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1、Chap3 半导体二极管及其基本电路,Chap3 半导体二极管及其基本电路,常用的二极管光电二极管发光二极管激光二极管稳压二极管二极管功能等整流限幅开关等,Chap3 半导体二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识3.2 PN结的形成及特性3.3 半导体二极管3.4 二极管基本电路3.5 特殊二极管,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 本征半导体及其导电性根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。在纯净的半导体材料中加入微量的杂质，其导电能力将发生显著的变化。,3.1 半导体的基本
2、知识,3.1.3 本征半导体及其导电性本征半导体的共价键结构电子空穴对空穴的移动本征半导体化学成分纯净的半导体。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”。它在物理结构上呈单晶体形态。,3.1.3 本征半导体及其导电性,本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子（价电子）。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,3.1.3 本征半导体及其导电性,电子空穴对当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价
3、电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。（这一现象称为本征激发）自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。,3.1.3 本征半导体及其导电性,电子空穴对如图因本征激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,本征激发和复合的过程,3.1.3 本征半导体及其导电性,空穴的移动自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运
4、动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。P57 图3.1.4,3.1.4 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。Negative型半导体（电子型半导体）：在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体。Positive型半导体（空穴型半导体）：在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体。,3.1.4 杂质半导体,N型半导体（P59 图3.1.6）在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如P。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
5、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（电子型半导体）。,N型半导体结构示意图,3.1.4 杂质半导体,N型半导体 多数载流子：自由电子（它主要由杂质原子提供）少数载流子：空穴（本征激发形成）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（提供多余电子）。N型半导体的结构示意图如图所示：,3.1.4 杂质半导体,P型半导体（P58 图3.1.5）在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等。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（空穴型半导体）。,P型半导体的结构示意图,3.1.4 杂质半导
6、体,P型半导体 多数载流子：空穴（掺杂形成）少数载流子：自由电子（本征激发形成）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（接受电子）。P型半导体的结构如图所示。,P型半导体的结构示意图,*3.1.5半导体的载流子运动和温度特性,载流子的运动扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。,*3.1.5半导体的载流子运动和温度特性,杂质对半导体导电性的影响：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：300 K室温下,本征硅电
7、子和空穴浓度:p=1.41010/cm3掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度：n=51016/cm3本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。,3.2 PN结,PN结的形成PN结的单向导电性PN结的击穿特性,3.2.2 PN结的形成,在一块本征半导体在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:因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区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,3.2.2 PN结的形成,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和
8、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。,3.2.2 PN结的形成,问题耗尽层是什么引起的？扩散和漂移对耗尽层各有何影响？（P62）,3.2.3 PN结的单向导电性,如果外加电压使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；P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,PN结加正偏,PN结反偏,3.2.3 PN结的单向导电性,PN结正偏问题：外电场方向？外电场对扩散与漂移影响？耗尽层宽度如何变化？,PN结加正偏,3.2.3 PN结的单向导电性,PN结正偏外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方
9、向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。,PN结加正偏,3.2.3 PN结的单向导电性,PN结反偏外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。,PN结反偏,3.2.3 PN结的单向导电性,PN结正偏时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结反偏时，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
