模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)-半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.1半導(dǎo)體二極管1.2二極管組成的基本應(yīng)用電路1.31.1.1本征半導(dǎo)體1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，如硅、鍺、硒、砷化鎵等。

常用的半導(dǎo)體材料是硅（Si）和鍺（Ge），它們都是4價(jià)元素，原子的最外層軌道上都有4個(gè)價(jià)電子，完全純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子。自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴。共價(jià)鍵

一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。動(dòng)態(tài)平衡

本征激發(fā)

復(fù)合運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子，半導(dǎo)體中有兩種載流子參與導(dǎo)電。外加電場(chǎng)時(shí)，自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流。

價(jià)電子遞補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)形成空穴電流。

總電流是電子電流和空穴電流之和。

1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

1.N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。磷（P）多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴施主原子N型半導(dǎo)體主要靠電子導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，電子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。

2.P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素，例如硼、鎵等，稱為P型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子硼（B）受主原子P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與溫度無關(guān)1.1.3PN結(jié)1.PN結(jié)的形成物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)。因內(nèi)電場(chǎng)作用所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。

參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng)

由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場(chǎng)，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)外加正向電壓

PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)外加反向電壓

PN結(jié)加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。3.PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)具有一個(gè)與此等效的電容，稱之為結(jié)電容。

結(jié)電容一般都很小，結(jié)面積小的約1pF左右，結(jié)面積大的大約幾十至幾百pF。對(duì)于低頻信號(hào)呈現(xiàn)很大的容抗，其作用可以忽略不計(jì)，只有在信號(hào)頻率較高時(shí)才考慮結(jié)電容的影響。若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦裕?.2半導(dǎo)體二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)和類型將PN結(jié)加上兩個(gè)電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管點(diǎn)接觸型：它的PN結(jié)面積很小，因此不能通過較大電流，但由于結(jié)電容小，能在高頻下工作，故一般適用于高頻檢波和小功率的工作，也用作數(shù)字電路中的開關(guān)元件。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故可通過較大電流，適用于低頻及大功率整流電路中。平面型：它用二氧化硅作保護(hù)層，使PN結(jié)不受污染，從而大大減小了PN結(jié)兩端的漏電流。因此，它的質(zhì)量較好，批量生產(chǎn)中產(chǎn)品性能比較—致。其中PN結(jié)面積大的可用作大功率整流和調(diào)整管，PN結(jié)面積小的可作高頻管或高速開關(guān)管。

材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA

1.2.2二極管的伏安特性曲線二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓二極管的電流方程：常溫下（T=300K），VT≈26mV。

vVonV(BR)從二極管的伏安特性可以看出：1.單向?qū)щ娦哉蛱匦詾橹笖?shù)曲線反向特性為橫軸的平行線2.伏安特性受溫度影響性T（℃）↑→在電流不變情況下導(dǎo)通電壓Von↓→反向飽和電流IS↑，V(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移增大1倍/10℃

1.2.3二極管的主要參數(shù)

(1)最大整流電流IFM二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過的最大正向平均電流。

(2)最高反向工作電壓VRM保證二極管不被反向擊穿而允許外加的最大反向電壓。

(3)反向飽和電流IS——是管子未擊穿時(shí)的反向電流值。IS越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩９瓒O管的反向電流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管在微安(A)級(jí)。

(4)最高工作頻率fM——

fM是二極管工作的上限頻率。超過此值，由于結(jié)電容的作用，二極管的單向?qū)щ娦詫⒉荒芎芎玫捏w現(xiàn)。C+-當(dāng)f

很高時(shí)，

ZC很小，電容近似短路，二極管失去單向?qū)щ娮饔?。C

1.2.4二極管的等效模型1.實(shí)用模型近似分析中最常用導(dǎo)通時(shí)VD＝Von截止時(shí)IS＝02.理想模型理想二極管理想開關(guān)導(dǎo)通時(shí)VD＝0截止時(shí)IS＝0應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效模型！3.低頻小信號(hào)交流等效模型（微變等效電路）

當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。vi=0時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用vDviQ點(diǎn)越高，rd越小。靜態(tài)電流

1.2.5其它類型二極管1.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是一種用特殊工藝制造的面接觸型硅半導(dǎo)體二極管。由于它在電路中與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用，故簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管。進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流（1）穩(wěn)定電壓VZ穩(wěn)壓管的主要參數(shù):穩(wěn)定電壓是穩(wěn)壓管在正常工作時(shí)管子兩端的電壓。

