1、第三章 半导体二极管及其基本电路 31 半导体基本知识 311 半导体,、光敏、热敏（导电性显著改变）,、掺杂如掺入硼5（B），磷15（P)后导电性显著改变.,特性：、导电性介于绝缘体和导体之间.,常用如:Si14，Ge32,半导体：,绝缘体： cm,导体： cm,元素半导体:,化合物半导体:,GaAs（砷化镓）,312半导体的共价键结构,(束缚电子),简化 模型,硅(锗)的原子结构,、在T=0K并无外界激发时，无自由电子。,、具有晶体结构，原子形成有序排列,共键价连接。（应为三维）,、四价元素，最外层原子轨道上有四个电子，称为价电子。,硅和锗：,313 本征半导体、空穴及其导电作用 1 本征
2、半导体：纯净的、结构完整的半导体晶体。 1）原子的能级和能带。 见图。,2）本征激发：热激发使价电子从价带（吸热）导带，形成自由电子。此时共价键中留下一个空位,叫空穴。,自由电子,空穴,电子和空穴是成对出现的，形成电子空穴对。,电子空穴对的多少受温度影响，其数目是导电能力的标志。,空穴的出现是半导体有别于导体的重要特征。,载流子：运载电流的粒子，在半导体中，有空穴和自由电子。,2 载流子的产生与复合：,平衡时 g（T）=R=r（T）nP niPi= 常数（T一定）,复合率 R=r（T）nP r（T）复合率系数，n电子浓度， P 空穴浓度,产生率 g（T）取决于材料、温度。,T0时 半导体内的空
3、穴和电子浓度受产生和复合的双重过程影响。,、复合：自由电子在运动过程中与空穴相遇，放出原吸收的能量，返回价带，复合。,、产生：热运动使价带中的电子激发到导带，产生自由电子和空穴。,注意：空穴移动是虚拟的，实质是共价键中束缚电子的移动。,由于空穴的产生，在外加电场或其他能源的作用下，邻近价电子填补空穴，该电子的位置又留下新的空穴，此时发生了电荷迁移。,半导体的导电作用,（此时移动的电子是在价带中处束缚状态，将空穴看成带正电的粒子，带电量与电子相等，符号相反）由于空穴和电子的移动，形成了电流，将空穴的移动方向定义为电流方向。,1.P 型半导体,空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴导电是这种半导体的主要
4、导电方式。 空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。,硼原子,空穴,掺入三价元素 硼B、铟In、铝Al,接受一个电子变为负离子,314 杂质半导体,在产生空穴的同时并不产生新的自由电子，只是原来的晶体本身仍会产生少量的电子空穴对。,掺入杂质的多少控制了空穴的数量。 P型中，空穴数远大于自由电子数，以空穴导电为主，多子为空穴，少子为电子。,受主杂质：掺入的杂质在硅晶体中能接受电子的杂质。 或P杂质。,受主原子浓度,少子电子浓度,空穴浓度,P型：,施主杂质：在掺杂半导体的共价键结构中多余一个电子的杂质。 或N杂质。,2. N型半导体,N 型半导体,自由电子浓度远大于空穴浓度，电
5、子导电是这种半导体的主要导电方式。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,多余电子,磷原子,掺入五价元素,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,例：纯净本征硅原子数1022/cm3，室温下载流子浓度ni为1010/cm3，若掺入极少的杂质，如掺入百万分之一，则杂质浓度nN为102210-6=1016/cm3，则载流子浓度增加了,即掺入百万分之一的杂质，载流子浓度增加了一百万倍。,在杂质半导体中，多子由掺杂浓度控制。,少子是本征激发而产生，其浓度低于本征浓度。,3 载流子的漂移和扩散,32 PN结的形成及特性,扩散：浓度梯度（也即载流子分布不均匀）引起载流子扩散
6、运动。产生扩散电流Idi,漂移速度：,漂移：在空间电场作用下，载流子有规则的运动为漂移运动。产生漂移电流Idr,322 PN结的形成,32 PN结的形成及特性,这些不能移动的带电粒子空间电荷，集中在交界处形成很薄的空间电荷区，就是PN结。在此区域多子扩散到对方并复合掉，消耗掉，又称为耗尽区。扩散强，耗尽区宽。,内电场阻止扩散且使N区少子空穴向P区漂移。P区少子电子向N区漂移。,从而使空间电荷减少，并使耗尽区变窄。 动态平衡： Ij=Idi-Idr=0,P区一边留下负离子，N区一边留下正离子。,N区的电子向P区，并复合部分。,电子和空穴都向浓度低的方向扩散，即P区的空穴向N区，,N区 电子多，空
