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1、第二章 半导体二极管及其基本电路,半导体PN结的形成及特性半导体二极管（diode）二极管基本电路及其分析方法特殊二极管,2.1半导体,导体,容易传导电流的称为导体。如金属。,绝缘体,几乎不传导电流的称为绝缘体。如橡胶，陶瓷。,半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间，并且受到外界光和热的刺激或加入微量的杂质时，导电能力将发生显著变化的物质称为半导体。如硅(Si )，锗(Ge )。,一、本征半导体,本征半导体,完全纯净的，结构完整的半导体晶体称为本征半导体。,共价键,束缚电子,图 半导体的原子结构示意图 （a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型,自由电子,空穴,挣脱共价键的束缚自由活动的电子,空
2、穴,自由电子,束缚电子成为自由电子后，在共价键中所留的空位。,二、杂质半导体,杂质半导体,电子半导体(Negative),空穴半导体(Positive ),加+5价元素磷(P)、砷(As )、锑(Sb),加+3价元素硼(B )、铝(Al )、铟(In)、钙(Ga ),元素周期表,1、电子半导(Negative) N型半导体,+5价元素磷(P)、砷(As )、锑(Sb)等在硅晶体中给出一个多余电子，故叫施主原子。,电子数目 = 空穴数 + 正离子数（主要来自杂质）（主要来自本征半导体） （全部来自杂质）,多数载流子：电子少数载流子：空穴,2、空穴半导(Positive ) P 型半导体,+3价元
3、素硼(B )、铝(Al )、铟(In )、镓(Ga )等在硅晶体中接受一个电子，故叫受主原子。,空穴数目 = 电子数 + 负离子数（主要来自杂质）（主要来自本征半导体） （全部来自杂质）,多数载流子：空穴少数载流子：电子,2.2 PN结的形成及特性,一、PN结1952年第一个PN结形成。,内电场,PN结,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
4、,对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,二、PN结的单向导电性,PN结的单向导电性是其基本特性,1、外加正向电压,外加电场方向与内电场方向相反,内电场,外电场,2、外加反向电压,外加电场方向与内电场方向相同,内电场,外电场,IS很小，就可以看作PN结在外加反向偏置时呈现出很大的阻值。,3、PN结的反向击穿,PN结的外加反向电压增大到一定的数值时，反向电流会突然增加，这个现象称为PN结的反向击穿。,反向击穿,热击穿,电击穿,可利用的，可逆的,有害的，易烧坏PN结,根据产生击穿的原因可分为：,雪崩击穿,齐纳击穿,外加电
5、场作用产生碰撞电离，形成倍增效应。,在杂质浓度特别大的PN结中，外加电场直接破坏共价键，产生电子空穴对。,4、PN结的VI特性,PN结的 V-I 特性如图所示,反向饱和电流,反向击穿电压,注:VD为PN结的外加电压, VT为温度的电压当量,约为0.026V, IS为反向饱和电流。,e=2.71828,5、PN 结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散
6、电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,问题,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？,2.3半导体二极管（diode）,半导体二极管就是一个PN结。,一、半导体二极管的结构,结构不同,：适用于高频检波和数字电路开关。,：适用于整流,掺杂质浓度不同,对称PN型P+N型PN+型,按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。按用途分:有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。
7、按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管,常见二极管外形,点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。,面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。,二极管外形,二、二极管的VI特性,图 二极管伏安特性曲线,二极管两端加正向电压时,就产生正向电流,当正向电压较小时,正向电流极小（几乎为零）,这一部分称为死区,相应的A(A)点的电压称为死区电压或门槛电压(也称阈值电压),硅管约为0.5V,锗管约为0.1V,如图中OA(OA)段。,当正向电压超过门槛电压时
8、,正向电流就会急剧地增大,二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为0.60.7V,锗管约为0.20.3V,如图中AB(AB)段。,二极管两端加上反向电压时,在开始很大范围内,二极管相当于非常大的电阻,反向电流很小,且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流IR,见图中OC（OC）段。,二极管反向电压加到一定数值时,反向电流急剧增大,这种现象称为反向击穿。此时对应的电压称为反向击穿电压,用UBR表示,如图中CD(CD)段。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),三、二极管的参数,1、最大整流电流IF：指二极管长期运行时允许通过的
