模拟电子技术之二极管及其基本电路
从这一部分开始,内容的难度开始加大,下面一起来看一下二极管都有哪些知识点
- 半导体基本知识
- PN结的形成及特性
- 二极管及其简化模型
- 二极管基本电路
- 特殊二极管
1. 半导体基本知识
本征半导体
本征半导体是一种完全纯净、结构完整的半导体晶体。
半导体的导电性
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。
典型的半导体有 硅(Si) 和 锗(Ge) 以及砷化镓(GaAs)等。
在室温（300K）下，当被束缚的价电子获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键束缚成为自由电子时（本征激发），半导体便具备了一定的导电能力。
但与良导体相比，本征硅晶体内自由电子数量较少，因而其导电性能远不及导体。
空穴
空穴就是价电子挣脱束缚成为自由电子后，共价键中留下的空位。
因为空穴表示共价键中失去了一个带负电荷的电子，所以认为其带有与电子电荷等量的正电荷。
空穴也可以移动，它实际上反映了受束缚的价电子的移动，只是移动方向与价电子移动方向相反。
可以用空穴移动产生的电流来代表价电子移动产生的电流。
空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。
在半导体中这种参与导电的粒子统称为载流子
载流子的产生与复合
载流子——可以自由移动的带电粒子。
自由电子和空穴都是载流子
本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的。
自由电子与空穴相遇时，两者同时消失，称为自由电子与空穴的复合。
外部环境不变的情况下，载流子的产生与复合达到动态平衡。
当温度升高时，将产生更多的自由电子和空穴，意味着载流子的浓度升高，晶体的导电能力也会增强。即本征半导体的电导率将随温度的升高而增加。
本征半导体中载流子的浓度仍然很低，导电能力与所期望的仍然相差很远。
而且导电性能受温度的影响严重，很难满足电路正常工作的要求。
实际的半导体器件，都是通过在本征半导体中，掺入一定浓度的杂质原子，来解决这个问题的。
杂质半导体
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 。
掺入一定浓度的三价杂质元素，就会产生一定浓度的空穴，但并不会增加自由电子的浓度。
- N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。
- P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。
P型半导体和N型半导体的使命是构成PN结
P型半导体
因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴
空穴主要由掺杂引起，决定着半导体的导电性能，由于它带有正电荷，取英文单词Positive首字母命名,故称为P型半导体。
在P型半导体中 空穴是多数载流子， 它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质 。
N型半导体
掺入一定浓度的五价杂质元素，就会产生一定浓度的自由电子，但并不增加空穴浓度。
这种类型的半导体的导电能力，主要取决于带负电荷的自由电子，称为N型半导体即以Negative首字母N命名。
因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
在N型半导体中 自由 电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；
它主要由杂质原子提供； 空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质 。
掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，以下是一组典型数据:
2. PN结的形成及特性
PN结的形成
载流子的漂移与扩散
漂移运动：
在电场作用下引起的载流子运动扩散运动：
由载流子浓度差引起的载流子运动
PN结的形成
顾名思义,PN结一定包含P型和可N型两种类型的半导体
- 当在一块半导体材料的左侧掺入3价杂质元素时,便形成了P型区
- 而在一块半导体材料的右侧掺入5价杂质元素时,便形成了N型区
整个半导体仍然是电中性的。实际上，半导体中还含有数量更多的共价键齐全的硅原子，不过它们对PN结的形成不产生影响。
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:
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 :
其中,这个内电场就是所谓的PN结,也称为空间电荷区、耗尽层 、势垒区:
PN结的特性
PN 结的单向导电性
外加正向电压
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。
回路中产生由多数载流子形成的扩散电流，称为正向电流:
外加正向电压的作用:
- 削弱了内电场的作用，PN 结电阻减小
- 有利于多数载流子的扩散运动
外加反向电压
由于少数载流子的数量有限,所以在反向电压增加时,反向电流的增加并不明显,而是趋于稳定,这时的电流也称为反向饱和电流:
换句话说,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 。
- PN结正向偏置时(加正向电压时)，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流。
- PN结反向偏置时(加反向电压时)，呈现高电阻，只有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。
PN 结的I−V特性
对这个方程式进一步分析,可以看出:
- 如果PN结加正向电压,并且正向电压 V D V_D VD比 V T V_T VT大几倍时,那么括号中的指数项就远大于1,电流 i D i_D iD与 V D V_D VD成指数关系
- 当PN结加反向电压时, V D V_D VD是负值,如果它的绝对值比 V T V_T VT大几倍,那么指数项就趋近于零,电流 i D i_D iD就约等于负的 I s I_s Is
