电子器件与电子电路基础1篇1章课件

PN结的正向伏安特性： 正偏时PN结导通，电流由 外加电压和限流电阻决定。
PN结的反向伏安特性： 反偏时PN结的电流很小， 称为截止。
PN结的反向击穿特性 PN结的温度特性 PN结的电容效应
二极管的特性与PN结相 似，参见二极管一节
二极管分类
点接触型
面结合型
平面型
点接触型 平结合型
平面型
结面积
小 较大
1.1.2 二极管基本应用电路分析举例 一、二极管模型
对二极管的非线性进行线性化处理。 ➢ 大信号模型
理想二极管模型
恒压降模型
➢ 小信号模型
当二极管在某一工作点附近电压或电流变化时的 模型称为小信号模型。
rd
v i
Q
1 tan
rd称为动态电阻（微变等效电阻）
rd的数值与静态工作点(Q点)有关
齐纳击穿多发生在高掺杂 的PN结中 雪崩击穿多发生在低掺杂 的PN结中
4V以下为齐纳击穿 7V以上为雪崩击穿 4~7V可同时存在
温度特性
温度升高时,反向饱和电流增大,正向电流也增大。 温度升高10℃，IS约增加 1倍，电压减小25mV。
PN结正向电压具有负温度系数。
2. 二极管的电容效应
PN结电压变化将引起结区及结外侧载流子数量(电 荷量)的变化，这一效应可用结电容Cj来模拟。
正向电流近似为多子的扩 散电流
• 反偏：P(－) N(＋) 外加电场与内电场方向一致
P区电子（少子）进入空间 电荷层，使PN结厚度变厚。
多子的扩散电流大大减小
少子的漂移电流占优势
反向电流近似为少子的漂 移电流
少子浓度很小，因此反向电 流远远小于正向电流； 少子浓度与外加电压无关， 故称反向饱和电流。
[名称]：空间电荷层、势垒区、 阻挡层、高阻区 阻挡层：强调对多子扩散运动的阻挡作用 耗尽层：强调PN结内的载流子浓度减到最小
➢ PN结的单向导电性
• 正偏：P(＋) N(－) 外加电场与PN结内电场 方向相反
N区电子进入空间电荷 层，使PN结厚度变薄。 多子的扩散电流大大增加
少子的漂移电流远远小于 扩散电流
3. 半导体中载流子的运动
漂移运动
扩散运动
在电场作用下的定向运 动。自由电子与空穴产 生的电流方向一致。
载流子由浓度高的区域向 浓度低的区域扩散。
➢ PN结的形成
在N型半导体的基片上，采用平面扩散法等工艺， 掺入三价元素，使之形成P型区，则在P区和N区 之间的交界面处将形成一个很薄的空间电荷层， 称为PN结。PN结的典型厚度为0.5m。
P区空穴(多子)向N区扩散， 留下不能移动的负离子；
N区电子(多子)向P区扩散， 留下不能移动的正离子；
正负离子形成空间电荷层。 内电场是多子的扩散运 动引起的。
内电场的影响： • 阻碍多子的扩散运动 • 促进少子的漂移运动 多子扩散运动使PN结变厚 少子漂移运动使PN结变薄
没有外加电压时，多子扩散电流与少子漂移电流达 到动态平衡。
22
V2
0.9V2
VRM 2 2V2
➢ 限幅电路
|vi| ＜0.7V，D1、D2截止，vo= vi vi ＞ 0.7V，D1导通，vo= 0.7V vi＜ -0.7V，D2导通，vo= -0.7V
上限幅 下限幅
➢ “与”门电路
VA VB DA DB VO 0 V 0 V 导通 导通 0.7 V 0 V 3 V 导通 截止 0.7 V 3 V 0 V 截止 导通 0.7 V 3 V 3 V 导通 导通 3.7 V
击穿电压：V(BR) IS：反向饱和电流 VT：电压当量，室温下 VT26mV
硅二极管与锗二极管的比较
硅2CP6
锗2AP15
硅二极管
锗二极管
开启电压 Vth
0.5V
0.1V
导通电压 Von 0.6~0.8V(取 0.7V) 0.2~0.3V(取 0.3V)
反向电流 IR
较小(nA 级)
较大(μA 级)
自由电子和空穴总是成对出现，称为电子空穴对。 电子空穴对的产生称为本征激发（热激发）。
