1、,3 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,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,3.2 PN结的形成及特性,教学要求： 1）掌握半导体二极管的单向导电性；能分析含二极管的电路，求得输出端的电位或画出输出信号波形。 2）掌握稳压二极管的应用及分析 3）理解不同电路模型下的近似计算精确程度，掌握经典模型下的电路计算。,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,3.1.1 半导体材料,自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为绝
2、缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,一种物质的导电性能取决于它的载流子密度 （浓度）。,载流子：就是自由电荷，包括正、负两种 自由电荷。,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,3.1.3 本征半导体（纯净物）,本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。,空穴共价键中的空位。,电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。,空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对,本征半导体的导电机
3、理,自由电子,空穴,束缚电子,本征半导体的导电机理,3.1.4 杂质半导体（混合物）,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。,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。,1. N型半导体,3.1.4 杂质半导体,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，还有热激发；空穴是少数载流子, 由热激发形成。,提
4、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。,N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），其中磷原子与四个相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子。,N型半导体,多余电子,磷原子,N型半导体,N型半导体中的载流子是什么？,结论：1、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 。2、自由电子浓度远大于空穴浓度。多数载流子（多子） 自由电子少数载流子（少子） 空穴。,2. P型半导体,3.1.4 杂质半导体,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。,在P型半导体中空
5、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。,P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），硼原子与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。,空穴,P型半导体,硼原子,掺杂浓度为百万分之一 载流子浓度增加：,3. 杂质对半导体导电性的影响,3.1.4 杂质半导体,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,总 结,1、N型半导体中电子是多子，N型半导体中空穴是少子，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认
6、为多子与杂质浓度相等。,2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,掺杂浓度为百万分之一 载流子浓度增加：,杂质半导体的示意表示法,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,end,判断题,半导体中有2种载流子可供导电，而铜只有1种载流子用于导电，所以，半导体导电能力强。 N型半导体的自由电子数目远多于空穴，所以，N型半导体带负电。 同一室温下，本征半导体和杂质半导体被热激发出来的自由电子空穴对是一样多的。,3.2 PN结的形成及特性,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
7、反向击穿,3.2.5 PN结的电容效应,3.2.1 载流子的漂移与扩散,3.2.1 载流子的漂移与扩散,3.2.2 PN结的形成,扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽而又会阻止扩散。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,接触电 位差,3.2.2 PN结的
8、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,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,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,PN结的形成，从无到有，逐渐变宽变粗，最后，PN结保持宽度不变，预示着多子扩散和少子漂移达到动态平衡，两者作用互相抵消。,PN 结的形成,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍多子的扩散运动，促进少子的漂移运动。,3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流
9、很小即漂移电流很小，nA级。,请注意,4、扩散与漂移达到动态平衡时即形成PN结。,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,低电阻大的正向扩散电流,P,N,+,_,内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流。,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。,(2) PN结加反向电压时,高电阻很小的反向漂移电流,PN结反向偏置,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，
10、多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,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。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,3.2.3 PN结的单向导电性,(3) PN结V-I 特性表达式,其中,PN结的伏安特性,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,3.2.4 PN结的反向击穿,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。,热击穿不可逆,3.2.5 PN结的电容效应,(1) 势垒电容CB,当外加电压发生变化时，耗尽层
11、的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(2) 扩散电容CD,当外加正向电压 不同时，PN结两侧堆积的少子数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,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。,（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,半导体二
12、极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,3.3.2 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,锗二极管2AP15的V-I 特性,硅二极管2CP10的V-I 特性,半导体二极管的VA特性曲线,硅：0.5 V锗： 0.1 V,(1) 正向特性,导通压降,(2) 反向特性,死区 电压,实验曲线,硅：0.7 V 锗：0.3V,(1) 正向特性,硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。,当0VVth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。,当V0即处于正向特性区域。 正向区又分为两段：,当VVth时，开始出现正向电流，
13、并按指数规律增长。,(2) 反向特性,当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：,当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。,当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。,在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。,3.3.3 二极管的主要参数,end,半导体二极管图片,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,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,3.4
14、.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。,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 。 图解法,解：由电路的KVL方程，可得,即,是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线,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 公式法,1.二极管V-I 特性的建模,将指数模型 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。,3.4.2 二极管
15、电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,设,（硅管死区电压）,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,（4）小信号模型 仅适用于微小变化交流电路,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（VmVDD）, 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。,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,小信号模型：,（4）小信号模型,过Q点的切线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）,（a）V-I特性 （b）电路模型,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.