7、穴少，带正离子。,P区 空穴多，电子少，带负离子。,P和N结合在一起,内电场中N区的电位高于P区电位，形成电位差称为接 触电位差Vo，一般零点几伏。 内电场中的电子势能（=gVo） 电子从N区P区须越 过能量高坡势垒。 空间电荷区势垒区。,PN的形成： 、多子扩散形成空间电荷区。 、少子在内建电场下漂移。、扩散和漂移动态平衡。,PN 结的单向导电性,1. 外加正向电压(正向偏置) forward bias,内电场,外电场,P+ N 外电场抵消内电场使P区空穴， N区电子向PN 结扩散，复合部分离子使空间电荷区变窄。,扩散运动加强形成正向电流 IF 。 IF = I多子 I少子 I多子,2. 外
8、加反向电压(反向偏置), reverse bias,PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,P N+，外电场增加内电场 使P区内空穴，N区电子进一步离开PN结，空间电荷区变宽。少子漂移运动加强，形成反向电流 IR,IR = I少子 0,、PN结伏安（VI）特性的表达式,、当VD为负，且 指数项0 iD=Is,、当VD为正，且 时，iD与Is成指数关系。,VD:外加电压，VT=温度的电压当量=kT/q=26mv,Is : 反向饱和电流，n发射系数，通常为1 或 2。,3 PN结的反向击穿反向击穿：反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加的现象，此
9、时的反向电压VBR称为反向击穿电压。此时电压很大，电流很大，PN结上消耗功率很大，发热，容易造成热击穿。,当VR大到一定值时，载流子雪崩般倍增，反向电流急剧增加，发生雪崩击穿。,（1）雪崩击穿：物理本质VR，内电场，少子漂移速度，和晶体原子碰撞产生电离。新产生电子空穴对，又进 行漂移、碰撞，再产生电子空穴对，载流子的倍增效应。,（2）、齐纳击穿：场致激发，空间电荷区的强电场破坏共价键，将束缚电子分离造成电子空穴对，形成较大反相电流。此类击穿只发生在杂质浓度特高的PN结中，且电场强度约为2105V/cm,33 半导体二极管331 结构,上述两种击穿为可逆击穿，（电击穿）只要不超过PN结允许的耗散
10、功率，PN结仍可恢复，否则热击穿,2、面接触：承受较大电流，极间电容大，适用于大电流整流，不适用于高频,1、点接触：PN结接触面小，极间电容小，工作电流小，反向 耐压低，适用高频检波，数字电路中开关元件或小电流整流,1、 正向特性：导通电压零点几伏 门坎电压Vth 硅管：0.5V, 锗管 0.1V(禁带宽度小),332 二极管VI特性,3、反向击穿,2、 反向特性：少子在反向电压下形成很小的反向饱和电流，（少子数量少）,333 二极管的参数,正向： ，CB大，,反向： ，CB小,CB作用随外加电压变化而变，电压变化频率越高，CB作用越显著,外加正向电压：电子、空穴离开PN结，相当于CB放电。,
11、外加正向电压：N区电子、P区空穴进入耗尽区，中和耗 尽区中的正、负离子，好象存入电子和空穴到PN结，相当于向CB充电。,1)势垒电容CB：描述势垒区空间电荷随电压变化产生的电容效应,4、 极间电容,3、 反向电流IR：管子未击穿时的反向电流。值越小，单向 导电性越好，但T，IR,2、 反向击穿电压VBR：反向击穿时的电压值（手册通常给 出的约为实际的一半）,1、 最大整流电流IF：允许通过的最大正向平均电流,+,_,+,_,2） 扩散电容CD：反映外加电压作用下，载流子在扩散过程中的积累情况,二极管参数：P72 表3.3.1,反向时，r大，C小（C取决于CB）,正向时，r小，C大（C取决于CD
12、）,反向电压时，CD较小，不可忽略。,正向电压时，CD较大。,外加正向电压：PN结附近P区电子、N区空穴减少，相当于放出。,外加正向电压：少子在PN结处浓度大，在离PN结处浓度小，（扩散，P区空穴到N区成少子；N区电子到P区成少子）电压越高，浓度越大，更多载流子积累，相当于充入,5。反向恢复时间TRR,2、 从截止到正向导通开通时间 加正向电压，耗尽层迅速变窄，正向电阻小，正向压 降小，IF快速到达最大值,正向电压载流子扩散 P区空穴向N区 N区电子向P区 耗尽层变窄,P区存电子,N区存空穴,电荷积累, (这种非平衡载流子的积累,就是电荷存储效应，CD 的影响).此时突加反向电压, 电荷存储不