10、导电性。,二极管的PN结V-I特性曲线,3.2.3 PN结的单向导电性,PN结的V-I特性根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示式中IS 为反向饱和电流，vD 为二极管两端的电压降，VT=kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,3.2.4 PN结的反向击穿,PN结的击穿特性当反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为PN结的反向击穿。,3.2.4 PN结的反向击穿,PN结的电击穿雪崩击穿（电击穿）：当反向电压足够高时（U6V）PN结中
11、内电场较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。（倍增效应）齐纳击穿（电击穿）：对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压（U4V），耗尽层可获得很大的场强，足以将价电子从共价键中拉出来，而获得更多的电子空穴对，使反向电流骤增。PN结的热击穿,3.3 半导体二极管,2.3.1 半导体二极管的结构类型2.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线2.3.3 半导体二极管的参数,3.3.1 二极管结构,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、面接触型和平面型三大
12、类。它们的结构示意图如图所示。(1)点接触型二极管,点接触型 二极管的结构示意图,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,3.3 半导体二极管,2.3.1 半导体二极管的结构类型(2)面接触型二极管(3)平面型二极管,面接触型,平面型二极管的结构示意图,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 二极管的V-I特性,根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示式中IS 为反向饱和电流，V 为二极管两端的电压降，VT=kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温
13、度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。,3.3.2 二极管的V-I特性,半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。,二极管的伏安特性曲线,3.3.2 二极管的V-I特性,(1)正向特性当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当0VVth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。当VVth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。硅二极管的死区电压Vth=0.5 V左右，锗二极管的死区电压Vth=0.1 V左右。,3.3.2 二极管的V-I特性,(1)反向特性当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域
14、：当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。,3.3.3半导体二极管的参数,IF(最大整流电流):二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。VBR(反向击穿电压):二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。VRM(最大反向工作电压):为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。,3.3.3半导体二极管的参数,IR(反向电流)：在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反
15、向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。VF(正向压降)：在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。rd(动态电阻)：反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即 rd=VF/IF,复习,本征半导体本征激发自由电子空穴复合P型半导体、N型半导体加入了什么杂质？多数载流子？少数载流子PN结扩散漂移空间电荷区（耗尽层）正偏、反偏（正向导通、反相截止）内电场、外电场,知识点,使用二极管时，应注意不要超过最大整流电流和最高反向电压如何用万用表的“”档来辨别二极管的阳、阴极？（提示：
16、模拟万用表的黑表笔为“”，而数字万用表的红表笔为“”）外型上正负极辨认,3.4 二极管基本电路及其分析方法,限幅电路开关电路低压电路二极管是非线性器件，一般采用模型分析方法，便于近似估算。,3.4.1 二极管电路分析方法,二极管是非线性器件，分析较复杂图解法（简单、需已知V-I特性曲线）负载线（斜率：1/R）Q：工作点迭代法（指数模型）缺点：计算复杂结论：图解法、迭代法都不实用,3.4.2 二极管简化模型,1 二极管V-I特性的建模（1）理想模型（2）恒压降模型（3）折线模型（4）小信号模型,1 二极管V-I特性的建模,理想模型：相当于一个理想开关，正偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷
17、大，电流为零。,理想模型符号,理想模型适用：电源电压远大于二极管压降情况,1 二极管V-I特性的建模,恒压降模型：二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V（硅管）。,恒压降模型符号,恒压降模型适用：二极管电流近似等于或大于1mA正确。该模型提供了合理的近似，用途广泛。,1 二极管V-I特性的建模,折线模型：认为二极管的管降不是恒定的，而随二极管的电流增加而增加，模型中用一个电池Vth和电阻 rD来作进一步的近似（vD=Vth+iD*rD）Vth：二极管的门坎电压V（硅管：0.5V）rD（0.7V0.5V）/1mA=200。,折线模型符号,折线模型是恒压降模型的修正V
