1、,2.1 半导体的基本知识,2.3 半导体二极管,2.4 二极管基本电路及其分析方法,2.5 特殊二极管,2.2 PN结的形成及特性,2 半导体二极管及其基本电路,小结,2.6 二极管的应用,学习指导,作业,学习指导,电子技术是当代高新技术的龙头。半导体器件是现代电子技术的重要组成部分。PN结是半导体器件的核心环节。半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路有广泛的应用。 主要内容:1、半导体的基本知识; 2、PN结的形成及特点;3、半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电路。,学习目标：1、掌握以下基本概念：半导体材料的特点、空穴、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏；
2、2、了解PN结的形成过程及半导体二极管的单向导电性；3、掌握半导体二极管的伏安特性及其电路的分析方法；4、正确理解半导体二极管的主要参数；5、掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项，了解选管的一般原则。,2.1 半导体的基本知识,2.1.1 半导体特性,2.1.2 半导体的共价键结构,2.1.3 本征半导体,2.1.4 杂质半导体,2.1.1 半导体特性,物体分类,导体,如：金属,绝缘体,如：橡胶、云母、塑料等。, 导电能力介于导体和绝缘体之间。,半导体, 半导体特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,热敏特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产
3、生电动势,光敏特性,常用的半导体材料有：元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（GaAs）掺杂材料：硼(B)、铟(In)；磷(P)、锑(Sb)。,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,价电子是我们要研究的对象,2.1.2 半导体的共价键结构,硅晶体的空间排列,硅和锗都是四价元素，它们的原子结构外层电子(价电子)数均为4个，价电子受原子核的束缚力最小，决定其化学性质和导电性能,共价键表示两个共有价电子所形成的束缚作用。,为了保持原子的电中性，原子核用带圆圈的+4符号表示,T=0K 且无外界激发，只有束缚电子，没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体；T=300K，本征激发，少量束缚电子
4、摆脱共价键成为自由电子，这种现象称为本征激发。,2.1.3 本征半导体,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,Si,+14,Ge,+32,+4,共价键内的电子 称为束缚电子,挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子,价带中留下的空位 称为空穴,外电场E,自由电子定向移动 形成电子流,束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流,本征半导体,两种载流子动画一,1. 本征半导体中有两种载流子, 自由电子和空穴,2. 在外电场的作用下，产生电流, 电子流和空穴流,电子流,自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反
5、自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动,本征半导体,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流,电子浓度ni = 空穴浓度pi,2.1.4 杂质半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体,掺入五价元素如P、Sb等， 形成N型半导体，也称电子型半导体,杂质半导体,P型半导体,+3,+3,在本征半导体中掺入三价元素如B。,自由电子是少子,空穴是多子,杂质原子提供,由热激发形成,因留下的空穴很容易俘获电
6、子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,杂质半导体,N型半导体,+5,+5,在本征半导体中掺入五价元素如P。,自由电子是多子,空穴是少子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,本征半导体、杂质半导体,本节中的有关概念,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,2.2 PN结的形成及特性,2.2.1 PN结的形成,2.2.2 PN结的单向导电性,2.2.3 PN结的反向击穿,2.2.4 PN结的电容效应,2.2.1 PN结的形成,P型半导体中含有受主杂质
7、，在常温下，受主杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子。N型半导体中含有施主杂质，在常温下，施主杂质电离为带负电的电子和带正电的施主离子。除此之外，P型和N型半导体中还有少数受本征激发产生的电子-空穴对，通常本征激发产生的载流子要比掺杂产生的载流子少得多。,半导体中的正负电荷数相等,保持电中性,2.2.1 PN结的形成,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动,扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡,空间电荷区：由不能移动的带电粒子组成，集中在P区和N
8、区的交界处,内电场阻止多子扩散,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,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动 扩散运动产生扩散电流,漂移运动,少子向对方漂移,称漂移运动 漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。,PN 结,稳定的空间电荷区,又称高阻区,也称耗尽层,PN结的形成动画二,空间电荷区变窄，内电场减弱,扩散运动加强,相等,动态平衡,PN结的接触电位,内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V,接触电位V决定于材料及掺杂浓度 硅： V=0.7 锗： V=0.2,内电场,2.