16、二极管V-I 特性的建模,（4）小信号模型,（a）V-I特性 （b）电路模型,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,（a）电路图 （b）vs和vo的波形,该电路为半波整流。,2模型分析法应用举例,（2）静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅管死区电压）,设,（a）简单二极管电路 （b）习惯画法,可见，折线模型的计算结果与恒压模型的非常接近，只需掌握 理想模型与恒压模型。,电路如图，R = 1k，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
17、形。,2模型分析法应用举例,（1）理想模型含二极管电路的关键元件是二极管状态 不同状态将导致不同的输出电压。本题输入信号是一个巨大变化交流信号，所以，随着输入信号变化，二极管某段时间导通，另一段时间截止问题关键：导通状态与截止状态的分水岭。,pn,技巧：本题关键就是了解二极管所处的状态。刚拿到题目是无法立即获知二极管状态，所以，引入假设法。,假设二极管不导通，则电路一下子变得简单，结论也只有2种：假设正确和假设错误,2模型分析法应用举例,电路如图，R = 1k，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。,2
18、模型分析法应用举例,电路如图，R = 1k，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。,限幅电路(保留一部分波形，擦除另一部分),已知输入是幅度为6v的正弦波，要求画出输出波形,解：分水岭将输入波形分成N部分，哪部分保留呢？D1,D2管均截止时，输出电压=输入电压，即保留 了输入电压波形。-33 仅D2管导通-vi3 时D1管导通使得vo强行下拉到3V,高于3V的 输入波形部分被导通D1管强行压平至3V。vi-3时D2管导通使得vo强行上拉到-3V,低于-3V的 输入波形部分被导通D1管强行压平至-3V。,
19、2模型分析法应用举例,（4）开关电路,电路如图所示，求AO的电压值,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。,直流电路中含2个二极管，求A点电位va,方法是一样的：刚拿到题目，就引入假设法。假设D1D2管均 截止，评估电路中二极管两端的电位。本题中两个D管并行同向排列，所以，存在着 竞争关系。如果两D管同时承受正向电压，则承受正向电 压大的一方导通速度快，率先完成导通。假设D1D2管均截止，则vp1=vp2=12V
20、;vn1=0V Vn2=-6V,所以，D1管承受12V的正压，D2管承受 18V的正压，优先导通，成为一条导线。输出端电 位被嵌位在-6V.D1管尽管开始正向导通，但速度慢。在va=-6V 后，D1管由承受正压突然变为承受反压，D1管被 截止，起隔断作用。,仍然是假设D管断开，在D管断开情况下求 VA和VB。,2模型分析法应用举例,（6）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 = 0.1sinwt V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。,直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。,例：二极
21、管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。(1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo,解：（1）采用理想模型分析。,采用电压源模型分析。,（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：采用理想二极管 模型分析。波形如图所示。,采用恒压模型分析，波形如图所示。,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。,(1
22、) 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 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,(5)稳定电压温度系数VZ,2. 稳压二极管主要参数,3.5.1 齐纳二极管,电流过小，则不足以使稳压管处于击穿区， 而处于反向截止区，承受较小的反向电压；电流过大，则管子烧毁，由可逆的电击穿变为 不可逆的热击穿。,3. 稳压电路,正常稳压时 VO =VZ,3.5.1 齐纳二极管,2.5.1 稳压二极管,3. 稳压电路,正常稳压时 VO =VZ,# 稳压条件是什么？,# 不加R可以
23、吗？,# 上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎样的？,end,3.5.2 已知VI=10V,R=100欧，VZ=5V,IZmin=5mA, IZmax=50mA,问（1）在正常稳压情况下，能带动的最大负载和最小负载。（2）正常工作下，稳压电路的最大输出功率POM,(3)正常工作下，稳压管的最大耗散功率PDM,限流电阻的最大耗散功率PRM,解：正常稳压工作范围由稳定电流的范围决定。,3.5.2 已知VI=10V,R=100欧，VZ=5V,IZmin=5mA, IZmax=50mA,问（1）在正常稳压情况下，能带动的最大负载和最小负载。（2）正常工作下，稳压电路的最大输出功率P
24、OM,(3)正常工作下，稳压管的最大耗散功率PDM,限流电阻的最大耗散功率PRM,3.5.3 已知图所示电路中稳压管的稳定电压UZ6V， 最小稳定电流IZmin5mA，最大稳定电流IZmax25mA。（1）分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下输出电压UO的值；（2）若UI35V时负载开路，则会出现什么现象?为什么？,3.5.4 已知稳压管的稳定电压UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA，最大功耗PZM150mW。试求所示电路中电阻R的取值范围。,3.5.5 已知VI=20V,UZ1=3V,UZ2=8V,稳压管的正向导通压降为0.7V,问可在稳压电路的输出端得到 几种输出电压，画出
25、相应电路图。,解：两个管子的连接形式只有串联和并联。 串联时两管电流相同，可得输出电压：0.7+0.7=1.4 （同时承受正向电压即正偏） 3+8=11 （同时承受反向电压即反偏） 0.7+3=3.7 0.7+8=8.7(一个正偏一个反偏),并联时两个管子的电压相同，如图所示， 其输出电压为多少？,输出电压等于较小的稳定电压值。DZ2处于 反向击穿区，DZ1则处于自身的反向截止区， 没有足够反向电压可供其击穿。3V,能否既有并联的大致形式，又使两个管子同时处于反向击穿区？,解：给两个稳压管分别配置各自独有的限流电阻,输出电压为两稳定电压之差，5V,小结,普通二极管 1）画输出电压的波形：理想模
26、型或恒压降模型 2）求二极管的电流和电压：最复杂的一种情况就是电路激励包含直流分量和小交流分量。直流电路+微变交流电路 特殊二极管（稳压管） 反向击穿区 正向导通区,第86页的例题 3.5.2 第80页的例题 3.4.4 3.4.5 3.4.6,3.5.2 变容二极管,（a）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）,3.5.3 肖特基二极管,（a）符号 （b）正向V-I特性,3.5.4 光电子器件,1. 光电二极管,（a）符号 （b）电路模型 （c）特性曲线,3.5.4 光电子器件,2. 发光二极管,符号,光电传输系统,3.5.4 光电子器件,3. 激光二极管,（a）物理结构 （b）符号,end,课堂讨论习题,3.4.3 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.4.83.5.1 3.5.2,第三章,第97页起 3.4.2 3.4.4 3.4.5 3.4.8 3.4.9 3.4.103.5.1 3.5.3,
