半导体器件非线性器件二极管

半导体器件
非线性器件
二极管
绪论
二极管是有两个端子非线性器件，其V-I特性与端子极性有关，且为非线性。

虽然二极管的非线性增加了电路设计和分析的复杂程度，但是二极管的非线性以及极性特性在电路设计中既有趣又有用。

图1是二极管的基本电路符号，与电阻不同的是（电阻的两个端子没有极性的区别），二极管的特性是由其端子的极性决定的。

图1．二极管电路模型
图1也给出了二极管两端的所加电压极性以及通过二极管的电流方向。

根据二极管所加电压Vd极性的不同，二极管有以下两种工作状态：
正向偏置，（Vd>0），阳极电压高于阴极电压，或者
反向偏置，（Vd<0），阴极电压低于阳极电压。

二极管模型
理想二极管模型
考虑和分析理想二极管模型能够使我们对这些非线性器件的基本特性有所了解，有助于我们分析包含二极管的电路。

当然二极管模型的讨论涉及到其伏安（V-I）特性的数学和图形表达，理想二极管V-I 特性以及符号如图2所示。

图2．理想二极管的V-I特性（a）和符号（b）
当反向电压加到二极管两端时，流过二极管的电流为零，当流过二极管的电流大于零时，二极管两端的电压降为零。

从图2中可以明显的看出二极管的非线性特性。

这种简单模型显示了理想二极管特性，但是缺乏重要的细节部分。

下面我们将讨论一个二极管的真实模型。

实际二极管模型
二极管是由位于元素周期表的第IV列的硅或者其他元素构成的半导体器件，像硅和锗一样的物质的导电性比较差。

在硅中掺杂一点位于周期表中第Ⅲ列（比如硼－B）或者第Ⅴ列（比如磷－P）的元素，会极大的提高硅的导电性。

导电性的变化是跟在这种物质里面移动的自由电子密切相关的。

硅中的电子由于其晶体结构而紧紧的束缚在一起，如果在硅中添加磷（第Ⅴ列），则在这种晶体结构中增加了另一种电子。

这种“额外”电子不参与晶体结构的维持，因此这个电子有相当大的自由可以在半导体中从一个位置移动到另一个位置。

掺杂了第Ⅴ列元素的物质被称作“n型半导体”，表示自由移动的电荷—电子。

如果在硅中添加第Ⅲ列元素（Ba,Al,Ga），那么其晶体结构会缺少一个电子。

这种缺少电子的地方看起来像一个多余的正电荷，被称作空穴。

电子可以很容易移动到这个空穴里来，而这个电子移动之前的位置将会形成一个新的空穴。

这些空穴的移动看起来像正电荷的流动。

因此，被添加了第Ⅲ列元素的硅被称作为“p型半导体”，表示正电荷—空穴。

如图3（a）中所示，在硅中构造p和n区域就制成了二极管。

图3（b）中展示了二极管的符号以及相应p和n区域。

p和n区域的交界处被称作p-n结。

图3．
一个二极管（实际模型）的电压Vd 和其电流Id 之间关系的数学如下：
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡−⎟⎟
⎠⎞⎜⎜⎝⎛=1exp T V Vd Is Id (1.1)
其中用来描述二极管特性的参数Is 和V T 是常量，Is 为反向饱和电流，它与二极管电压无关。

对于硅二极管来说，Is 为A 或者更少。

V T 被称为温度的电压当量，V 1210−T q
kT ≡
（k ＝玻尔兹曼常数，T=温度，q ＝电子电荷量）。

室温下V T ＝26mV 。

图4显示了一个硅二极管Id 和Vd 之间典型的关系曲线。

电流对电压呈指数增长。

图5显示V-I 特性曲线采用对数坐标，从中可以看出来，电压上小小的变化就会造成电流成倍的增加。

注意到，我们已经在Vd ＝0.7伏的位置上画了一条垂直直线，用来表示对于通过大电流的二极管的管压降已经没有变化了。

后面我们将要利用这种性质构建一种简单的二极管模型。

图4．硅二极管的V-I 特性
图5．硅二极管的V-I 特性（半对数坐标）
在大多数情况，偏压少于100mV ，电流少于A 可以忽略的，但在有些应用中就不能忽略的。