也就是说,当温度一定时,反向电流基本上是个常数,几乎不随外加反向电压变化
需要注意的是,这个指数方程仅仅描述了PN结的正、反两种偏置状态,并不包括接下来要说的反向击穿状态
PN 结的反向击穿和电容效应
PN 结的反向击穿
实际上,PN结的反向电压不能无限制地增加,当反向电压超过一定值时,反向电流会突然增加,意味着PN结被反向击穿了:
发生击穿所需要的电压称为反向击穿电压,PN结反向击穿后,电流很大,升温很快,容易烧毁PN结
原因最终都是破坏了硅原子中共价键的束缚,使自由电子空穴对急剧增加造成的
PN结反向击穿后,如果反向电流和反向电压的乘积不超过PN结的耗散功率,那么这种击穿就是可逆的,称为电击穿,当反向电压降低后,PN结仍然可以回到截止状态;
如果反向电流和反向电压的乘积超过了PN结的耗散功率,那么PN结就会因为过热而被烧毁,这就是热击穿
电击穿是可以利用的,而热击穿是要避免的
PN 结的电容效应
PN结的电容效应直接影响半导体器件的高频特性和开关特性。
扩散电容
- 外加电压变化
- 扩散到对方区域,在靠近PN结附近累积的载流子浓度发生变化
- 等效于电容充放电
势垒电容
- 外加电压变化
- 离子层厚薄变化
- 等效于电容充放电
3. 二极管及其简化模型
二极管是最简单的半导体器件,实际上,半导体二极管内就是一个PN结，所以可以将二极管看作是PN结的物化器件。因此，二极管一定会表现出PN结具有的各种特性。
二极管的I-V特性
这是典型的硅极管的电流电压关系曲线:
二极管的主要参数
最大整流电流 I F I_F IF
二极管长时间工作时，允许，通过的最大正向平均电流。反向击穿电压 V B R V_{BR} VBR
二极管反向击穿时的电压值。反向电流 I R I_R IR
二极管工作在反向截止状态时的电流。极间电容 C d C_d Cd
主要反映了二极管PN结的电容效应。这个参数与PN结面积成正比。反向恢复时间 T R R T_{RR} TRR
二极管在导通和截止两种状态之间转换的时间
二极管模型
大信号模型
二极管在大电压、大电流下工作时的等效模型,而且只反映了二极管的单向导电性,不包括反向击穿特性
应用这些模型分析二极管电路时,关键是判别二极管的导通与截止
理想模型
在二极管特进曲线坐标系里:
- 用一条与纵轴正半轴重合的直线,描述二极管的正偏时的电压电流关系
- 用一条与横轴负半轴重合的水平线,描述二极管反偏时的电流电压关系
这便是二极管的理想模型:
恒压降模型
将理想模型的正向导通垂线右移到指数曲线的位置,就是恒压降模型:
这个模型意味着,正向电压必须超过一定值后,二极管才能导通,否则二极管是截止的
而且二极管导通后,管压降是一定的
折线模型
将恒压降模型的垂线倾斜,尽可能与指数曲线重合,便成为折线模型了:
这段斜线的斜率相当于一个电导,它的导数就是电阻:
显然,折线模型的精度更高,但相对来说更复杂一些
小信号模型
当二极管的电压和电流只在小范围内变化时,也可以建立模型,这时的模型称为小信号模型
例如二极管工作时,如果电压电流以Q点为中心,只在Q一撇和Q两撇之间变化,那么就可以用过Q点的切线代替Q一撇和Q两撇之间的指数曲线,这条切线就是二极管的线性小信号模型:
电导的倒数就是小信号模型的电阻rd:
4. 二极管基本电路
单向导电性是二极管的基本特性,基于这一特性,可以构成许多二极管应用电路,如整流电路、限幅电路、开关电路等
整流电路
半波整流
当一个负载 R L R_L RL希望从一个正弦波激励源 V s V_s Vs获得单极性电压时,可以通过在回路中串入一只二极管来实现:
采用恒压降模型:
桥式整流
下面仍然用理想模型来分析:
- 在 v s v_s vs的正半周,a点电位高于c点电位,在从a点出发,经过 D 2 D_2 D2、 R L R_L RL和 D 4 D_4 D4,到达c点构成的支路中, D 2 D_2 D2和 D 4 D_4 D4处于正向偏置而且导通,并且管压降为0,这时a点电位高于d点电位,b点电位高于c点电位,使得 D 1 D_1 D1和 D 3 D_3 D3处于反向偏置而截止,电路可以等效成下图所示:
- 在 v s v_s vs的负半周,a点电位低于c点电位,在由c点出发,经过 D 3 D_3 D3、 R L R_L RL和 D 1 D_1 D1,到达a点构成的支路中, D 3 D_3 D3和 D 1 D_1 D1处于正向导通状态,而且管压降为0,而 D 2 D_2 D2和 D 4 D_4 D4处于反向偏置状态,电路可以等效成下图所示:
这时,负载中的电流反向并没有改变,负载上的电压仍是正电压
由此看出,无论 v s v_s vs是正半周还是负半周,负载上的电压总是单极性的
通过以上分析,我们可以得到二极管和负载上的电压波形:
与半波整流相比,这里的负载电压在 v s v_s vs的完整周期内都有波形,属于全波整流
整流桥的简化画法:
限幅电路
可以看出,只有当输入电压大于 V R E F V_{REF} VREF时,二极管才能导通,管压降为零,输出电压被限制在了 V R E F V_{REF} VREF上,否则二极管截止,相当于开路,输出电压等于输入电压
开关电路
小信号模型应用
图解分析法
5. 特殊二极管
前面谈到的二极管,都是基于单向导电性应用的二极管,实际上,还有不少基于其他特性应用的二极管:
我们重点来学习齐纳二极管
齐纳二极管
由特殊工艺制造的齐纳二极管,可以在反向击穿下工作,并在规定的电流范围内,不会被热击穿
可以看到电流在较大范围内变化时,电压变化非常小,有很好的稳压特性,所以齐纳二极管也称为稳压二极管
使用齐纳二极管时,首先要使它处于反向击穿状态,也就是 V i V_i Vi电压一定要大于齐纳二极管的稳压值 V z V_z Vz,其次必须串入限流电阻R,将二极管的电流限制在允许的范围内
然后将负载电阻并接在极管两端,这样,负载上的电压就是齐纳二极管的稳压值。当负载电阻发生变化，或直流输入电压产生波动时，由于齐纳二极管的稳压作用，使负载两端电压保持不变。
光电子二端器件
光电二极管
将光转换为电的二极管，工作在反向偏置状态下，其反向电流随光照强度（简称照度）变化。
发光二极管
将电转换为光的二极管，通过一定正向电流时会发光。
激光二极管
太阳能电池
变容二极管
结电容随反向电压显著变化的二极管
肖特基二极管
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