《 模 拟 电 子 线 路 》 第2章 杨 凌

第2章 半导体二极管及其基本电路 §2.0 引言 电路 器件 应用 Richard J. Valentine ─ 摩托罗拉公司首席工程师 第2章 半导体二极管及其基本电路 §2.0 引言 电路 器件 应用 Richard J. Valentine ─ 摩托罗拉公司首席工程师 “分立半导体器件是大多数电子电路的基本构件,即使对于微 型计算机芯片这样的复杂集成电路器件,也是由二极管和晶体管 构成的。工程师在开始设计电路之前,不管这个电路是一个普通的 家用计算机电源,还是一个含有500万个晶体管的微处理器集成电 路,了解其中的单个元器件的工作原理是非常必要的。”

§2.0 引言 “每种类型的半导体设备都有其独特的性能,从而满足不同 的电路要求.学习这些特性能帮助电路设计着更快地选择正确 §2.0 引言 “每种类型的半导体设备都有其独特的性能,从而满足不同 的电路要求.学习这些特性能帮助电路设计着更快地选择正确 的元器件.花时间学习每种分立半导体器件如何工作,以及它们 与其他元件如何相互作用,最终会得到回报的.” “任何电子类职业都会涉及到半导体器件的应用甚至设计. 掌握半导体器件的基本知识,无论对于那些测试二极管、晶体 管以及微电路芯片的技工,还是那些将半导体器件设计到电子 设备中的工程师来说,都是非常重要的.”

§2.1 半导体的基本知识 半导体的导电率介于导体和绝缘体之间 (10－3～109Ω·cm). 一、本征半导体 §2.1 半导体的基本知识 半导体的导电率介于导体和绝缘体之间 (10－3～109Ω·cm). 硅 (Si) 和锗 (Ge) 是常用的半导体材料,它们广泛用于半导体器件 和集成电路中,其他半导体材料用在特殊的领域中,例如砷化镓 (GaAs)及其相关化合物用在特高速器件和光器件中. 一、本征半导体 本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体. 本征半导体呈电中性.

§2.1 半导体的基本知识 +4 自由电子 空穴 +4 图 2.1 图 2.2

§2.1 半导体的基本知识 ni =pi=AT3/2e－Eg0/2kT （2—1） 3.88×1016cm－3K－3/2 （Si） §2.1 半导体的基本知识 ni =pi=AT3/2e－Eg0/2kT （2—1） 3.88×1016cm－3K－3/2 （Si） 1.76×1016cm－3K－3/2 （Ge） 1.21 eV （Si） 0.785 eV （Ge） k (玻尔兹曼常数) = 8.63×10－5 eV/K T↑→ ni↑，T=300K， ni(Si) ≈ 1.5×1010cm－3 ni(Ge) ≈ 2.4×1013cm－3 ; T— (K) A= Eg0(禁带宽度) =

§2.1 半导体的基本知识 二、 杂质半导体 硅本征半导体中自由电子的浓度为 1.5×1010cm－3 ,看上 §2.1 半导体的基本知识 硅本征半导体中自由电子的浓度为 1.5×1010cm－3 ,看上 去似乎很大,但和硅原子的浓度4.96×1022cm－3相比还是很小 的. 所以,本征半导体的导电能力很弱 (本征硅的电阻率约为 2.2×105Ω·cm). 二、 杂质半导体 掺有杂质的半导体称为杂质半导体.在掺杂过程中,通过 控制自由电子和空穴的浓度,来控制半导体的导电性能. 杂质半导体依然呈电中性.

§2.1 半导体的基本知识 1. N型半导体 2. P型半导体 多子: 自由电子 多子:空穴 少子: 空穴 少子:自由电子 P B 施主杂质 §2.1 半导体的基本知识 1. N型半导体 2. P型半导体 +4 +5 P 施主杂质 图 2.3 +4 +3 B 受主杂质 图 2.4 多子: 自由电子 少子: 空穴 多子:空穴 少子:自由电子

§2.1 半导体的基本知识 在热平衡条件下 n0 p0= ni 2 （2—2） N型半导体 n0 =Nd+ p0 ≈ Nd （2—3） §2.1 半导体的基本知识 在热平衡条件下 n0 p0= ni 2 （2—2） N型半导体 n0 =Nd+ p0 ≈ Nd （2—3） Nd —施主原子浓度 . P型半导体 p0=Na+ n0 ≈ Na （2—4） Na —受主原子浓度 . (1) 掺杂后,多子浓度都将远大于少子浓度.且少量掺杂,载流子 就会有几个数量级的增加,即导电能力显著增大.

