模电第三章二极管及基本电路

电子技术基础：在一块本征半导体在两侧通过掺杂不同的杂质分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程。

第三章二极管及基本电路

• 半导体的基本知识
  • 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、 绝缘体和半导体。
    • 导体
      • 外层电子数：少于4个（易激发成为自由电子）---很容易导电的物质称为导体，金属 (电阻率<10 -3 Ω·cm)
    • 绝缘体
      • 外层电子数：8个，处于稳定状态 ---几乎不导电的物质称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和 石英。（电阻率> 10 8 Ω·cm）。
    • 半导体
      • 外层电子数：4个 ---导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，称为半导体， 锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。
    • 空穴的出现 是半导体区别于导体的一个重要特点。
  • 半导体的导电特性在外界某种因素作用下会发生显著变 化。具体表现在以下三个方面：
    • 光敏性：受光照后，其导电能力增强；
    • 热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强；
    • 掺杂性：在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电 能力极大地增强
  • 半导体类型
    • 本征半导体——九个9
      • 束缚电子在无外界激发或热 力学温度为0K时，束缚电子 很难脱离共价键，因此本征 半导体中的自由电子很少， 所以本征半导体的导电能力 很弱。
      • 导电机理 在常温下，由于热激发(温度升高或受光照) ——本征激发
      • 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部 分电流 (1) 自由电子作定向运动 电子电流 (2) 价电子递补空穴 空穴电流
    • 杂质半导体
      • N 型半导体
        • ——掺入五价元素，如磷元素 (又称电子半导体) 磷原子失去一个电子变为不能移动的正离子,称为施主杂质或N型杂质。 p多余的电子 在常温下即可变为自由电子
        • 自由电子的浓度n=施主杂质的浓度N D +空穴的浓度p
        • 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子在N型半导体中称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
      • P型半导体 (又称空穴半导体)
        • ——掺入五价元素，如磷元素 (又称电子半导体) 硼原子得到一个电子变为不能移动的负离子（受主杂质或P型杂质） 在P 型半导体中：空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。
        • 空穴的浓度p =受主杂质的浓度N A +自由电子浓度n 。
      • TIPS: 不论N型、P型半导体本身不带电（电子和原子核之间始终是 平衡的）； 单独的P或N在器件中无作用； 掺入微量杂质是提高半导体导电能力的最有效方法，一百万 分之一的杂质使载流子浓度增加一百万倍。
  • 载流子的动态平衡——在一定温度下，单位时间内本征激发所 产生的自由电子-空穴对的数目与复合而消失的自由电子-空穴对 的数目相等，就达到了载流子的动态平衡状态，使本征半导体中 载流子的浓度一定 。
  • 概念
    • 空穴——共价键中的空位
    • 电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。
    • 空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次 充填空穴来实现的。
    • 载流子复合——自由电子与空穴在热运动中相遇，使两者同 时消失的现象。
• PN结的形成及特性
  • 两个相关概念
    • 扩散运动：载流子由浓度高到浓度低的区域 扩散 （多子的运动）
    • 漂移运动：载流子在电场作用下的定向运动, 空穴的漂移方向与电场相同，电子 相反（少子的运动）
    • 二者复合成为动态平衡
  • PN结的形成
    • 在一块本征半导体在两侧通过掺杂不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
  • PN结的单向导电性（需外加电压）
  • PN结的电流方程 ——与后文二极管的电路方程一样
