模电学习 —— PN结&二极管&&工作伏安特性
模电学习 —— PN结&二极管&&工作伏安特性
本文主要介绍了模拟电子学中的PN结和二极管的基础知识，包括本征半导体、杂质半导体、PN结的形成及其工作特性、二极管的伏安特性曲线、温度影响、主要参数以及应用等。文章内容详尽，涵盖了半导体器件的基本理论和实际应用，适合电子工程及相关专业的学生学习参考。
前置学习总体路线
二极管、三极管、场效应晶体管、及基本特性 、基本使用方式
应用电路：放大作用、开关作用等等
基于管子的放大电路 --- 分立元件的放大电路
大功率 --- 电源
微电子 --- 集成运算放大器 --- 集成运放 --- 判断 规则 ： 反馈状态、负反馈状态
放大 --- 放大频率的响应
从设计出发，学习基本特性
模拟信号和数字信号的桥梁 --- ADDA转换器
第一章 常用半导体器件
1.1 基础知识
1.1.1 本征半导体
概念
半导体概念：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料
本征半导体：具有晶体结构的半导体 ，纯净半导体
载流子
载流子：自由电子、空穴
导电：拥有自由电子
本征激发：逃逸共价键的束缚，留下一个空穴
复合：自由电子重新变成一个共价键的价电子
载流子浓度
本征激发速度：温度越高，热运动越剧烈
复合速度：和载流子浓度相关
当温度从T0上升到T1，本征激发速度加大，载流子数目越升越高，复合也随之加快，浓度达到一定程度，复合和激发变得动态平衡。
本征激发虽然能有自由电子，但是电阻很高。但是纯净的本征半导体具有可掺杂性-->
载流子的运动
半导体中载流子的运动主要有以下三种：
（1）漂移运动
- 在外加电场作用下发生定向运动。
- 速度与电场强度成正比。
- 具有饱和速度。
- 是半导体中电流形成的主要机制。
（2）扩散运动
- 在载流子浓度梯度下发生。
- 从高浓度区域向低浓度区域运动。
- 速度与浓度梯度成正比。
- 不需要外加电场。
（3）热运动
- 无定向随机运动。
- 与温度相关。
- 不形成电流。
- 又称布朗运动。
以上是载流子主要三种运动情况。
产生电流的输运机制其实就两种：漂移运动和扩散运动。
1.1.2 杂质半导体
概念
在纯净的本征半导题掺入少量的 杂质元素 ---》 提高载流子浓度，不改变晶格结构
N型半导体（negative）
掺入少量的磷（P）元素（5价）
多子：自由电子是多数载流子
少子：空穴
主要导流离子：自由电子，带负电（磷离子不导电），所以称为N型半导体（negative）
温度对N型半导体的多子的影响不大，甚至没有（浓度很高，温度产生的自由电子不多），少子影响很大（浓度低），所以半导体器件特性和少子有关，受温度影响就很大
失主原子：失去电子，变成离子
P型半导体（positive）
掺入少量硼元素（3价）
多子：空穴
少子：自由电子
主要导流离子：空穴，带正电，所以称为P型半导体（negative）
PN结
扩散运动：多子 浓度高-》浓度低 运动
漂移运动：少子在空间电荷区的运动
图a->b：没有控制的话，两块半导体自己消耗完载流子，形成耗尽层（阻挡层）也就是空间电荷区，空间电荷区就会阻止载流子的运动，空间电荷区也就是，PN结。
在一定条件下，扩散运动和漂移运动会趋于平衡。空间电荷区形成的势垒
对称结、不对称结
PN结单向导电性
死区：电压升高，电流一直没有出现的区域。
电源施加正向电压（P->N），外电场削弱了内电场的作用，减少势垒，使得扩散运动继续，电流会增大，如果没有电阻，PN结会烧掉，也就是限流电阻。
反向时，漂移运动加强，少子构成，也会有电流，但是电流是微安级，并且对温度特变敏感。也就是反向饱和电流，Is
PN结伏安特性曲线
PN结电流方程：
室温下，
，U是PN结上所加的电压
正向特性：
