1、第3章 二极管及其基本电路,3.1 半导体基础知识 3.2 PN结的形成与特性 3.3 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,3.1 半导体基础知识,一、半导体（Semiconductor)定义 特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等） 典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等,3.1.1 本征(intrinsic)半导体,纯净无掺杂的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,(1）共价键结构,空间排列有序的晶体,以 硅原子(Si)为例：,(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图,电子空穴对：
2、载流子（Carrier),本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!,（2）电子空穴对,本征激发（热激发）,T=0 K时,复合,图01.02 本征激发和复合的过程,(3) 空穴的移动(导电）,空穴的运动 ： 相邻共价键中的价电子反向依次填补空穴来实现的。,温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：1. 自由电子移动产生的电流。2. 空穴移动产生的电流。,3.1.2 杂质半导体,本征半导体缺点？,1、电子浓度=空穴浓度； 2、载流子少，导电性差
3、，温度稳定性差！,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。,(1) N型半导体 (2) P型半导体 (3) 杂质对半导体导电性的影响,(1）N型半导体（电子型半导体）,掺 杂：,特 点： 多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供） 少数载流子：空穴（ 由热激发形成）,施主杂质 正离子,少量掺入五价杂质元素（如：磷）,图01.04 N型半导体结构示意图,(2）P型半导体（空穴型半导体）,掺 杂：少量掺入三价杂质（如硼、镓和铟等）,特 点： 多子：空穴（主要由杂质原子提供） 少子：电子（ 由热激发形
4、成）,受主杂质 负离子,图01.05 P型半导体的结构示意图,(3) 杂质对半导体导电性的影响,影响很大。载流子数目剧增,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,典型数据如下:,温度增加，本征激发加剧， 但本征激发产生的多子远小于杂质电离产生的多子；同温度时， Si半导体比Ge半导体本征激发弱。,3.2 PN结,3.2.1 载流子的漂移和扩散,3.2.2 PN结的形成,3.2.4 PN结的反向击穿,3.2.3 单向导电性,3.2.5 PN结的电容效应,3.2.1 载流子的漂移和扩散,由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移。基于载流子的浓度差异和随机热运动速度，载流子由高浓度区域向低浓度的
5、区域扩散，形成扩散电流。,图01.06 PN结的形成过程,3.2.2 PN结的形成,两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结,两种运动： 扩散（浓度差）,漂移（电场力）,漂移和扩散,。,电流I,。,.,.,空穴,。,电子,（A）电场作用下的漂移运动,（B）空穴扩散示意,1、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移。如图（A）所示。 2、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（B）所示,PN结形成,由于接触面载流子运动形成PN结示意图,内电场 - +,扩散运动 漂移运动,PN结加正向电压时电阻很小，电流大。加反向电压时电阻很大，电流小。,PN结的形成小结：,浓度差 多子扩散空间电荷区(杂质离
6、子),内电场,促使少子漂移, 阻止多子扩散,当多子扩散和少子漂移达到动态平衡，形成PN结,PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻,实际中，如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结。 如果一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如图所示。,小结：,1、PN结正向电阻很小，反向电阻很大； 2、PN结的单向导电性缘于耗尽区的存在，其宽度受外加电压而变化； 3、硅PN结的Is为pA级，温度T增大 Is增加。,PN结的伏安特性,PN结的伏安特性表达式：,其中，VT温度的电压当量（
7、热电压）kT/q当T300K时， VT 26mV,因此，1、当加正向电压iD与vD呈指数关系增加；2、当加反向电压iD =-IS,IS :反向饱和电流,PN结的伏安特性曲线：图2-4,伏安特性曲线（2-4）,对应表:,二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。 击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。（电击穿）齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子空穴对，致使电流急剧增加。,3.2.4 PN结的反向击穿,雪崩击穿：如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，
8、而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应。 *击穿并不意味着PN结烧坏。,电击穿引起的大电流使PN结的功率消耗很大，从而引起PN结发热，超过其耗散功率，则过渡到热击穿，将PN结烧毁。,注意,电击穿是可逆的，可以利用。如稳压管；热击穿是不可逆的，应避免。,热击穿,3.2.5 PN结的电容效应,正向扩散电容CD：由于PN结正向导电是通过电子和空穴扩散的结果。而扩散必须有载流子的浓度积累，这就产生了扩散电容。反向势垒电容CB：二极管反向PN结形成电荷势垒。相当于二块平行板电容，当外加电压变化时产生影响。反向电压频率愈高电容影响愈大；反向电压愈高电容愈小