13、会立刻消失,而是逐渐减少,(反向电场将P区电子拉回N区,N区空穴拉回P区,形成IRM)经tRR,IRM到正常反向饱和电流, tRR一般ns级。,P72 国产半导体二极管参数,34 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法,直线与伏安特性的交点即为工作点Q。,作出一直线,1. 二极管VI特性的建模,适用于VCC 二极管的管压降的电路。,正向偏置：管压降为零,反向偏置：电阻无穷大，电流为零。,(1)理想模型,342 二极管电路的简化模型分析方法,(2) 恒压降模型 二极管导通后，认为管压降恒定且不随电流变化，典型为0.7V。 适用于iD1mA时。,0.7V,当外加电压 V
14、th，管压降随电流增加而增加。 Vth门坎电压约0.5V，,Vth,当外加电压 Vth，电流ID=0。,(3) 折线模型,通常用电脑计算. Vth、rD不固定,当ID1mA，管压降0.7V时 rD可用,近似求得,(4) 小信号模型,由vs的峰值Vm和 - Vm，工作点将在Q和Q之间移动，电压和电流变化,二极管在VI特性某一小范围内工作，,微变电导,直流电阻,（VD VT）,rd可由iD=Is（ ）微分 倒数后求得,1整流电路,2 模型分析法应用举例,半波整流,桥式整流电路,2）工作原理,u2 正半周，VaVb，二极管 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止 。,3）工作波形,uD2uD4,前
15、一页,后一页,1） 电路结构,返回,3）工作波形,2）工作原理,1）电路结构,u2 负半周，VaVb，二极 管 2、4 导通，1、3 截止 。,uD2uD4,uD1uD3,前一页,后一页,返回,2 静态工作情况分析 例343电路如图2。4。5，R=10K， 求1）VDD=10V，2）VDD=1V时VD，ID,c、折线模型 ID= =0.931mA 其中rD= =0.2KVD=0.5V+IDrD=0.5+0.9310.2=0.69V,VD=0.7V ID= =0.93mA,1）a、理想模型 VD=0 ID=VDD/R=10/10K =1mA,解：断开二极管，判二极管正偏导通,b、恒压模型,解2）
16、VDD=1V a、理想模型：VD=0 ID=VDD/R=1/10K =01mA,6V 时 ID= mA,0V时， 二极管截止，Vo=VI,VO=VREF+Vth+IDrD=3.5+0.4170.2 =3.583V,4V时 ID= =0.417mA,VD=05+0.0490.2=0.51V,c、折线模型： ID= = 0.049mA,b、恒压模型：VD=0.7V ID= =0.03mA,VO=3.5+ =3.917V,VO=Vi ViVth+VREF,ViVth+VREF,2）当Vi=6Sin t时,4 开关电路： 利用单向导电性，接通或断开电路,方法：判断二极管是否导通，可将二极管断开，观察二
17、极间电压，若正偏则通；若反偏则断。 注意二极管导通后二极管本身的电压。,vi1 vi2 D1 D2 vo0 0 通 通 0V0 5 通 止 0V5 0 止 通 0V5 5 止 止 5V,0 00,55,0 05,00,5 低电压稳压：利用二极管导通时VD0.7V，串联几只二极管，可得到一定的稳定电压。,去掉ID,VD, 可用小信号模型.,当VI波动vi, iD=ID+iD VD=VD+VD,假设VI正常,二极管电流ID, VD=0.7V (直流),如用三只可得到2.1V的稳定电压。下例可看出其输出电压的稳定性。,例：VI=10V, R=10K, VI变化1V，即1V, 求VD如何变化。,在该题