§2.1 半导体的基本知识 三、两种导电机理—漂移和扩散 (2) 在杂质半导体中,多子浓度近似等于掺杂浓度,其值几乎与 温度无关 §2.1 半导体的基本知识 (2) 在杂质半导体中,多子浓度近似等于掺杂浓度,其值几乎与 温度无关 (3) 在杂质半导体中,少子浓度随温度升高而显著增大.少子浓 度的温度敏感性是导致半导体器件温度特性差的主要原因. 三、两种导电机理—漂移和扩散 1. 漂移和漂移电流 在外加电场作用下,载流子将在热骚动状态下产生定向的运 动,这种定向运动称为漂移运动,由此产生的电流称为漂移电流.

§2.1 半导体的基本知识 Jt=Jpt+Jnt= q ( pμp + nμn) E =σE （2—5） 2. 扩散和扩散电流 §2.1 半导体的基本知识 + V - E I 图 2.5 Jt=Jpt+Jnt= q ( pμp + nμn) E =σE （2—5） 2. 扩散和扩散电流 因载流子的浓度差引起的载流子的定向运动称为扩散运动,相应产生的电流称为扩散电流.

§2.1 半导体的基本知识 Jd=Jpd+Jnd （2—6） dp(x) Jpd=－ qDp dx ≈ dn(x) dn(x) §2.1 半导体的基本知识 N型硅半导体 n0 ≈ p0 n(x) p(x) 图 2.6 x Jd=Jpd+Jnd （2—6） dp(x) Jpd=－ qDp dx dn(x) dn(x) Jnd=－(－q)Dn =qDn dx dx 由扩散运动产生的扩散电流是半导体区别于导体的一种 特有的电流.

§2.2 PN 结 一、PN结的形成 当P区和N区连接在一起构成PN结时,半导体的现实作用才 真正发挥出来. 1. 形成过程 空间电 荷区 1. 形成过程 空间电 荷区 P+ x=0 N － E 耗尽层(阻挡层) 图 2.7

§2.2 PN 结 → 阻碍多子扩散 载流子浓度差→多子扩散→空间电荷区 利于少子漂移 形成一定厚度的PN结 动态平衡 2. 内建电位差 2. 内建电位差 NaNd VB≈VTln (2—7) ni2 Na↑ Nd↑ ni↓ → VB↑ 其中: VT≈26mV

§2.2 PN 结 室温下(T=300K) VB(Ge)≈0.2～0.3V VB(Si)≈0.5～0.7V xn Na － 室温下(T=300K) VB(Ge)≈0.2～0.3V 图 2.8 x xn －xp V P+ N O VB VB(Si)≈0.5～0.7V xn Na l0=xn+xp = (2—8) xp Nd 3. 阻挡层宽度

§2.2 PN 结 二、PN结的伏安关系 图 2.10 VB+VR V l0 VR － + P+ N l x O VB VF + － 图 2.10 VB+VR V l0 VR － + P+ N l x O VB VF + － 图 2.9 VB－VF V l0 P+ N l x O VB

§2.2 PN 结 1、正偏 l ＜l0，ID＞IT IF 2、反偏 ←T l＞l0，ID＜ IT IS O vD/V ←T iD/mA VBR IS(Si)≈(10－9～10 －16) A IS(Ge)≈(10－6～10 －8) A ( Na、 Nd)↑→ IS ↓ 图 2.11 T↑→ IS ↑ PN结具有单向导电性.

§2.2 PN 结 3、V-I关系的数学表达式 (2—9) ID=IS(e －1) ID ≈ISe → ID ID (2—10) VD VT VD VT ID ≈ISe (2—9) → ID ID 或 VD ≈ VTln =2.3 VTlg IS IS (2—10) VD(on)≈0.7V (Si) 当VD＞VD(on) 时, PN结正向导通. VD(on)≈0.25V (Ge) I2 I1 I2 V2－V1=2.3VTlg －2.3 VTlg =2.3VTlg (2—11) IS IS I1 VD 每增加60mV, ID将按10的幂次方迅速增大.