18、th、rD的值不是固定的（二极管的分散性）,1 二极管V-I特性的建模,小信号模型：如果二极管在它的V-I特性的某一小范围内工作，例如静态工作点Q附近工作，则可把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是所求的小信号模型的微变电阻rd。,小信号模型符号,小信号模型适用：二极管正偏，且vDVT情况,2 模型分析法举例,（1）整流电路（2）静态工作情况分析（3）限幅电路（4）开关电路（5）低电压稳压电路（6）小信号工作情况分析,（1）整流电路,vs为正弦信号，试用二极管的理想模型分析并绘出vo、vD波形,（1）整流电路,vs为正弦信号，试用二极管的理想模型分析并绘出vo波形,（2）静态工作情况分析,
19、如图：R=10k，求（1）VDD=10V的ID和VD（2）VDD=1V的ID和VD每种情况分别用以下模型分析理想恒压降折线模型（rD0.2k）,（2）静态工作情况分析,VDD10V理想模型：VD=0V，ID1mA恒压降模型：VD=0.7V，ID0.93mA折线模型：VD=0.69V，ID0.931mAVDD1V理想模型：VD=0V，ID0.1mA恒压降模型：VD=0.7V，ID0.03mA折线模型：VD=0.51V，ID0.049mA结论：VDD0.7V：恒压降模型较合理VDD较小：折线模型较合理,（3）限幅电路,如图：R=1k，Vref=3V，二极管为硅管 分别用理想模型、恒压降模型求解以下
20、两问：vI0V、4V、6V时，各输出电压Vo；当vi6sinwt V时，绘出输出Vo波形。,（3）限幅电路,如图：R=1k，Vref=3V，硅管 理想模型vI=0V:D截止，Vo=VI=0VvI=4V:D导通，Vo=Vref=3VvI=6V:D导通，Vo=Vref=3V恒压降模型vI=0V:D截止，Vo=VI=0VvI=4V:D导通，Vo=VD+Vref=3.7VvI=6V:D导通，Vo=VD+Vref=3.7V,（3）限幅电路,如图：R=1k，Vref=3V，硅管 结论理想模型vI=Vref:D导通，Vo=Vref=3V恒压降模型vI=Vref 0.7:D导通，Vo=VD+Vref=3.7V
21、,（3）限幅电路,P97 3.4.9D1、D2为硅管，当vi6sinwtV时，试用恒压降模型分析电路，绘出vo波形,（4）开关电路,用理想模型当vI为以下不同电压时vo输出,（4）开关电路,用理想模型当vI为以下不同电压时vo输出,（5）低压稳压电路,电网波动引起直流电源电压VI产生波动（VI）vD=VD+vDiD=ID+iDVI引起的vD波动（vD）很小，vo=vD=VD输出vo基本稳定，V-I曲线越陡（rD越大，稳压性能越好）,（6）小信号工作情况分析,分析步骤静态工作点Q根据Q点计算微变电阻rD根据小信号模型求小信号条件下交流电压、电流交流与直流叠加,直流通路,交流通路,（6）小信号工作
22、情况分析,P83 例3.4.6VDD5V，R=5k恒压降模型（VD=0.7V）vs0.1sinwt(V)求：vo的交流量和总量绘出vo波形,3.5.1 特殊二极管,齐纳二极管变容二极管光电二极管发光二极管激光二极管,3.5.1 特殊二极管,齐纳二极管（稳压管）稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管。其符号、典型应用电路、V-I特性曲线如图。,(b),(c),(a),3.5.1 特殊二极管,稳压二极管电流有很大增量时，只引起很小的电压变化；反向击穿曲线愈陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好；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；在应用中还要
23、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。,3.5.1 特殊二极管,稳压管的参数稳定电压VZ最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流Izmin最大耗散功率 PZM VZ IZmax动态电阻rZ稳定电压温度系数VZ,3.5.1 特殊二极管稳压二极管的参数,（1）稳定电压VZ：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。,3.5.1 特殊二极管稳压二极管的参数,(2)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin：稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin对应VZmin。若IZIZmin则不能稳压。,3
24、.5.1 特殊二极管稳压二极管的参数,(3)最大耗散功率 PZM：稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ=VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,3.5.1 特殊二极管稳压二极管的参数,（4）动态电阻rZ：rZ=VZ/IZ，rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡，稳压性能越好。,3.5.1 特殊二极管稳压二极管的参数,(5)稳定电压温度系数VZ：温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当VZ4 V时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度
25、系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,3.5.1特殊二极管稳压二极管应用举例,Uzw=10V,Izmax=20mA,Izmin=5mA。RL=2k，当ui发生20%波动时，uo基本不变。求：R和ui 的正常值。,解：ui达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。1.2ui=iRUzw=(20mA+10V/2k)R+10=25R+10(1)ui降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。0.8ui=iRUzw=(5mA+10V/2k)R+10=10R+10(2)由（1）（2）式解得：ui=18.75V，R=0.5K,3.5.1特殊二极管稳压二极管应用举例,（P87 3.5.2）设计一稳压
26、电路，作为收音机的供电电源。已知收音机的直流电源为9V，收音机音量最大时需供给的功率为0.5W。汽车供电电源在1213.6V之间波动。要求选择合适的稳压管（Izmin、Izmax、Vz、PZM）及合适的限流电阻（阻值、额定功率）。,3.5.2 特殊二极管,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。如图为变容管电路符号。,3.5.4 光电器件,光电二极管 发光二极管器件特性：光谱(P-I)特性、V-I特性等,Chap3 二极管作业,P97 3.4.2 3.4.9 3.4.10P99 3.5.1 3.5.3 3.5.4,二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,Z：整流管W：稳压管,2AP1、2CZ52A、2CW107普通锗二极管、硅整流二极管、硅稳压二极管,P,