18、中：当VI变化10时,VI=1V ， VD=1V =570mV,ID= =0.86mA,若如右图所示，增加一二极管，如何？,3） VI=1V ， VD=1V =2.79mv,解：1）、VD=0.7V， ID= =0.93mA,例3.4 . 6已知:VDD=5V,R=5k,恒压降二极管 VD=0.7V,vs=0.1sint. 求：输出vo的交流量和总量并绘出vo波形。,6）小信号工作情况,VO= ID R= 0.86mA 5k=4.3V,ID=(VDD- VD)/R=(5- 0.7)/ 5k=0.86mA,解:直流分量： 由于VD=0.7V,交流分量：,35 特殊二极管 351 齐纳二极管（稳压
19、管）特点：掺杂浓度大，空间电荷区窄，反向应用。 反向电压加到某一定值时，反向电流急剧增加，产生反 向击穿。正向时同二极管 VZ为稳压管稳定电压 ， IZ变化很大， VZ变化很小。,稳压管使用时必须加限流电阻。,用途：并联直流稳压电源中作输出稳压，在串联稳压中作基准源,命名：2CW，2DW,极限值：最大电流，最小电流， 稳定电压，稳定电流，功耗,模型如图(c),图:并联稳压,主要利用IZ变化很大时，VZ变化很小来进行稳压，此时考虑稳压值、电流、功耗,电路中引起输出电压变化的主要是输入电压VI, 负载RL,在VZ保持不变，IZ=当VIminVIVImax,当R一定：VI最大，IO最小（RL最大）时
20、，IZ最大，应小于Izmax,当R一定：VI最小，IO最大（RL最小）时，IZ最小，应大于Izmin,如给定VI满足 VIminVIVImax， IzminIzIzmax 而要确定R大小时，,例3.5.1 已知R=180,VI=10V,RL=1K VZ=6.8V,IZT=10mA,rz=20 ,IZ(min)=5mA 求： VI变化1V，V0变化多少。,当=9V，IZ=595mA，=11V，IZ=1578mA，,正常工作。,电流变化：,输出电压变化：,解：由VZ= VZO+ IZT rz 有VZO=66V,例3.5.2 已知：VI=1213.6V ,VL=9V PL=0.5选用合适稳压管和电阻
21、, 限流电阻R的功率：当VI最大, ILM最大时, R耗散功率最大，PR=VRIR=(VImaxVZ) (VImaxVZ)/R =0.45W 选1W,查表有稳压管:2CW107，电阻:47，1W,PZ=IZmaxVZ= IRVZ =98mA 9V=0.882W, 当IL=0, 稳压管消耗功率最大,3.5.2 变容二极管： 结电容随反向电压增加而减少，在高频电路中使用较多,3.5.3肖特基二极管(SBD),利用金属与N型半导体接触形成 势垒。又称金属-半导体二极管或 表面势垒二极管。,金属,N型半导体,（1）多数载流子导电,电荷存储效应小速度高，属用于高频和开关状态。,肖特基势垒二极管特性：,（
22、2）耗尽区在N型半导体一侧，导通阈值0.40.5V。,（3）反向击穿电压低，漏电流较大。,3.5.4 光电子器件1、光电二极管：PN结反向偏置状态下运行，反向电流随照度增加而上升,2、 发光二极管：通过电流时发光。 用作显示器件，或电信号光信号,工作电流几个mA到十几mA 一般导通以后电压为2V左右,3、 激光二极管：,产生相干光,5v,8v,5v,8v-5v=3v,VCA=3V-5V=-2V 二极管截止,设D1通,D2，D3通,设D1止,D2，D3通,所以D2，D3通,再判D1，移去D1,D1止,例：P61 2.4.3 （二极管理想）,-6v,-12v,-6v,-15v,-12v,0v,-1
23、2v,-15v,0v,-12v,-15v,0v,-15v,12v,0v,-6v,12v,-6v,-6v,-6v,12v,-6v,D2断，,a. 导通 VAO=6V,b. 不通 12V,c. D1通 0V,d. D1不通, D2通 6V,D2通,D2通,D1断,D1通，,D2通，,D1通，,D1断，,例：求ID和VA 假设正向导通时UD=0.7V,二极管钳位 使UA=5.3V,二极管导通,UA= 10=3.33V,断开二极管,首先判二极管是否导通，,UA=6+16 = 7.33V,二极管导通,ID=（4.96-0.7）/3K1.42mA,解得:UA=4.96V,（b）断开二极管,下列电路中的电流I a. 5mA b. 0.1mA c. D2电击穿，电压25V =2.5mAd. 5mA,例：D的正向压降不计，反向饱和电流0.1mA，击穿电压25V，且击穿后电压不随电流变化。,例：哪盏灯亮，交流正半周：通路为A、D2、C负半周：D3、B、D1都是半周通电，负半周时只有B，所以B最亮。,