9、2.2 PN结的单向导电性,1. PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低阻性。,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,PN结的单向导电性,2. PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。 PN结呈现高阻性,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称
10、反偏；,内,外,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散 电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,PN结的单向导电性动画三,式中 Is 饱和电流; UT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数； T=300k（室温）时 UT= 26mv,PN结电流方程,由半导体物理可推出：, 当加反向电压时：, 当加正向电压时：,(UUT),PN结两端的电压与 流过PN结电流的关系式,2.2.3 PN结的反向击穿,反向击穿,PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象,雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，
11、在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿是可逆。 掺杂浓度小的 二极管容易发生,击穿是可逆。 掺杂浓度大的 二极管容易发生,不可逆击穿, 热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁,VBR反向击穿电压, 势垒电容CB,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。,2.2.4 PN结的
12、电容效应,动画,高频应用,2.2.4 PN结的电容效应,高频应用,CB大小与PN结面积成正比，与耗尽区厚度成反比，而耗尽区厚度随外加电压的改变而改变,从电路上来看，CB与结电阻并联,反偏时，结电阻大， CB小，二者在同一个数量级,正偏时，结电阻小， CB大，二者不在同一个数量级，结电阻起主要作用,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。, 扩散电容CD,PN结电容效应,当外加正向电压不同 时，扩散电流即外电路电 流的
13、大小也就不同。所以 PN结两侧堆积的多子的 浓度梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电过 程。势垒电容和扩散电容 均是非线性电容。,2.3 半导体二极管,2.3.1 半导体二极管的结构,2.3.2 二极管的伏安特性,2.3.3 二极管的参数,实物图片,2.3.1 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。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。,(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。,(3) 平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于工
14、频大电流整流电路。,(b)面接触型,(4) 二极管的代表符号,晶体二极管,1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。 硅：Vr=0.5-0.6v; 锗：Vr=0.1-0.2v 2.加反向电压时，反向电流很小即Is硅(nA)Is锗(A) 硅管比锗管稳定 3.当反压增大VB时再增加，反向电流激增，发生反向击穿， VB称为反向击穿电压。,二极管的伏安特性可用下式表示,2.3.2 二极管的伏安特性,当温度升高时特性曲线左移,注意参考方向问题,晶体二极管,晶体二极管的电阻,非线性电阻,直流电阻R,(也称静态电阻）,交流电阻r,（又称动态电阻或微变电阻）,一、直流电阻,定义,二极管两端的直流电压U
15、D与电流ID之比,D,晶体二极管,二、交流电阻r,或,实质是特性曲线静态工作点处的斜率,交流电导： g=dI/dU=I/UT 交流电阻：r=1/g= UT/I 室温下：UT=26mv 交流电阻：r=26mv/ ID(mA),晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：,由此可得：,晶体二极管的电阻,2.3.3 二极管的参数,二极管的型号命名,2.4 二极管基本电路及其分析方法,2.4.1 二极管V- I 特性的建模,2.4.2 应用举例,直流模型：理想模型 恒压降模型 折线模型 指数模型,模型越来越准确，但是计算越来越复杂,直流模型用在直流电源作用的电路中,交流模型用在交流电源作用的电路中
16、,交流模型：小信号模型,2.4.1 二极管V- I 特性的建模,1. 理想模型,3. 折线模型,2. 恒压降模型,正偏时导通，管压降为0V;反偏时截止，电流为0。,管子导通后,管压降认为是恒定的,典型值为0.7V。,管压降不是恒定的,而是随电流的增加而增加。,5. 小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,2.4.1 二极管V- I 特性的建模,4. 指数模型,较完整且较准确,2.4.2 应用举例,二极管在某个电路中可以这样来使用： 1、当作非线性电阻来使用，即所有时间内全部在正向导通区 2、
