模电第三章

I D VDD / R 1 mA
（a）简单二极管电路 （b）习惯画法
VD 0.7 V （硅二极管典型值） I D (VDD VD ) / R 0.93 mA
折线模型
Vth 0.5 V（硅二极管典型值）
设 rD 0.2 k
VDD Vth ID 0.931 mA R rD
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动 态平衡，就形成了PN结。
12
3.2.2 PN结的形成
在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, 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: 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
反向特性
60 40 20
15 10 5 0 10 20 30
30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10 死区 20 30 40
VBR
0.2 0.4 0.6
D/V
②
Vth
反向击穿特性
③
40
iD/ A
iD/ A
硅二极管2CP10的V-I 特性
解：由电路的KVL方程，可得 iD VDD vD
即 iD
1 1 vD VDD 是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线 R R
26
R
Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
1.二极管V-I 特性的建模 将指数模型 iD IS (e vD VT 1) 分段线性化，得到二极
电路模型
28
（3）折线模型 等效的电池为：门坎电压 硅管约为0.5V
V-I特性
等效的电阻为：当二极管导 通电流为1毫安，管子压降 为0.7V时，电阻rD大约为 200欧姆
电路模型
29
（4）小信号模型
vs =0 时, Q点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。 vs =Vmsint 时（Vm<<VDD）, 将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到 小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。
N区自由电 子浓度远高 于P区。
扩散运动
扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N 区的自由电子浓度降低，产生内电场。
11
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形 成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向 P区、自由电子从P区向N 区运动。
漂移运动 因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。
当VDD=1V 时， （自看）
VD Vth I D rD 0.69 V
33
（3）限幅电路
电路如图，R = 1kΩ，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模 型和恒压降模型求解，当vI = 6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。
34
（4）开关电路
解： 先断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。 则接D阳极的电位为-6V，接阴极 的电位为-12V。 阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。 导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。 所以，AO的电压值为-6V。
(2)扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电容Cd。 结电容： C j Cb Cd 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程 度，则失去单向导电性！
18
3.3 半导体二极管
3.3.1 半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
24
3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法
二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采 用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图
解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V -I
特性曲线。
25
例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD 和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。
特别注意： 小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。 该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vD>>VT 。
31
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
2．模型分析法应用举例
（1）整流电路
32
（2）静态工作情况分析
当VDD=10V 时， （R=10k） 理想模型
VD 0 V
恒压模型
锗二极管2AP15的V-I 特性
22
从二极管的伏安特性可以反映出：单向导电性
i IS (e
vD VT
1)
正向特性为 指数曲线
vD VT
60 40
iD/mA
20 15 10 20 5 0 10 20 30 ③ 40 0.2 0.4 0.6 ①
若正向电压 vD VT，则i ISe
IZmin ≤ IZ ≤ IZmax # 不加R可以吗？
(a)N 型半导体
(b) P 型半导体
9
杂质半导体的简化表示法
3.2 PN结的形成及特性
3.2.1 载流子的漂移与扩散
3.2.2 PN结的形成
3.2.3 PN结的单向导电性
3.2.4 PN结的反向击穿
3.2.5 PN结的电容效应
10
3.2.1 载流子的漂移与扩散
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液 体、固体均有之。
当PN结的反向电压增加 到一定数值时，反向电流突 然快速增加，此现象称为PN 结的反向击穿。 雪崩击穿 齐纳击穿
电击穿——可逆
热击穿——不可逆
17
3.2.5 PN结的电容效应
(Байду номын сангаас)势垒电容
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变 化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相 同，其等效电容称为势垒电容Cb。
• 低电阻 • 大的正向扩散电流
必要吗？
14
(2) PN结加反向电压时 PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩 散运动，有利于漂移运 动，形成漂移电流。由 于电流很小，故可近似 认为其截止。
