jié)內(nèi)的電場是阻止結(jié)外兩區(qū)的多子越結(jié)擴散的（稱勢壘層或阻擋層）。,三、二極管知識 普通二極管內(nèi)芯片就是一個PN結(jié)，P區(qū)引出正電極，N區(qū)引出負電極。 在低頻運用時，二極管具有單向?qū)щ娞匦?，正偏時導(dǎo)通，Si管和Ge管導(dǎo)通電壓典型值分別是0.7V和0.2V；反偏時截止，但Ge管的反向飽和電流比Si管大得多。 二極管的低頻小信號模型就是交流電阻，它反映了在工作點Q處，二極管的微變電流與微變電壓之間的關(guān)系。,二極管交流電阻