9、。,极间电容C：,(1) 势垒电容CB（Barrier),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。 反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图01.10所示。,图 01.10 扩散电容示意图,(2) 扩散电容CD(Diffusion),当外加正向电压不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 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
10、程。势垒电容和扩 散电容均是非线性电 容。,在高频运用时，必须考虑结电容的影响。与外加电压有关：PN结正偏时结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时结电容较小（主要决定于势垒电容）。,3.3 半导体二极管（Diode）,3.3.1,结构类型和符号,3.3.2,伏安特性,3.3.3,主要参数,3.3.4,型号命名规则,3.3.1 结构类型和符号,二极管 = PN结 + 引线 + 管壳。类型：点接触型、面接触型和平面型,(1) 点接触型,一、结构类型,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路,(c)平面型,(3) 平面型,(2) 面接触型,(b)面接触型,二、符号,标记,D1,D2,Di
11、ode,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路,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。,3.3.2 伏安特性,定量 二极管方程,理想二极管(PN结）方程：,定性,单向导电性,1、正向特性门坎电压Vth 2、反向特性很小的反向饱和电流 3、反向击穿特性,死区电压Vth 硅管0.5V,锗管0.1V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,3.3.3 主要参数,(1) IF最大整流电流,指二极管反向加电压时，使反向电流突然增大时的电压。不同的二极管有不同的反向击穿电压。一般手册中给出的反向电压是实际的一半。,指正常功率下的
12、正向平均电流；根据二极管功率不同，由几mA到几百安培不等,指二极管反向加电压时，在没有击穿前的电流。愈小愈好。一般几纳安到几微安。受温度影响。,硅 (nA)级；锗 (A)级,(2) VBR反向击穿电压,(3) IR（IS） 反向饱和电流,正向扩散电容CD 反向势垒电容CB 在高频或开关状态运用时，必须考虑极间电容。,(4) 极间电容C：,(5) 反向恢复时间TRR,主要原因为扩散电容的影响。,*3.3.3 半导体二极管的温度特性,温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如锗二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；硅二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。,另
13、外，温度升高时，二极管的正向压降将减 小，每增加1，正向压降VF(VD)大约减小2mV， 即具有负的温度系数。这些可以从图3.3.4所示 二极管的伏安特性曲线上看出。,图 3.3.4 温度对二极管伏安特性曲线的影响,图示,3.3.4 型号命名规则,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,部分国产半导体高频二极管参数表,部分国产半导体整流二极管参数表,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,2.4 二极管基本电路及其分析方法,图2-5整流：利用二极管的单向导电特性，将交流变成单向（即直流）脉动电压的过程，称为整流。,图2-5,1 整流电路：,图2-6为典型的单相半波整流电路。 分
14、析如下：,（1）当vi(t)0 二极管正偏 （2）当vi(t) 0 二极管反偏,2-6,2-7,2 限幅电路： （1）双向限幅电路：如下图，设vi(t)=3sint,3 钳位电路：能改变信号的直流电压成分，又叫直流恢复电路。图2-8。设vi(t) 是2.5V 的方波信号2-9（b）,2-8,2-8,3.4.1 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，需应用线性化模型分析法对其应用电路进行分析。,2.4.2二极管V- I 特性的建模,对电子线路进行定量分析时，电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效，根据分析手段及要求的不同，器件模型将有所不同。 例如，借助计算机辅助分析，则允许
15、模型复杂，以保证分析结果尽可能精确。而在工程分析中，则力求模型简单、实用，以突出电路的功能及主要特性。 二极管是一种非线性器件，下面我们将依据它的实际工作条件，引出工程上便于分析的二极管模型。,1. 理想模型,实际电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，以此近似分析。,2. 恒压降模型,管压降是恒定的，不随电流而变。 iD近似等于或大于1mA时，以此近似分析比较合理，应用较广。,3. 折线模型,1,2,U,th,r,D,U,U,th,U,U,th,管压降不是恒定的，随电流增加而增加。 rD约为200，且由于二极管特性的分散性，Vth和rD的值不是固定不变的。,折线模型,为了较真实地描述二极管
16、V-I特性，在恒压降模型的基础上，作一定的修正，即认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似。这个电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为0.5V。至于rD的值，可以这样来确定，即当二极管的导通电流为1mA时，管压降为0.7V，于是rD的值可计算如下,4. 小信号模型,Q点称为静态工作点,4. 小信号模型,二极管工作在其V-I特性的很小范围内。如在静态工作点附近，其V-I特性看作为一条直线。,二极管小信号模型如图XX_01所示。如果二极管在它的V-I特性的某一小范围工作，例如在静态工作点Q（即V-I特性上的一个点，