在一定的温度条件下，由本征激 发决定的少子浓度是一定的，故少子 形成的漂移电流是恒定的，基本上与 所加反向电压的大小无关，这个电流 也称为反向饱和电流。 • 高电阻 • 很小的反向漂移电流
VBR
D/V
②
若反向电压vD VT，则i IS
反向特性为横轴的平行线
材料 硅Si 开启电压 0.5V 导通电压 0.5~0.8V
Vth
iD/ A
反向饱和电流 1µA以下
锗Ge
0.1V
0.1~0.3V
几十µA
23
3.4 二极管基本电路及其分析方法
3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法
进入稳压区的最小电流
不至于损坏的最大电流
37
2.主要参数 稳定电压VZ、稳定电流IZT 动态电阻rz＝ΔVZ /ΔIZ 最大功耗PZM＝ IZM VZ 若稳压管的电流太小则不稳 压，若稳压管的电流太大则 会因功耗过大而损坏，因而 稳压管电路中必需有限制稳 压管电流的限流电阻！
38
3. 稳压电路 # 稳压条件是什么？
3
3.1.2 半导体的共价键结构
硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构
4
3.1.3 本征半导体
本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。
无杂质
共价键 由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 动态平衡 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高， 热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对 5 的浓度加大。
3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性
3.3 半导体二极管
3.4 二极管基本电路及其分析方法
3.5 特殊二极管
1
3.1 半导体的基本知识
3.1.1 半导体材料
3.1.2 半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体
3.1.4 杂质半导体
2
3.1.1 半导体材料
1、什么是半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受 原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能 导电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们 原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间
磷（P）
7
2. P型半导体
多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强，
3
在杂质半导体中，温度变化时， 载流子的数目变化吗？少子与多 子变化的数目相同吗？少子与多 子浓度的变化相同吗？
硼（B）
8
小结：
1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决 定少数载流子的浓度。 2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导 体，因而其导电能力大大改善。 3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。
35
（5）小信号工作情况分析
图示电路中，VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sint V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。
36
3.5 特殊二极管
3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管)
1.符号及稳压特性
利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向 电击穿状态。
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可 使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主 要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称 为杂质半导体。 多数载流子 1. N型半导体
空穴比未加杂质时的数目多了？ 少了？为什么？
5
杂质半导体主要靠多数载流子 导电。掺入杂质越多，多子浓 度越高，导电性越强，实现导 电性可控。
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电子 和带正电的空穴均参与导电，且 运动方向相反。由于载流子数目 很少，故导电性很差。
温度升高，热运动加剧，载流 子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
6
3.1.4 杂质半导体
管特性的等效模型。 （1）理想模型 应用条件：电源电压远比二极管的管压降大。
正向偏置时的电路模型
反向偏置时的电路模型
V-I特性
代表符号
27
(2)恒压降模型
导通压降： Von硅 0.7 V
（硅二极管典型值） （锗 二极管典型值）
Von锗 0.2 V
V-I特性
应用条件：二极管的电流近似等于或 大于1mA。
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
13
3.2.3 PN结的单向导电性
当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加 正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时 PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运 动加剧，由于外电源的 作用，形成扩散电流， PN结处于导通状态。
21
3.3.2 二极管的伏安特性
二极管的电流与其端电压的关系称 为伏安特性。
二极管的伏安特性曲线可用下式表示:
R
iD + vD -
i D I S (e
反向饱 和电流
VBR
40
v D / VT
1)
温度的 电压当量
iD/mA
20
iD/mA
20 15 10 5
正向特性
①
Vth
开启 电压
D/V
3.3.3 二极管的主要参数
19
3.3.1 半导体二极管的结构
在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极 管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大 类。 (1) 点接触型二极管
PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。
二极管的结构示意图
(a)点接触型
20
(2) 面接触型二极管
PN结面积大，用于工频大 电流整流电路。
由此可以得出结论：
PN结具有单向导电性。
15
(3) PN结V-I 特性表达式
iD IS (e
其中
vD / VT
1)
IS ——反向饱和电流 VT ——温度的电压当量 且在常温下（T=300K）
PN结的伏安特性
kT VT 0.026V 26 mV q
16
3.2.4 PN结的反向击穿
30
即 rd 根据
v D i D
iD IS (evD /VT 1)
diD dv D I S vD / VT e VT
i D VT ID VT
得Q点处的微变电导
gd
Q

Q
Q

则 rd
VT 1 ID gd
常温下（T=300K） r VT 26(mV ) d
ID
I D (mA )