同样当Vd >200mV 时，与Id 和Vd 相关的数学表达式可以简化为：
1110− ⎟⎟⎠
⎞
⎜
⎜⎝⎛≅T V Vd Is Id exp （1.2） 图6显示的也是V-I 特性，从中可以看到其反向偏压特性。

图6．硅二极管的I-V 特性
当二极管两端加上一个反向偏置电压（也就是当Vd<0时），二极管出现了一些有趣的特性。

首先，如果反向偏置的电压比较小，那么通过流过二极管的电流就是反向偏置电流Is。

当反向偏置电压增加到一点的数值（Vb）时，由p-n结产生的导电区域会产生一个非常大的反向偏置电流。

这种现象就称为击穿，发生反向击穿时所对应的电压就称为击穿电压（Vb），如图7所示。

（图7中所展示的曲线图不代表一个真实二极管的特性，只是展示可以看见的击穿区域的部分）。

对硅二极管来说，其击穿电压在50-200伏的范围内。

我们在设计二极管电路的时候，必须注意到二极管的反向电压不要超过了其击穿电压。

图7．
恒压降模型
Id和Vd之间指数关系造成系统的非线性，但是这样使得我们有机会为二极管建立一个非线性简单模型。

其模型图如图8所示。

图8．二极管分段线性近似模型
在这种模型中，Vg为0.7伏。

这条“垂直”的直线的斜率是非常大的，其与二极管非常小的等效电阻（Rf）相对应。

由于Rf非常小（Rf＝0，斜率＝∞），可以被忽略，其模型如图9所示。

图9．恒压降模型
这个是前面叙述的理想二极管模型（见图2）的改进模型，它是根据实际二极管模型建立起来的。

这种模型称作恒压降模型（或者0.7伏模型）。

电压Vg为管压降。

硅二极管的管压降Vg＝0.7伏，锗二极管的Vg＝0.2伏。

二极管电路
半波整流
我们从图10中的电路着手。

假设二极管是理想的，我们来分析这个电路。

输入电压Vin 为正弦波，其波形如图11所示。

图10．二极管电路
图11．正弦信号Vin
我们可以看到，在Vin>0的时间里，二极管为正向偏置，这个“理想”二极管的两端电压为0。

此种现象也可以从图12（a）的等效电路看出来，从图中可以明显的看出输出电压Vo等于输入电压Vin。

类似，在Vin<0的时间里，此二极管反向偏置，因此二极管中的电流为零，其等效电路如图12（b），输出电压为零。

图12．Vin>0与Vin<0时，理想二极管的等效电路图
输入信号Vin的电路全响应如图13所示。

从图中可以看出，二极管的存在使输出信号发生了重大的变化：它把输入电压从AC（交变电流）变成始终不改变极性的输出电压，其中输入电压从始到终平均值为零，而输出电压平均值不为零。

由于电流方向始终不改变，这种输出电压信号叫做DC(直流)。

现在我们仅仅开始了一个AC到DC变换器的设计的第一步。

图13．输入信号（上图）和其对应的整流信号（下图）
输出信号V o是输入Vin整流后的信号。

产生这种信号的电路叫做整流电路，如图10中所示。

此外，由于这种电路只通过了输入信号的一半波形，所以称其为半波整流电路。

现在我们来分析带有恒压降模型二极管整流电路的一些特性。

电路如图14所示。

图14．半波整流电路
对图14中的电路应用基尔霍夫电压定律（KVL ），得到
Vd Vin Vo −=
图15是此电路电压转移曲线图，此曲线图是由二极管V-I 特性以及基尔霍夫电压定律得出来的。

图15．整流电路的电压转移特性
从此电压转移特性曲线图我们可以得到如下：
● Vg Vin Vo −= 当Vi n ≥Vg 时，
● 0=Vo 当Vi n ＜Vg 时（开路）
当图14中整流电路Vin ＝2sin(40πt)时，其对应的波形如图16所示。