17、当作开关来使用，即某段时间内导通，某段时间内截止 3、当作开关来使用，即在所有时间内均导通 4、当作开关来使用，即在所有时间内均截止 5、当作小电压稳压器件来使用，即所有时间内全部在正向导通区 6、当作大电压稳压器件来使用，即所有时间内全部在反向击穿区,一、用二极管直流模型来分析电路,二、用二极管交流模型来分析电路,2.4.2 应用举例,一、用二极管直流模型来分析电路,已知R =10K，在VDD =10V、 VDD =1V两 种情况下，求电路的ID和VD。,例1 二极管电路的静态工作情况分析,2.4.2 应用举例,1）理想模型,因为只有直流电压源作用，所以使用直流模型。,首先：将原始电路中的二
18、极管用它的理想模型代替，得到右侧的电路。 然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。 方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通；若0，则理想二极管反向截止。 在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管。,解:,2.4.2 应用举例,2）恒压降模型,（硅二极管典型值）,首先：将原始电路中的二极管用它的理想模型代替，得到右侧的电路。 然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。 方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通；若0，则理想二极管反向截止。 在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管。,2.4.2 应用举例,
19、3）折线模型,（硅二极管典型值）,设,首先：将原始电路中的二极管用它的理想模型代替，得到右侧的电路。 然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。 方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通；若0，则理想二极管反向截止。 在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管。,2.4.2 应用举例,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,2.4.2 应用举例,VDD=10V 时,VDD=1V 时,二极管使用直流理想模型理想模型,2）二极管使用直流恒压降模型,VDD=10V 时,VDD=1V 时,（硅二极管典型值）,（硅二极管典型值）
20、,二极管使用直流折线模型,VDD=10V 时,VDD=1V 时,当电源电压远大于二极管管压降的情况下，恒压降模型就可以取得比较合理的结果,当电源电压较低时，就必须使用折线模型才可以取得比较合理的结果,理想模型计算最简单，但是误差最大,本题目中，二极管当作开关来使用，即在所有时间内均导通,电路如图，R =1K，VREF =3V。输入正弦波，分析输出信号波形。求,2.4.2 应用举例,例2. 限幅电路,一、用二极管直流模型来分析电路,（2）当 时输出电压的波形 。,（1）当 =0V、4V、6V时，求输出电压值。,2.4.2 应用举例,首先：考虑选用何种二极管的模型？ 因为只有直流电压源作用，所以使
21、用直流模型。考虑到输入电压不高，且有VREF=3V，因此作用于二极管两端的电压不高，所以要选用折线模型才能满足题目的精度要求。,将原始电路中的二极管用它的直流折线模型代替，得到右侧的电路。,（1）当 =0V、4V、6V时，求输出电压值,解：,然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。 方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通；若0，则理想二极管反向截止。,2.4.2 应用举例,1）当 =0V时，求输出电压值,理想二极管截止，支路断开,2）当 =4V时，求输出电压值,理想二极管导通，用理想导线代替,解：（1）当 =0V、4V、6V时，求输出电压值,3）当 =6V时
22、，求输出电压值,理想二极管导通，用理想导线代替,2.4.2 应用举例,（2）当 时输出电压的波形,虽然 是一个交流电压源，但是对二极管来说，并不是小信号，所以二极管仍然采用直流模型，交流电压源可以看成为某个瞬时值的直流电压源。,本题目中二极管当作开关来使用，即某段时间内导通，某段时间内截止,理想二极管导通，理想导线代替,理想二极管被反偏，处于截止状态,2.4.2 应用举例,例3. 开关电路,一、用二极管直流模型来分析电路,本题目中，二极管当作开关来使用，即在所有时间内均导通 ，或者在所有时间内均截止,若二极管为硅管， 当Vi = 0.4V，Vo = _ V； 当Vi = 1.5V，Vo = _
23、 V。 若二极管为锗管时，又分别是 _ V和 _ V。,2.4.2 应用举例,例3. 开关电路,一、用二极管直流模型来分析电路,解： 这类题目中含有一个二极管，可先将二极管断开，然后计算二极管阳、阴极间是正向电压还是负向电压，若为正向电压且差值大于或等于死区电压时，二极管导通，反之二极管截止。此题中，二极管实际上并非理想器件。正向导通时，对于硅管大约有0.7V的正向压降；对于锗管大约有0.3V的正向压降。所以对于硅二极管，当 Vi = 0.4V时，相当于截止，Vo = 0.4V，而Vi = 1.5V时，相当于导通，有0.7V的管压降，Vo = 0.7V；对于锗二极管，无论Vi= 0.4V或Vi