§2.2 PN 结 e ID≈－IS 当 VD＜0 且 VD >>VT时, →0 4 、温度特性 温度每升高10oC, IS约增加一倍. 温度每升高1oC, VD(on)约减小2.5mV. Tmax= (150～200) oC (Si) (75～100) oC (Ge) 5 、击穿特性 电击穿(可逆) 热击穿(不可逆) 雪崩击穿(低掺杂PN结, VBR＞6V ) 齐纳击穿(高掺杂PN结, VBR＜6V )

§2.2 PN 结 (1)、雪崩击穿 电子 空穴 电子-空穴对 电子-空穴对… 载流子倍增 PN结 接电源正极 接电源负极 N P 3 图 2.12 电子 空穴 碰撞电离 电子-空穴对 电子-空穴对… 载流子倍增

§2.2 PN 结 三、PN结的电容特性 1 、势垒电容CB (2)、齐纳击穿 E↑(2×105V/cm) 电子-空穴对 载流子剧增 场致激发 载流子剧增 三、PN结的电容特性 1 、势垒电容CB P+ N (b) 势垒电容放电 (a) 势垒电容充电 图 2.13

§2.2 PN 结 f↑且反偏时, CB影响显著. 2 、扩散电容CD 正偏时, CD较大. 3 、结电容Cj Cj= CB+CD 正偏时, Cj≈CD (几十pF到几千pF) 反偏时, Cj≈CB (几pF到几十pF) xn x －xp O pn0 np0 △Qsn △QSP VF + － P+ N 图 2.14

§2.3 二极管 一、结构、分类、符号

§2.3 二极管

§2.3 二极管 1 、结构 2 、分类 点接触型:结面积小,极间电容小,不能承受高的反向电压和大的电流,适于做高频检波和开关元件用. §2.3 二极管 1 、结构 点接触型:结面积小,极间电容小,不能承受高的反向电压和大的电流,适于做高频检波和开关元件用. 2AP1 ( IF=16mA , f=150MHz ) 面接触型:结面积大,极间电容也大,适于做整流用,但不宜用于高频电路中. 2CP1 ( IF=400mA , f=3kHz ) 平面型:集成电路中的常用形式. 2 、分类

§2.3 二极管 3 、符号 二、V-I特性 按材料分类:硅管、锗管、砷化镓管等; 按用途分类:检波二极管、开关二极管、特殊二极管等; §2.3 二极管 按材料分类:硅管、锗管、砷化镓管等; 按用途分类:检波二极管、开关二极管、特殊二极管等; 按工作频率分类:高频管、低频管等; 按输出功率分类:大功率管、中功率管、小功率等. 3 、符号 二、V-I特性 O vD/V Ge iD/mA iD/μA Si 图 2.16

§2.3 二极管

§2.3 二极管 三、主要参数 四、电路模型 1、最大整流电流IF 2、反向击穿电压VBR 3、反向电流IR 4、极间电容Cj §2.3 二极管 三、主要参数 1、最大整流电流IF 2、反向击穿电压VBR 3、反向电流IR 4、极间电容Cj 5、最高工作频率f 四、电路模型 1、理想模型 2、恒压降模型 vD/V O iD/mA (a) vD/V O iD/mA (b) 0.7V + －

§2.3 二极管 3、折线模型 4、小信号模型 rd iD/mA vD/V iD/mA O (c) Vth 1 RD + － arctan §2.3 二极管 3、折线模型 4、小信号模型 vD/V O iD/mA O Q iD/mA vD/V IDQ 1 arctan rd (c) Vth + － RD rd Cj (d) 图 2.19 图 2.20

§2.3 二极管 五、特殊二极管 IDQ+ IS IDQ = ≈ VT VT VT rd = (2—12) IDQ 1、稳压二极管 §2.3 二极管 vD=VDQ IDQ+ IS IDQ = ≈ VT VT VT rd = (2—12) IDQ △IZ IZmin IZmax iZ/mA O vZ/V △VZ 五、特殊二极管 1、稳压二极管 VZ 、 IZ 、 rZ 、PZM 图 2.21