17、此时vD=VD，iD=ID）附近工作，则可把V-I特性看成为一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rd。 参看图，微变电阻rd可直接从V-I特性上求得。通过Q点作一条V-I特性的切线，并形成一直角三角形，从而得到vD和 iD，则 rd= vD/ iD rd的数值还可从二极管的V-I特性表达式导出。,取iD对vD的微分，可得微变电导,(当T=300K时),由此可得,2.4.2模型分析法应用举例,1.二极管电路的静态工作情况分析,例1 设简单二极管基本电路如a所示，R=10kW，图b是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值：（1）VDD=10V；（2）VDD=1V。
18、在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。,解：图a的电路中，虚线左边为线性部分，右边为非线性部分。符号“”为参考电位点，或叫“地”，即电路的共同端点。电路中任一点的电位，都是对此共同端而言的，这在第1章中已介绍过。为了简单起见，图a所示的电路常采用图b所示的习惯画法，今后经常用到。现按题意，分别求解如下：,（1）VDD=10V 使用理想模型得 VD=0V，ID=VDD/R=10V/10kW=1mA 使用恒压降模型得：VD=0.7V，, 使用折线模型得,(2) VDD=1V 使用理想模型得：VD=0V， ID= VDD/R=0.1mA 使用恒压降模型得：VD=0.7V，ID= （V
19、DD0.7）/R=0.03mA 使用折线模型得 ID=0.049mA，VD=0.51V,（1）VDD=10V 时（R=10K ） （2）VDD=1V 时（R=10K ）,结论,电源电压远大于管压降时，恒压降模型较合理； 电源电压较低时，折线模型能提供较合理的结果。,2、限幅电路：,例2.4.2 已知：,考虑电压较低，选用折线模型比较合适。,低电压稳压电路,3.二极管开关电路,一二极管开关电路如图LT_01所示。当vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值不同组合情况下，输出电压vO的值。设二极管是理想的。,Vcc,例3.4.6,4、小信号工作情况分析,3.5 特殊二极管,3.5.1、稳
20、压二极管 （齐纳二极管）,应用在反向击穿区 （雪崩击穿和齐纳击穿）,（一）符号、伏安特性和典型应用电路,1、 利用PN结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。,+,UZ,电路符号,(c)应用电路,工作原理; 电路模型.,问：什么时候Pz达最大或最小？,1）、稳定电压UZ：稳压管击穿后电流变化很大。而电压基本不变的电压。不同的稳压管有不同的稳定电压。 2）、动态电阻rz3）、最大稳定电流 IZM，由最大耗散功率和稳定电压决定。 4）、最大耗散功率 PZM，工作时的功率PZ=IZUZ 5）、温度系数；衡量由于温度变化而使稳定电压UZ变化的参数。 一般UZ大于6伏的为正温度系数。小于6伏为负温度系数,
21、（二）主要参数,特点： 1、电流有很大增量时，只引起很小的电压变化； 2、反向击穿曲线愈陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好 ； 3、在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻R，使稳压管电流工作在IZmax和IZmix的稳压范围 ； 4、在应用中还要采取适当的措施限制通过管子的电流，以保证管子不会因过热而烧坏。,3.5.2 变容二极管：利用反偏时势垒电容工作于电路的二极管变容二极管，简称变容管。图2-13为变容管电路符号。图2-14为变容管压控特性曲线。,2-13,2-14,3.5.3肖特基二极管（SBD）,电容效应很小 正向导通门坎电压和正向电压比PN结二极管低。,半导体PN结共价键中的电子在光
22、子的轰击下。很容易脱离共价键而成为自由电子。因此可以用PN结构成光敏二极管。光敏二极管的反向电流与光照度成正比。用感光灵敏度来衡量。典型值为：0.1A/Lx,UO,R,+ -,-10 -8 -6 -4 -2 0,Ip/A,-50,200Lx,400LX,光照伏安特性,3.5.4、光电子器件,1、光电二极管,1、材料和结构：发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成。由于电子空穴的复合产生发光能量。是一种电变成光的能量转换器件。电路中常用做指示或显示及光信息传送。,单个发光 二极管,七段显示发光二极管,2、发光二极管（LED）,2、发光二极管的主要特性,3、激光二极管,图B,触敏屏,例：（东南大
23、学1998年研究生入学试题）如右图所示为一稳压电路，已知稳压管的zmax=20mA,zmin= 5mA,rz =10, Vz =6V, 负载电阻的最大值RLMAX=10K。（1）确定R;（2）确定最小允许的RL值;（3）若RL=1k,当V增加1V时，求V0值。,解: 运用稳压管反向击穿特性，若负载电阻 增大，则V0增大，通过调整 z大小使V0稳定在 一定的范围内。等效电路如图所示。(1)当RL=RLmax时，z=zmax 根据电路基本定理，有,将 R = 184.3 和 zmin= 5mA代入，可解得 0 =16.4mA。所以最小允许的RL的值为：,(2) 当RL最小时，,例：(湖南大学199
24、7年研究生入学试题)如图为两个参数相同的锗二极管在室温时,反向饱和电流为5A，VT = kT/g =26mv ,反向击穿电压为 9.8V, 求电路中的电流 和各管所消耗的功率。,PD1 = VD1 = 110.2 = 2.2mWPD2 = VD2 = 119.8 = 107.8mW,解：D2反向击穿电压为9.8V, D1正向压降为:10-9.8=0.2V,本章小结：,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。在纯半导体中掺入不同的有用杂质，可分别形成P型和N型两种杂质半导体。它们是各种半
25、导体器件的基本材料。PN结是各种半导体器件的基本结构，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。为合理选择和正确使用各种半导体器件，必须熟悉它们各自的一整套参数。这些对数大至可分为两类，一类是性能参数，如稳压管的稳定电压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。,二极管的伏安特性是非线性的，所以它是非线性器件。为分析计算电路的方便，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。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）必须为器件的应有用提供必要的工作条件和安全保证。,第二章结束,