  • PN结的反向击穿
    • 齐纳击穿
    • 雪崩击穿
    • 热击穿
  • PN结的电容效应
    • 扩散电容C d
    • 势垒电容C b
    • 结电容C j
• 二极管
  • 半导体二极管的结构
    •  把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。 二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。 根据其用途分有检波管、开关管、稳压管、整流管和发光二极管等。
  • 二极管的伏安特性
    • 开启电压
      • 硅管：0.5V锗管：0.1V
    • 导通电压/坎电压U on
      • 硅管：0.6~0.8V(0.7V)锗管：0.1~0.3V(0.2V)
    • 反向击穿 电压U （BR）
    • 二极管的伏安特性与温度的关系
      • 当温度升高时，正向特性左移，反向特性下移 在室温附近，温度每升高1 ℃，正向压降减小2~2.5mV；温度每升高10 ℃，反向电流约增大一倍。
  • 二极管的主要参数
    • 最大整流电流 IF
      • 指二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。
    • 反向击穿电压UBR
      • 是二极管工作时允许加的最大反向电压。
    • 极间电容Cd
    • 反向恢复时间TRR
    • 反向电流 IR
      • 指二极管未击穿时的反向电流值。反向电流愈小，二极管的单向导电性愈好。I R 受温度的影响大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大。
    • 最高工作频率 f M
      • 指二极管工作的上限频率。
• 二极管的基本电路及其分析方法
  • 简单二极管的图解分析法
    • 前提：已知二极管的V-I特性曲线
    • 步骤： 1.得到电路的KVL方程——负载线 2.与已知的二极管V-I特性曲线放入同一坐标系 3.交点称为——电路的工作点
    • 也存在迭代法，但过于繁琐，不予讨论，多用于计算机计算
  • 二极管电路的简化模型分析方法
    • 理想模型（理想开关）
      • 1.适用于当电源电压远大于二极管的管压降时 2. 导通时压降为零，截止时电流为零, 相当于开关
    • 恒压降模型（理想开关+恒压源）
      • 1.认为二极管导通后，管压降恒定。相当于开关串联电 压源 2.VD 典型值硅管为0.7V，锗管为0.2V（导通压降） 3.适用于流经二极管的电流i d 近似等于或大于1mA时
    • 折线模型（理想开关+恒压源+电阻）
      • 1.导通时压降与电流成正比关系 ，截止时电流为零 2.Von 典型值硅管为0.5V，锗管为0.1V（开启电压） 3.rD ：交流电阻,当iD =1 mA时，（导通压降）管压降为0.7 V，且开启电压为0.5V所以rD =(0.7－0.5)/1mA=200Ω
    • 小信号模型（前三种串联一个交流信号源的电路模型）
      • 叠加方法计算，直流正常建模，交流将二极管变成，rd=VT/ID 即26mA/流经二极管直流电流值
      • 利用小信号模型分析电路的一般步骤： 1 、分析电路的静态工作情况，求得静态工作点Q(V D ,I D )的值； 2 、根据静态工作点Q点算出微变电阻r d ； 3 、根据小信号模型，求出小信号作用下的交流电压、电流 4 、利用叠加原理同静态值叠加，得到完整结果。
    • 电源电压远大于二极管管压降的时候恒压降模型比 较准确且简单。 电源电压较低的时候适用折线模型 电源电压上叠加微小交流信号时候适用小信号模型
• 二极管的应用举例
  • 整流电路
    • 单相半波整流电路
    • 桥式整流电路
  • 稳压电路
  • 直流稳压电路
  • 开关电路
    • 分析方法：将二极管从电路中断开，分析二极管两 端电位的高低或所加电压V D 的正负。
    • 注意：若电路中出现两个以上二极管，则承受正向电压较大者优先导通， 然后根据电路情况，分析其它二极管工作状态(大部分视为截止)。
  • 限幅电路
  • 基于二极管模型分析法
• 特殊二极管
  • 稳压（齐纳）二极管
    • 稳压管正常工作时加反向电压 稳压管工作在反向击穿区 使用时要加限流电阻。
    • 稳压管与限流电阻串联。 限流电阻取值应使: I Zmin <I Z < I Zmax 稳压管必须与负载并联。 V o =V Z
    • 稳压电路
  • 发光二极管
    • 外形：当在发光二极管上加上正向电压 并有足够大的正向电流流过时， 就能发出清晰的光。
    • 一般用作显示器件，有红、黄、绿、橙色； 工作电压为1.5 ~ 3V； 工作电流为几毫安~十几毫安。
  • 光电二极管