9、最大正向平均电流。,2、最高反向工作电压：VBD= VBR （VBR为反向击穿电压。）,3、极间电容：在高频时要考虑极间电容。 势垒电容CB在反向偏置时较大 扩散电容CD在正向偏置时较大,4、最高工作频率：指二极管能保持单向导电性的最大频率。超过了这个频率二极管就失去了单向导电性。,小知识:二极管的简易测试 将万用表置于R100或R1k()挡（R1挡电流太大,用R10k()挡电压太高,都易损坏管子）。如图所示,图 万用表简易测试二极管示意图 (a)电阻小；(b)电阻大,2.4 二极管基本电路及其分析方法,一、四种建模,1、理想模型正向偏置时，管压降为0V， 反向偏置时，电阻为无穷大。,2、恒压
10、降模型正向偏置时，管压降为恒定,一般为0.7V， 反向偏置时，电阻为无穷大。,适用：电源电压二极管压降,适用：iD1mA,3、折线模型 认为二极管的压降随着电流的增加而增加。可用一个电池和一个电阻近似。电池压降为二极管的门坎电压。,适用：需考虑到rD变化时，输入电压不高,4、小信号模型,在静态工作点Q附近工作时，可以将二极管V-I特性看作一条直线，其斜率的倒数就是二极管小信号模型的微变电阻。,适用：二极管仅在V-I特性的某一小范围内工作,二、分析方法应用,例1,电路如图所示，分别用理想模型，恒压降模型和折线模型来求电路的ID和VD。,解,首先标出参考方向,1)理想模型VD=0V, ID=VDD
11、/R=1mA,2)恒压降模型VD=0.7V, ID=(VDD-VD)/R=0.93mA,3）折线模型,例2,设二极管是理想的，分析图中各二极管的导通或截止情况，并求AO两端的电压UAO。,解,分析方法：先将要分析的二极管断开，求VD,VD=(-15V)-(-12V)=-3V0所以二极管截止VAO=-12V,解,分析方法：如果电路中有两个二极管，则先将不分析的二极管所在的支路断开，再按前面所学的方法分析。,但VD1 VD2 管压降大的管子优先导通,二极管D1先导通从而导致二极管D2截止VAO=0V,VD1=5V0 所以二极管D1导通,VD2=5V-3V=2V0 所以二极管D2导通,例,设二极管是
12、理想的，分析图中各二极管的导通或截止情况。,解,分析方法：先将要分析的二极管断开，求VD,因为VBVA所以D截止.,图 二极管半波整流电路 (a)电路；(b)输出波形,三、晶体二极管应用电路举例 1. 整流电路,2. 门电路,图 二极管门电路,3. 二极管限幅电路,图 二极管限幅电路 (a)电路; (b)波形,2.5特殊二极管,一、稳压二极管,二极管可分为：普通二极、稳压管、变容管、 光电管、发光管、隧道管、微波管、恒流管等。,稳压管又称为齐纳二极管，它的杂质浓度较大，空间电荷区很窄，容易形成强电场。产生反向击穿时反向电流急增。稳压管的稳压作用在于，电流增量很大，只引起很小的电压变化。,图中的
13、VZ表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。稳压管的稳压作用在于，电流增量IZ很大，只引起很小的电压变化VZ。曲线愈陡，动态电阻rz=VZ/IZ愈小，稳压管的稳压性能愈好。一般地说，VZ为8V左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压的，rZ随齐纳电压的下降迅速增加，因而低压稳压管的稳压性能较差。稳压管的稳定电压VZ，低的为3V，高的可达300V，它的正向压降约为0.6V。,并联式稳压电路稳压电路如图所示。该电路能够稳定输出电压，当V1或RL变化时，电路能自动地调整IZ的大小，以改变R上的压降IRR，达到使输出电压V0（VZ）基本恒定的目的。例如，当VI恒定而RL减小时，将产生如下的自动调整过程：
14、,图中DZ为稳压管，R为限流电阻的作用是使电路有一个合适的工作状态。因负载RL与稳压管两端并接，故称为并联式稳压电路。,二、变容二极管,二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。 图a为变容二极管的代表符号，图b是变容二极管的特性曲线。不同型号的管子，其电容最大值可能是5300pF。最大电容与最小电容之比约为5:1。变容二极管在高频技术中应用较多。,图 变容二极管（a）图形符号;（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）,三、光电二极管,光电二极管是光电子系统的电子器件。它可用来作为光的测量，可将光信号转
15、换为电信号。 光电二极管的结构与PN结二极管类似，管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。图a是光电二极管的代表符号，图b是它的等效电路，而图c则是它的特性曲线。其主要特点是，它的反向电流与照度成正比，灵敏度的典型值为0.1mA/lx数量级。,四、发光二极管,发光二极管通常用元素周期表中、族元素的砷化镓、磷化镓等化合物制成的。当这种管子通以电流时将发出光来。其光谱范围是比较窄的。发光二极管的代表符号如图所示。发光二极管常用来作为显示器件外，也常作为七段式或矩阵式器件，工作电流一般为几个毫安至十几毫安之间。,（a）图形符号; （b）光电传输系统,