死区
压降：电流很大时，电压变化范围很小
反向特性：
反向饱和电流
反向偏置_百度百科
反向击穿
雪崩击穿
本质：需要粒子有个加速的过程
温度越高，雪崩击穿需要的电压越高
温度越高，晶格振动越大，自由电子行程短，需要更高的电压
齐纳击穿
本质：将价电子拉出来
掺杂浓度高、PN结窄
温度越高，齐纳击穿需要的电压越低
击穿时，温度没过热，还是好的，过热了PN结就二次击穿了，无法挽回。
通过掺杂浓度可以控制反向击穿电压大小，浓度越低，需要电压越高（雪崩），浓度越高，需要电压越小（齐纳）。
当掺杂浓度较低、外加电压又较高时，PN结空间电荷区宽度较宽，电子在电场的作用下获得的能量较大，足以克服共价键的束缚而成为自由电子。这种情况下，碰撞电离的机会较多，容易发生雪崩击穿。
在高掺杂浓度的PN结中，即使施加较小的反向电压，电场强度也会很强，导致价电子从共价键中被拉出，形成大量的载流子，产生大电流，导致齐纳击穿。
反向在电压U足够大时，电流虽然会增加很快，但是电压稳定了，可以用这个特性做稳压二极管
PN结的电容效应
势垒电容_百度百科
电容的特性：反应电压和电荷的关系
势垒电容
- 扩散电容
半导体二极管
结构：PN结 + 外壳
二极管伏安特性曲线
半导体二极管和PN结：
由于体电阻的存在，相同电压比PN结小
反向电流大一些
温度影响
温度上高，正向左移，反向下移
室温下，正向：每升高 1摄氏度，正向压降减小 2~2.5mV；反向：每升高 10摄氏度反向电流增大一倍
二极管作用
正向
整流：规定电流流动方向，路径
前置电位：稳压
反向
温度传感器：反向饱和电流，每升高 10摄氏度反向电流增大一倍
稳压二极管：反向击穿，掺杂浓度可以控制击穿电压大小
二极管主要参数
：最大整流电流，长期工作能通过的正向平均电流的最大值
功率电流值，和器件的功率有关
最高反向工作电压
有一定值，否则造成击穿，失去截止特性
不能 == UBR 要有一定的超载能力
未击穿时，反向电流
反向电流越小，反向截止特性越好
上限频率
高频电路中的二极管考虑上限，否则导通，失去单向导电特性
二极管的等效电路
伏安特性折线化 在直流电路的分析 的等效电路
a：理想二极管，无反向电流，a是理想二极管符号，中间没线
b：理想二极管+电源，
a模型：i = V/R
b模型：i = (V - U) / R，注意死区电压
典型电路（正向特性+反向特性）
正向：
从两题学习：画出U0 波形（交流电）
一、压降，限幅作用
实际二极管：
二、整流作用
理想二极管波形：
二极管的微变等效
三、如何在R上读出由 小交流 ui 引起的电压
分析：
ui 是一个很小的值，需要有一个直流电源抬高，让二极管通过死区电压。
需要直流抬高电压越过二极管死区
通过斜率的方式，得出一个电阻值 rd ，也就是从特性曲线上等效出来的二极管的动态电阻。
id 也就可以换算出来 id = ui / (rd + R)。
分析方法总结
- 分析二极管的交流的响应，需要分两步
- 知道二极管工作在怎样一个直流环境上，直流决定了交流的响应
- 分析交流电路
- 分析直流，求静态工作的电流 ID = (V-Uon) / R
- 求正向特性曲线一点附近的斜率计算 rd = UT / ID ，二极管等效为一个 rd 电阻（需要在交流下，可从正向特性曲线斜率求一个动态电阻 rd )
- 用rd 电阻取代二极管在电路中的位置，也就是假想二极管成为电阻，将坐标原点移到了动态电阻值处，成为一个线性值的电阻（过原点的一个直线段），此代价就是，将直流干掉了
- 直流和交流不能同时存在
- 将直流拿掉后，交流的电流 id 就可得
- 那么整个的总电流 = 交流电流 + 直流电流
- 那么可得在R上读出由 小交流 ui 引起的电压是 ：UR = ID * R = V - U二极管
反向特性
基本上用于 稳压