§2.3 二极管 2、变容二极管 在高频技术中应用较多.如谐振回路的电调谐;压控振荡器;频率调制等. 3、发光二极管(LED) 电信号 §2.3 二极管 2、变容二极管 在高频技术中应用较多.如谐振回路的电调谐;压控振荡器;频率调制等. 50 20 10 5 2 1 C/pF 0 5 10 15 20 25 V/V 3、发光二极管(LED) 图 2.22 电信号 光信号 4、光电二极管 光信号 电信号 在反向状态下运行

§2.3 二极管 图 2.23 5、激光二极管 图 2.24

§2.4 二极管基本应用电路 一、整流电路 整流电路是二极管的一个重要应用.整流是将正、负交替的交流电转化为单一极性的直流电的过程. 负载 §2.4 二极管基本应用电路 一、整流电路 整流电路是二极管的一个重要应用.整流是将正、负交替的交流电转化为单一极性的直流电的过程. 负载 二极管 整流器 滤波器 稳压器 变压器 交流 电压源 图 2.25 小功率直流稳压电源的组成框图

§2.4 二极管基本应用电路 1、半波整流 t v2＞0， VD√， vO= v2 ； v2＜0， VD×， vO= 0. Vm √2 V2 §2.4 二极管基本应用电路 1、半波整流 v2/V t vO/V VO Vm (b) R + － VD v2 vO (a) 图 2.26 v2＞0， VD√， vO= v2 ； v2＜0， VD×， vO= 0. Vm √2 V2 VO≈ ≈ ≈0.45V2 (2—13) π π

§2.4 二极管基本应用电路 2、全波整流 t v2＞0，VD1√， VD2×， vO= v2 ； §2.4 二极管基本应用电路 2、全波整流 + vO － R VD1 v2 VD2 iD1 iD2 (a) (b) v2/V t vO/V 图 2.27 v2＞0，VD1√， VD2×， vO= v2 ； v2＜0，VD1 × ，VD2 √，vO= －v2 . VO≈ 0.9V2 (2—14)

§2.4 二极管基本应用电路 3、桥式整流 t v2＞0，VD1√，VD3√，VD2×，VD4×，vO= v2 ； §2.4 二极管基本应用电路 3、桥式整流 (b) v2/V t vO/V VD3 R VD1 + vi2 － VD2 vO VD4 (a) 图 2.28 v2＞0，VD1√，VD3√，VD2×，VD4×，vO= v2 ； v2＜0，VD1 ×，VD3×，VD2√，VD4√，vO= － v2 .

§2.4 二极管基本应用电路 整流桥堆

§2.4 二极管基本应用电路 二、稳压电路 RL↓→ IL↑→IR↑→ VO↓ →IZ↓→ IR↓ VO↑ §2.4 二极管基本应用电路 二、稳压电路 图 2.29 R ↓ IZ RL IL →IR + VI － VO VS RL↓→ IL↑→IR↑→ VO↓ →IZ↓→ IR↓ VO↑ IZ= IR－IL IZmin= IRmin－ ILmax (2—15) IZ= IR－IL IZmax= IRmax－ ILmin (2—16) IZmin＜ IZ＜ IZmax (2—17)

§2.4 二极管基本应用电路 VImin－VZ VZ VImax－VZ VZ － ＜ Iz＜ － (2—18) §2.4 二极管基本应用电路 VImin－VZ VZ VImax－VZ VZ － ＜ Iz＜ － (2—18) R RLmin R RLmax VImax－VZ VImin－VZ ≤ R≤ (2—19) IZmax+ ILmin IZmin + ILmax 【例2-1】试设计一稳压管稳压电路,作为汽车用收音机的供电 电源。已知收音机的直流电源为9V,音量最大时需供给的功 率为0.5W 。汽车上的供电电源在12～13.6V之间波动。要求 选用合适的稳压管(IZmin、IZmax、VZ、PZM),以及合适的限流 电阻(阻值、额定功率) 。