24、= 1.5V都相当于导通，有0.3V的管压降，所以都有Vo = 0.3V。,2.4.2 应用举例,例4.有两个二极管的开关电路,一、用二极管直流模型来分析电路,设二极管是理想的，判断两个二极管的状态，并求输出电压Vo,2.4.2 应用举例,解题思路,1、将二极管从电路中拿走，在此电路的基础上求两个二极管的阳极和阴极之间的电位差。 2、两个二极管的阳极和阴极之间的电位差共有三种情况： 1）均小于0 2）均大于0 3）一个为正，另一个为负 3、根据不同的情况做出判断： 1）均小于0 ：立即得出结论，两个二极管均截止 2）均大于0：这其中会有一大一小，可以得出结论，大的那个二极管一定导通，小的那个状
25、态不定，需要做进一步的判断。大的那个二极管导通后用理想的导线代替，这时整个电路就转化成了只有一个二极管的电路，按照例3的方法继续判断，从而得出最后的结论。 3）一个为正，另一个为负：正的那个二极管一定导通，负的那个状态不定，需要做进一步的判断。正的那个二极管导通后用理想的导线代替，这时整个电路就转化成了只有一个二极管的电路，按照例3的方法继续判断，从而得出最后的结论。,2.4.2 应用举例,练习题,2.4.2 应用举例,例5.低电压稳压电路,一、用二极管直流模型来分析电路,直流电压源VI的正常值为10V，R =10K，若VI变化1V时，问相应的硅二极管电压（即输出电压）的变化如何？,解（1）求
26、静态工作点，画出直流通路，二极管采用直流模型 （2）画交流通路，二极管采用交流模型（这时的信号是小信号）,2.5 特殊二极管,2.5.1 稳压二极管,2.5.2 变容二极管,2.5.3 光电子器件,1. 光电二极管,2. 发光二极管,2.5.1 稳压二极管,稳压特性,稳压原理：在反向击穿时，电流在很大范围内变化时，只引起很小的电压变化。,正向部分与普通二极管相同,当反向电压加到一定值时，反向电流急剧增加，产生反向击穿。,(1) 稳定电压VZ,(2) 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =VZ /IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大稳定工作电流
27、IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,(5)稳定电压温度系数VZ,特性参数,2.5.1 稳压二极管,稳压管工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管。二是当输入电压或负载电流变化时，通过电阻上压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,应用方法,2.5.1 稳压二极管,稳压电路,2.5.2 变容二极管,变容二极管是利用结势垒电容C随外加电压V的变化而变化的特点制成的二极管。,符号：,注意：使用时应外加反向电压,1、光 电 二 极 管,光电二极管是有光照射时会产生电流的二极管。,其结构和普通的二极管基本相同,它利用光电导效应工作，PN结工作
28、在反偏状态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，产生电子空穴对，在外电场的作用下形成光电流。,2.5.3 光电子器件,应在反压状态工作,2、发 光 二 极 管,发光二极管是将电能转换成光能的特殊半导体器件，它只有在加正向电压时才发光。,一、整流电路,整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，,1、半波整流,iD,uL,整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。,2.6 二极管的应用,二极管应用,2、全波整流,一、整流电路,二极管应用,3、桥式整流,一、整流电路,二极管应用,二、 LED显示器,a,b,c,d,f,g,+5V,共阳极电路,共阴极电路,控制端为高电平 对应二
29、极管发光,控制端为低电平 对应二极管发光,e,小 结,1、 半导体中有两种载流子：电子和空穴。载流子有两种运动方式：扩散运动和漂移运动。本征激发使半导体中产生电子-空穴对，但它们的数目很少，并与温度有密切关系。2、在本征半导体中掺入不同的杂质,可分别形成P型和N型半导体,它们是各种半导体器件的基本材料。 3、PN结是各种半导体器件的基本结构形式，如二极管由一个PN结加引线组成。因此，掌握PN结的特性对于了解和使用各种半导体器件有着十分重要的意义。PN结的重要特性是单向导电性。,4、为合理选择和正确使用各种半导体器件，必须熟悉它们的参数。这些参数大至可分为两类，一类是性能参数，如稳压管的稳定电压
30、VZ、稳定电流IZ、温度系数等；另一类是极限参数，如二极管的最大整流电流、最高反向工作电压等。必须结合PN结特性及应用电路，逐步领会这些参数的意义。 5、二极管的伏安特性是非线性的，所以它是非线性器件。为分析计算电路方便，在特定条件下，常把二极管的非线性伏安特性进行分段线性化处理，从而得到几种简化的模型，如理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型。在实际应用中，应根据工作条件选择适当的模型。,小 结,6、对二极管伏安特性曲线中不同区段的利用，可以构成各种不同的应用电路。组成各种应用电路时，关键是外电路（包括外电源、电阻等元件）必须为器件的应用提供必要的工作条件和安全保证。,小 结,重点难点,重点：(1)半导体二极管的V-I特性及主要参数(2)二极管的基本电路及分析方法(3)稳压管工作原理及应用 难点：两种载流子、PN结的形成、单向导电性、二极管的基本电路及分析方法。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,附 录,半导体二极管图片,附 录,半导体二极管图片,附 录,半导体二极管图片,附 录,作业,P97 - 3.4.5、 3.4.6 P99 - 3.5.2,
