1、,3 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.3 二极管,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,#3.5 特殊二极管（选学）,3.2 PN结的形成及特性,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(单晶体结构）,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,3.1.4 杂质半导体,3.1.1 半导体材料P55,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。,典型的半导体材料有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,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,（a)原子结构模型,（b)Si的二维晶格结构模型,3.1
2、.3 本征半导体、空穴及其导电作用,本征半导体P56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填充空穴来实现的。,电子与空穴移动,（动画1-1）,（动画1-2）,E,3.1.4 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。,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
3、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；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。,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。,3. 杂质对半导
4、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约106/cm3,导电性明显提高 。,4.961022/cm3,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,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结的反向击穿,3.2.5 #PN结的电容效应(选学）,3.2.1 载流子的漂移与扩散,3.2.1 载流子的漂移与扩散p60,漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为漂移
5、运动。(争对本征半导体而言）,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。 (争对杂质半导体而言）,3.2.2 PN结的形成,载流子扩散与漂移运动,SiO2,E,3.2.2 PN结的形成,（动画1-3）,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,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
6、，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,低电阻正向扩散电流大,（动画1-4）,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 反向漂移电流很小,（动画1-5）,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
7、,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,可逆,电击穿,P66,击穿,3.2.5 PN结的电容效应,(1) 扩散电容CD,扩散电容示意图,当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为扩散电容CD。 注意：离结越远，由于空穴与电子的复合，PN结两边的电荷存储量浓度将随之
8、减小，扩散电容减弱 。,P66,3.2.5 PN结的电容效应,(2) 势垒电容CB,end,当外加反偏电压VR时，漂移运动占主导地位，势垒电位增加到V0+VR， 结电场加强，多数载流子被被拉出而远离PN结，势垒增加。反之，当外加电压减小时，势垒区变窄。势垒区的变化，意味着区内存储的正、负离子数的增减，类似于平行板电容器两极上电荷的变化。此时PN结呈现出的电容效应为势垒电容CB。注意：所不同的是：势垒电容是非线性的，而平行板电容器的电容是线性的。 参见P67+,CB,CD,Cd =,3.3 二极管,3.3.1 二极管的结构,3.3.2 二极管的伏安特性,3.3.3 二极管的主要参数,3.3.1
9、二极管的结构P68,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，适用于高频电路和数字电路，但不能承受大电流场合。,（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，能承受大电流，适用于整流电路，但结电容大，不能用于高频电路。,(b)面接触型,3.3.2 二极管的V-I 特性,二极管的V-I 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,坎电压P69,VT 温度的电压当量，26mv,注意:温度升高反向饱和电流增加 P
10、70,3.3.3 二极管的主要参数P71,end,参见 p71,3.4 二极管的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（了解）,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,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（其中：简化模型分析方法常用的方法)，但相对来说比较复杂，另一种方法：图解分析法，相对较简单，但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线，适用范围有限，且不使用于复杂电路分析。,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 。
11、,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 。,解：由电路的KVL方程，可得,即,是一条斜率为-1/R的直线，称为直流负载线,Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路工作点，简称静态工作点。,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 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。,（1）理想模型,（a）V-I 特性 （b）代表符号 （c）正向偏置时的电路模型 （d）反向偏置时的电路模型,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,（2）恒压降模型,（a）V-I 特性,（b）电路模
12、型,硅管恒压降值：0.6v0.7v 锗管恒压降值：0.2v0.3v,电路图,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,（3）折线模型,（b）电路模型,rD：,硅材料200， 锗材料100 ,电路图,（a）V-I 特性,注明：理想模型、恒压降模型、折线模型主要用于对二极管静态 工作点及输出波形的分析。,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,当 vs =0 时, 画直流负载线L，其中Q点为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。,当vs =Vmsint 时（VmVDD）, 将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化，以L为基准线，得到两条交流负载线L1、L2,两条交流负载线间的范围即交流信号动态范围。
13、其中 vD iD为电压、电流的小信号，Q点为静态工作点，Q， 、Q”为动态工作点。,（4）小信号模型,L,L1,L2,注明：小信号模型主要用于对二极管交流参数的分析,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,过Q点的切线其斜率的倒数，可以等效成一个微变电阻 rD,即,经验公式,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,根据,即,注明：小信号模型用于对二极管交流信号分析,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,参见P 79,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,2模型分析法应用举例：在整流电路中分析应用,（1）画出输出电压的波形,（a）电路图
14、（b）vs和vO的波形,说明：二极管模型多种，在本题中选用理想模型法,（2）静态工作情况分析（即求二极管两端电压及流过的电流）,采用理想模型法,R=10k,已知 VDD=10V ，,采用恒压模型法,（硅二极管典型值）,采用折线模型法,（硅二极管典型值）,设,（a）简单二极管电路 （b）习惯画法,（3）限幅电路（单向限幅电路）,电路如图，已知R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别选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。二极管导通的条件：阳极电压必须大于阴极电压,双向限幅电路,2模型分析法应用举例,（4）开关电路（采用理想模型）,
15、电路如图所示，求AO的电压值,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，二极管D的压降等于零，即A点的电位就是二极管阳极的电位。,所以，AO的电压值为-6V。,注明：在开关电路中二极管采用理想模型,共阳极接法,设vi1、vi2 为0v或5v,共有4种组合，参见P82表3.4.1,此类电路在数字电路中为：与门,（参见P81),此类电路在数字电路中为：或门,共阴极接法,end,（6）小信号工作情况分析,图示电路中，已知VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的 VD=0.7V，vs =
16、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 P83。,参见P84,3.5 特殊二极管,3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管),#3.5.2 变容二极管,#3.5.3 肖特基二极管,#3.5.4 光电子器件,3.5.1 齐纳二极管（稳压管）,1. 符号及稳压特性,利用二极管反向击穿特性实现稳压，所以稳压二极管工作在反向电击穿状态P85，工作原理：电流增量IZ很大，而电压VZ变化很小，从而达到稳压作用。,Q是测试工作点,参见P85,(1) 稳定电压VZ,(2) 动态电阻：,在规定的稳压管反向工作电
17、流IZ下，所对应的反向工作电压, 即 VZ=VZ0+IZrZ ，当稳压值VZ很大时， rZ忽略不计，则VZVZ0,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P86,3.5.1 齐纳二极管,P85,3. 并联式稳压电路含义,正常稳压时 VO =VZ;如果考虑动态电压变化对稳压的影响参见例3.5.1（自学，不做要求）。,3.5.1 齐纳二极管,P86,3.5.2 变容二极管P88,（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P89,（a）符号 （b）正向V-I特性,3.5.4 光电子器件P90,1. 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P92,（a）物理结构 （b）符号,end,