§2.4 二极管基本应用电路 【解】由题意可画出稳压电路如图2.30所示。 PLmax 0.5W PLmax=VLILmax §2.4 二极管基本应用电路 【解】由题意可画出稳压电路如图2.30所示。 R ↓ IZ →IR + VI － VZ=9V 收音机 →IL 图 2.30 汽车 电源 VL PLmax 0.5W ILmax= = ≈ 56mA VL 9V PLmax=VLILmax VImin－VZ 12－9 R≤ = ≈0.049kΩ=49Ω IZmin + ILmax 5+56 取R=47Ω

§2.4 二极管基本应用电路 三、低电压稳压电路 PRM=VRmaxIRmax=(VImax－VZ). ≈0.45W VImax－VZ R §2.4 二极管基本应用电路 PRM=VRmaxIRmax=(VImax－VZ). ≈0.45W VImax－VZ R 宜选47Ω,1W的电阻. IZmax=IRmax－ILmin = －ILmin= －0 =98mA VImax－VZ R 13.6－9 47 PZM=VZIZmax=9V×98mA =882mW 宜选VZ=9V, IZmax=98mA, IZmin=5mA, PZM=0.882W的稳压管. 三、低电压稳压电路 由于低电压的稳压管的稳压性能不够理想,所以在3～4V以下,采用多只二极管串接,以获得较好的稳压特性.

§2.4 二极管基本应用电路 vD= VD +△vD △iD, △vD △vI R + △vD (a) (b) rd △iD △VI (c) §2.4 二极管基本应用电路 R + △vD － (a) (b) rd △iD △VI (c) △vI vD VD iD VI vO vI 图 2.31 ID, VD iD= ID +△iD, vD= VD +△vD VI △vI △iD, △vD

§2.4 二极管基本应用电路 【例2-2】在图2.31(a)所示的低电压稳压电路中,直流电源VI §2.4 二极管基本应用电路 【例2-2】在图2.31(a)所示的低电压稳压电路中,直流电源VI 的正常值为10 V, R=10kΩ, 若VI 变化±1 V时, 问相应的硅 二极管的电压(输出电压)的变动如何? rd 0.028 △vO=△vD= △vI = ×±1≈±2.79mV R+rd 10+0.028 【解】 其中: VT 26 rd = = ≈28Ω IDQ 0.93 VI－VD(on) I0－0.7 IDQ= = =0.93mA R 10 △vI =±1 V △vO= ±2.79mV

§2.4 二极管基本应用电路 四、限幅电路 限幅器用于消除信号中大于或小于某一特定值的部分. §2.4 二极管基本应用电路 四、限幅电路 限幅器用于消除信号中大于或小于某一特定值的部分. 限幅器最简单的应用是在电子电路的输入端限制输入电压, 以保证电路中的晶体管不被击穿. VOH VOL VIH VO (a) 上限幅 VI VIL (b) 下限幅 (c) 双向限幅 图 2.32

§2.4 二极管基本应用电路 1、单向限幅 vI=Vmsinωt V1＞0 t Vm＞ V1 §2.4 二极管基本应用电路 1、单向限幅 Vm vI/V t vO/V V1+VD(on) V1－VD(on) + V1 － R vI vO VD vI=Vmsinωt V1＞0 Vm＞ V1 (a) vI＞V1+VD(on) ,VD√,vO=V1+VD(on); vI＜V1+VD(on) ,VD×,vO = vI . R + V1 － vI vO VD (b)

§2.4 二极管基本应用电路 vI＞V1－VD(on) , VD×, vO=vI; vI＜V1－VD(on) ,VD√,vO=V1－VD(on) . t Vm vI/V vO/V －(V1－VD(on) ) －( V1+VD(on) ) R － V1 + vI vO VD (c) － V1 + R vI vO VD (d) 图 2.33

§2.4 二极管基本应用电路 2、双向限幅 t 设vI=10sinωt (V), V1=V2=3V,试确定上图(b)中的上限幅值及下限幅值. §2.4 二极管基本应用电路 2、双向限幅 －( V2+VD(on) ) Vm vI/V t vO/V V1+VD(on) R + V1 － V2 vI vO VD1 VD2 (a) (b) 图 2.34 设vI=10sinωt (V), V1=V2=3V,试确定上图(b)中的上限幅值及下限幅值.

