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1、,3 二极管及其基本电路,学习内容：半导体的基本知识；PN结的形成及特性；二极 管的基本电路及其分析方法；特殊二极管重点：半导体相关的基本概念，PN的形成及单向导电 性；二极管的基本电路及其分析方法；二极管 电路的简化模型；难点：PN结的形成机制，PN结的反向击穿及电容效 应；二极管电路的简化模型分析,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、空穴及其导电作用,3.1.4 杂质半导体,3.1.1 半导体的基础知识,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,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体
2、。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：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、导体、半导体和绝缘体,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,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,图 1.1.1本征半导体结构示意图,本征半导体的晶体结构,当温度 T=0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,图 1.1.2本征半导体中的 自由电子和
3、空穴,自由电子,空穴,若 T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子。,本征半导体中的两种载流子,（动画1-1）,（动画1-2）,四、本征半导体中载流子的浓度,在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。,本征半导体中载流子的浓度公式：,T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.431010/cm3,本征锗的电子和空穴浓度:n=p=2.381013/cm3,ni=pi=K1T3/2 e-EGO/(2KT),本征激发,复合,动态
4、平衡,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
5、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。,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
6、主杂质,end,3.2 PN结的形成及特性,3.2.1 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,3.2.2 载流子的漂移与扩散,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,图 PN 结的形成,3.2.1 PN 结的形成,3.2.2 载流子的漂移与扩散,漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。,扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。,PN 结中载流子的运动,耗尽层,1.扩散运动,2.扩散运动形成空间电荷区,电子和
7、空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。,PN 结，耗尽层。,（动画1-3）,3.空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒；内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。,4.漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反,5.扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,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
8、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,1.PN结 外加正向电压时处于导通状态,又称正向偏置，简称正偏。,图 1.1.6,在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。,2.PN 结外加反向电压时处于截止状态(反偏),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 I；,由于
9、少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,图 1.1.7PN 结加反相电压时截止,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS 将急剧增大。,当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN 结处于截止状态。,（动画1-4）,（动画1-5）,综上所述：,可见，PN 结具有单向导电性。,(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
10、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)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。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小。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。,3.2.5 PN结的电容效应,(2)势垒电容CB,end,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,
11、3.3.1 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,半导体二极管图片,end,2.4 二极管基本电路及其分析方法,2.4.1 二极管V-I 特性的建模,2.4.2 应用举例,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,正向特性,反向特性,反向击穿特性,开启电压：0.5V导通电压：0.7,一、伏安特性,开启电压：0
12、.1V导通电压：0.2V,3.3.3 二极管的主要参数,end,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,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，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。,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
13、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,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 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,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,（4）小信号模型,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,1.二极管V-I 特性的建模,（4）小信号模型,过Q点的切线可
14、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,1.二极管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,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,（硅二极管典型值）,设,（a）简单二极管电路（b）习惯画法,2模型分析法应用举例,（3）限幅电路,电路如图，R=1k，VREF=3V，二极管为硅二极管。分
15、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,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，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。,end,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
16、、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。,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 稳压二极管,一、稳压管的伏安特性,(a)符号,(b)2CW17 伏安特性,DZ,(1)稳定电压UZ,(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)温度系数VZ,二、稳压管的主要参数,稳压电路,正常稳压时 UO=UZ,#不加R可以吗？,#上述电路
17、UI为正弦波，且幅值大于UZ，UO的波形是怎样的？,（1）.设电源电压波动(负载不变),UI UOUZ IZ,UOUR IR,（2）.设负载变化(电源不变)略,如电路参数变化？,例1：稳压二极管的应用,稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200，求iZ。若负载电阻变化范围为1.5 k-4 k，是否还能稳压？,UZ=10V ui=12VR=200 Izmax=12mA Izmin=2mARL=2k(1.5 k 4 k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（
18、12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5 k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）,负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用,例2：稳压二极管的应用,解：ui和uo的波形如图所示,（UZ3V）,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,