在本征硅中，自由电子作为携带负电荷的载流子参 加导电。空穴也可以看成是携带正电荷的载流子。
出现空穴后，共价键中的价电子就较易填补到这个 空位上，过程的持续进行，相当于空穴在晶体中移 动。
在本征激发的同时，自由电子受原子核的吸引还可 能重新回到共价键中，称为复合。
• 稳定电压VZ • 动态电阻rz rz VZ I Z • 最大允许耗散功率PZM • 最大稳定电流IZ(max)
I Z (max) PZM VZ
• 最小稳定电流IZ(min) 反向击穿区起始电流
rz愈小，则击穿特性愈 陡，稳压特性愈好。
【例1.1.2】
设计一个硅稳压管稳压电路，要求输出电压VO＝6V， 最大负载电流为20mA，设外加输入电压VI为+12V。
在一定温度下，电子空穴对的热激发与复合达到动 态平衡，电子空穴对维持一定的浓度。
导电能力由电子空穴对的浓度决定。常温下，本征 硅中自由电子的浓度或空穴的浓度为硅原子浓度的 3万亿分之一。所以本征硅的导电能力是很弱的。
2. 杂质半导体
为了提高半导体的导电能力，掺入某些微量的元 素作为杂质，称为杂质半导体。二、二极管Biblioteka 本应用电路分析举例➢ 整流电路
半波整流
v2 2V2 sin t
vO( AV )
1 T
T2 0
2V2
sin tdt
22 2
V2
0.45V2
反向峰值电压 VRM 2V2
全波整流
v21 v22 2V2 sin t
vO | 2V2 sin t |
1
vO( AV ) 0 2V2 sin tdt
1. 本征半导体
纯净的半导体称为本征半导体。 以硅(Si)为例：
硅原子结构
简化模型
最外层有4个电子，受 原子核的束缚力最小， 称为价电子。导电性 能与价电子有关。
(+4)表示原子核和内层 电子所组成的惯性核 的电荷。
硅制成单晶后，原子按一定规律整齐排列。
价电子受相邻原子核 的作用，形成共价键。
共价键中的价电子获 得足够的能量时（温 度或光照）挣脱共价 键的束缚，成为自由 电子。同时，在共价 键中留下空位，称为 空穴。
(1) N型半导体
掺入磷、砷等五价 元素。
多余的价电子成为自 由电子，且浓度远远 超过电子空穴对。
自由电子为多子； 空穴为少子。
(2) P型半导体
掺入硼、镓等三价 元素。
这种半导体以空穴 导电为主，称为P型 半导体。
空穴为多子； 自由电子为少子。
杂质半导体中，多子浓度由杂质的含量决定，少 子的浓度主要由温度决定。
二、发光二极管
电致发光器件，将电信号转换成 光信号。
正偏导通时发光
通常由磷砷化镓（GaAsP)、磷化 镓（GaP)制成 光的波长（颜色）与材料有关
发光二极管的开启电压和正向导通电压比普通二 极管大，正向电压一般为1.3~2.4V。亮度与正向 电流成正比，一般需要几个毫安以上。
三、光电二极管
通常由硅材料制成，管壳有接收光照的透镜窗口。 正常工作在反偏状态。无光照时，只有很小的反 向饱和电流，称为暗电流；有光照时，PN结受光 激发，产生大量电子空穴对，形成较大的光电流。 光电二极管的电流与照度成正比，用于信号检测、 光电传感器、电机转速测量等。
第一章 半导体二极管及其电路分析
1.1.1 二极管的结构、特性与参数
一、二极管的结构与类型
二极管由一个PN结， 加相应的电极引线和 管壳封装而成。
（P）
（N）
电路符号
空心三角形箭头表示实际电流方向： 电流从P流向N。
PN结的机理与特性 (p.597附录A)
➢ 半导体的导电特性
导电性能介于导体（如铜、铁等）与绝缘体（如 石头、木头）之间； 主要有：Si（硅） Ge（锗） GaAs（砷化镓）； 影响半导体的导电性能： 温度、纯度。
四、变容二极管
反向偏置时，PN结 的等效电阻很大， 等效电容与所加反 向电压的大小有关。