§2.4 二极管基本应用电路 五、开关电路 二极管和电路中的其他元件连接在一起,可完成逻辑运算功能.如“与”、“或”等. 表 2.1 §2.4 二极管基本应用电路 五、开关电路 二极管和电路中的其他元件连接在一起,可完成逻辑运算功能.如“与”、“或”等. 表 2.1 VCC（5V） R=4.7kΩ vI1 vO VD1 VD2 vI2 vI1 vI2 VD1 VD2 vO 0V √ 0.7V 3V × 3.7V 图 2.35

章末总结与习题讨论 一、本章小结 1、熟悉半导体的基本概念─载流子(电子、空穴) 、P型半导体、N型半导体、多子、少子、施主杂质、受主杂质等; 2、理解PN结的形成机理.掌握PN结的单向导电性,了解其反向击穿特性和电容特性. 3、掌握PN的伏安关系及其数学表达式; 4、熟悉二极管的结构、分类、符号及主要参数,了解几种常用的特殊二极管(稳压管、发光二极管等); 5、掌握二极管电路的分析方法,要求采用合理的模型分析二

章末总结与习题讨论 二、例题讨论 极管电路. 6、熟悉常用的二极管应用电路─整流、稳压、限幅、 开关. 【例2-3】 简单二极管基本电路如图2.36所 示.对于下列两种情况,求电路的ID和VD的值:(1)VDD=10V;(2) VDD=1V.在每种情况下,应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解. VDD + VD － R 10kΩ ID 图 2.36 【解】 (1) VDD=10V ① VD=0V, ID=1mA. ② VD=0.7V, ID=0.93mA. ③ ID=0.931mA ,VD=0.69V.

章末总结与习题讨论 (2) VDD=1V ① VD=0V, ID=0.1mA. ② VD=0.7V, ID=0.03mA. VDD=5V,R=5kΩ，VD(on)=0.6V, vi=0.1sinωt（V）. 【解】 分两步进行分析: 直流分析和交流分析. (1) 直流分析 + VDD － vi vO R VD VDD－VD(on) 5－0.6 IDQ= = = 0.88mA R 5 图 2.37 (a)

章末总结与习题讨论 VO=IDQR=0.88×5=4.4V (2) 交流分析 rd VT 26 rd = = ≈29.5Ω IDQ 0.88 (2) 交流分析 + vi － vo R rd 图 2.37 (b) VT 26 rd = = ≈29.5Ω IDQ 0.88 vi 0.1sinωt id= = ≈19.9 sinωt(μA) rd+R 0.0295+5 vd=id rd=19.9×10－6×29.5=0.59mV vo=id R=99.5 sinωt(mV) 二极管中的电压及电流波形如图2.37(c)所示.

章末总结与习题讨论 【例2-5】求图2.38(a) 所示电路中的输出.为简单起见,设两个二 极管的Vth=0V, RD=0. vD id t iD IDQ VDQ vd 图 2.37 (c) 【例2-5】求图2.38(a) 所示电路中的输出.为简单起见,设两个二 极管的Vth=0V, RD=0. 【解】(1) 当 0＜vI≤2V时，VD1×, VD2×, vO= vI; (2) 当vI ＞2V时，VD1 √

章末总结与习题讨论 ↓ i1 t vI－V1 vI －2 1 1 i 1= = vO=i1R2+ 2= (vI－2) + 2= vI+1 R1=10kΩ vI v/V t 6 4 2 －2 －4 －6 vO (b) + vO － + vI=6sinωt V － R2= 10kΩ ↓ i1 VD2 VD1 － V2=4V + + V1=2V － (a) 图 2.38 vI－V1 vI －2 i 1= = R1+ R2 10+10 1 1 vO=i1R2+ 2= (vI－2) + 2= vI+1 2 2 若 vI =6V，则 vO=4V.

章末总结与习题讨论 (3) 当－4V＜vI＜0， VD1×, VD2×, vO= vI ; (4) 当vI≤－4V，VD2√, vO=－4V 输入输出波形如图2.38(b)所示. 思考: (1) 如果假设Vth≠0, RD= 0. 输出波形如何? (2) 如果假设Vth≠0, RD≠0. 输出波形如何?

欢 迎 提 出 批 评 指 正 !