请注意Vin 和Vo 之间的不同。

真实二极管模型和恒压降模型输出电压之间的差别是分辨不出来的。

图16．图14中电路的输入信号（Vin）和整流电压（V o）
全波整流电路
整流器广泛地应用在AC到DC的转换电路中。

在半波整流电路中，由于“浪费”了一半信号，其电路工作效率比较低。

使用4个二极管的全波整流器电路就可以解决这个问题，如图17。

这些二极管排列成一个桥的形状。

输出电压加在电阻R上。

图17．全波整流电路
首先，我们考虑用理想二极管模型来分析这个电路。

我们输入正弦信号，观察输出信号。

我们探讨输入正弦信号的例子，如图18所示。

为了能够了解此电路的特性，我们将从流过输入电压正负半周电流的方向着手。

图18．全波整流的输入信号
当Vin处于正半周时，二极管D1和D4正向偏置，二极管D2和D4反向偏置，电流的方向如图19（a）所示。

当Vin处于周期内的负半周时，二极管D2和D3正向偏置，二极管D1和D4反向偏置，电流方向如图19（b）所示。

注意到，在整个周期内，流过电阻R的电流的方向是一致的。

这个是全波整流电路的基本特性。

图19．
图20．带有理想二极管的全波整流输出信号
现在我们来讨论比较真实的情况，使用真实二极管模型。

这种情况下，正半周期和负半周期内的电流方向跟前面叙述的一样（见图21）。

图21．Vin处于正半周（a）和负半周（b）时的全波整流电路的电流方向
考虑到二极管的恒压降模型的电路等效图如图22所示，由图可以看出，输入信号Vin 的正负半周部分响应的差别是显而易见的。

由KVL定律我们可以得到
−
=（1．3）
Vin
Vg
Vo2
图22．一个周期内正半周（a）和负半周（b）部分的全波整流等效电路在输入信号Vin的正半周期和负半周期内，输出的波形得到整流。

图23为管压降Vg＝0.7V的硅二极管的特性。

对于幅值很小（比管压降Vg稍微大一些）的Vin来说，整流后的信号可能只是输入信号的很小一部分。

后面通过设计一个Vg＝0的“超级二极管”，我们将要改进这个电路，这样整流后的信号会像理想二极管模型（图20）所获得波形那样。

图23．全波整流的输入和输出信号
工作点
图24中，当Vi n ≥Vg 时，电流Id 为 R
Vd
Vin Id −=
(1．
4)
图24．
上面的是此电路的负载线方程。

负载线和这个器件的I-V 特性曲线的
交叉点便是这个二极管的工作点。

这个工作点又称为静态工作点或者Q 点，此点可以得到通过二极管的电流以及其两端的电压。

)1(/−=Vt
Vd e
Is Id 当R=100，Vin ＝2V 时，负载直线和相应的工作点如图25所示。

Ω
图25．负载直线和整流电路中二极管的工作点
反向偏置应用：齐纳二极管
由于最大反向偏置电压的限制，二极管在其反向偏置区域内的应用受到了限制。

当加在二极管上的反向电压增加到一定的数值时，二极管就会被击穿，如图7中所示，反向偏置电流就会急剧增加。

当发生这种现象时候的电压叫做反向击穿电压。

二极管一般设计工作在正向偏置区域，避免承受较高方向电压而击穿。

然而，反向击穿对一些特殊二极管则非常有用，如齐纳二极管，设计工作在反相击穿区域。

其电压范围从几伏到几百伏。

齐纳二极管的符号如图27所示。

图27．齐纳二极管的符号
这些二极管可以提供稳定的输出电压。

与其他器件一样，在实际应用中，这些齐纳二极管的应用也受到一些条件的限制例如能量损耗等。

我们来分析一个使用齐纳二极管的稳压电路。

电路图如图28所示。

图28．齐纳二极管稳压电路
只要齐纳二极管工作在其反向击穿区域，负载上的电压就是二极管的击穿电压Vz 。

流过负载RL 上的电流是
L
Z
R V IL =
由于电压Vz 是稳定的，电流IL 一定是恒定的。

从KCL 定律我们得到关系 Iz IL It +=
多余的电流通过二极管流回电源，因而保证了齐纳二极管的电压Vz 的稳定。

实际情况中，为了计算和设计流过二极管的最大电流，我们必须分析其工作时的能量损耗。

我们将在作业练习中考查这个问题。