（2）穩(wěn)定電流IZ（3）電壓溫度系數(shù)IZ是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)的參考電流。電流小于此值，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓效果變差，電流大于此值，只要不超過額定功耗，電流越大，穩(wěn)壓效果越好。表示溫度每變化1℃，穩(wěn)壓值的變化量。這是說明穩(wěn)壓值受溫度變化影響的參數(shù)。

（4）動(dòng)態(tài)電阻rzrz＝ΔVZ

/ΔIZ（5）最大允許耗散功率PZMPZM＝IZMVZ2.發(fā)光二極管發(fā)光二極管也具有單向?qū)щ娦浴Ｖ挥挟?dāng)外加的正向電壓使得正向電流足夠大時(shí)才發(fā)光，它的開啟電壓比普通二極管的大，紅色的在1.6~1.8V之間，綠色的約為2V。發(fā)光二極管導(dǎo)通以后（有電流通過），能發(fā)出紅、黃、綠、橙等不同顏色的光，發(fā)光顏色取決于管子所用的材料。3．光電二極管

光電二極管是遠(yuǎn)紅外線接收管，是一種光電轉(zhuǎn)換器件。

它的結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管類似，但在它的PN結(jié)處，通過管殼上的一個(gè)玻璃窗口能接收外部的光照，并將接收到的光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換成電流的變化。這種器件正常工作時(shí)，PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，它的反向電流會(huì)隨光照強(qiáng)度（照度）的增加而增加。4.變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管是根據(jù)二極管外加反向電壓時(shí)，其等效電容隨外加反向電壓的變化而變化的特性制成的一種半導(dǎo)體器件,相當(dāng)于壓控電容。1.2.6二極管組成的基本應(yīng)用電路例1.2.1如圖1.2.8所示電路，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅管。分別用理想化模型和實(shí)用化模型求解以下兩問：（1）vI=0V、3.3V、5V時(shí)，求出相應(yīng)的輸出電壓值；（2）當(dāng)vI=6sinωt(V)時(shí)，畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。解：（1）vI（V）03.35(理想模型)二極管狀態(tài)vO(V）

(實(shí)用模型)二極管狀態(tài)vO(V）00333.33.7截止導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通1.限幅電路（2）理想模型當(dāng)vI=6sinωt(V)時(shí)

當(dāng)vI-3＞0，即vI＞3V時(shí)，二極管導(dǎo)通，這時(shí)vO=VREF=3V。

當(dāng)vI-3≤0，即vI≤3V時(shí)，二極管截止，

vO=vI

。實(shí)用模型當(dāng)vI-3＞0.7V，即vI＞3.7V時(shí)，二極管導(dǎo)通，這時(shí)vO=0.7+VREF=3.7V

當(dāng)vI-3≤0.7V，即vI≤3.7V時(shí)，二極管截止，

vO=vI。二極管導(dǎo)通，vo=v2二極管截止,

vo=0v2>0時(shí):v2<0時(shí):v2vovDt23402.整流電路半波整流電路全波整流電路+–+–原理：+–+–變壓器副邊中心抽頭，感應(yīng)出兩個(gè)相等的電壓v2當(dāng)v2正半周時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止。當(dāng)v2負(fù)半周時(shí)，D2導(dǎo)通，D1截止。全波整流電壓波形v2vovD1t2340vD2vI1/VvI2/VvO/VD1狀態(tài)D2狀態(tài)00055055例1.2.3導(dǎo)通導(dǎo)通0導(dǎo)通截止0截止導(dǎo)通0截止截止5解：3.開關(guān)電路（二極管與門）vI1vI2Y000010100111(1)輸入保護(hù)4集成運(yùn)放輸入（輸出）保護(hù)電路(2)電源保護(hù)輸入端保護(hù)電路使凈輸入電壓最大值為±VD第1章作業(yè)1.11.2直接做在書上。1.3

1.41.71.81.9穩(wěn)壓管組成的限幅電路

在電壓比較器中，為保護(hù)運(yùn)放輸入端，需限制其輸入電壓幅值；為適應(yīng)負(fù)載對(duì)電壓幅值的要求，輸出端需加限幅電路。UOH＝＋UZ1＋UD2

必要嗎？＋－

UOL＝－(UZ2＋UD1)UOH＝UZ

UOL＝－U