变容二极管的电容很小，一般为pF数量级，通常 用于高频电路，如电视机高频头中的压控可变电 容器。
五、肖特基二极管
主要特点是导通电压较低(0.4V左右)，导通 时存储的非平衡载流子数量少，夹断时间很 短，在高速数字电路中获得很好的应用。
VO
2rd R 2rd
VI
2rd R
VI
【例1.1.1】
在低压稳压电路中，设VI＝12V， R ＝ 5.1k 。 若 VI 变 化 （ 10% ） ， 问输出电压VO变化多少？
解： VO
2rd R 2rd
VI
2rd R
VI
应先求rd：
i I S (ev VT 1)
di I S ev VT i
ID
VI
VO R
12 1.4 2.08 mA 5.1
rd
VT iD
26 12.5 2.08
VO
2rd R 2rd
VI
2rd R
VI
2 12.5 (1.2) 5.88 mV 5.1 10 3
1.1.3 特种二极管
一、稳压二极管
利用反向击穿特性 稳压范围从1V到几百伏 主要参数：
于电荷量变化。
3. 二极管的主要参数
➢ 最大整流电流IF
是二极管长期运行时允许通过的最大半波整流电 流平均值。整流电流超过此值时，二极管将被烧坏。
➢ 反向击穿电压V(BR)
当反向电压超过V(BR)时，反向电流剧增，二极 管的单向导电性能被破坏，甚至引起二极管损坏。
➢ 反向电流IR
反向电流越小，管子的单向导电性越好。
解：电路结构如图所示。
选用2CW14，其稳定电 压VZ＝6V，稳定电流 为 10 mA，最大稳定电 流为33mA。
R VI VO 12V 6V 200 I Z I L(max) 0.01k 0.02k
R选标称值为200 的电阻。
I Z (max) VI
VO R
30mA 33mA
较大 较小
结电容
应用
小 较高频率，检波、混频
大 工频或低频，大电流整流
较大 大功率整流
较小 脉冲数字电路
二、二极管的特性与参数
1. 伏安特性
D E
i I S (ev VT 1)
OA：死区
开启电压：Vth AB：近似指数规律
BC：近似恒压源
导通电压：Von OD：近似恒流源
反向电流：IR DE：反向击穿特性
dv VT
VT
rd
VT iD
rd
dv di
Q
1 tan
应先求i＝ID
在分析小信号性能时，应先求电路的静态工作点，
然后计算小信号模型参数，最后求得电路的小信 号性能指标。
在低压稳压电路中，设VI＝12V， R ＝ 5.1k 。 若 VI 变 化 （ 10% ） ， 问输出电压VO变化多少？
解： VO＝1.4 V
数字电路中，输入只有2种 状态：要么是高电平(+3V)， 要么是低电平(0V)。
真值表
VA
VB
VO
0L
0L
0L
0L
1H
0L
1H
0L
0L
1H
1H
1H
输入VA“与”VB都有效(高 电平)时，输出VO才有效 (高电平)，称为“与”逻 辑。
➢ 低压稳压电路
VO ＝ 2VD 1.4V
微变等效电路
当由于某种原因（如电网波动、负载变化）引起VI 变化时，VO也将变化。分析VO的变化情况需要用 微变等效电路。
C j CB CD
Barrier Diffusion
非线性 几十pF 正偏时以垫垒电容为主 反偏时以扩散电容为主
CB(垫垒电容)：PN结外加电压增大，空间电荷层变 窄。所以，垫垒区的电荷量随电压变化而变化。
CD(扩散电容)：PN结外侧非平衡载流子有一浓度分 布曲线，当外加电压增大，浓度分布曲线变化相当
击穿电压 VBR
较大
较小
击穿特性
当外加反向电压超过击穿电压时，反向电流急剧 增大，称为反向击穿。
齐纳击穿：外加电场将价电子直接从共价键中拉出 来，使电子空穴对增多，电流增大
雪崩击穿：当电场足够强时，载流子的漂移运动被 加速，将中性原子中的价电子“撞”出 来，产生新的电子空穴对。形成连锁反 应，使电流剧增。