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1、3 半导体二极管及其基本电路,半导体的基本知识,半导体器件的核心PN结,半导体二极管,3.1 半导体的基本知识,根据导电能力(电阻率)的不同，物体可以划分为导体、绝缘体和半导体。,一、半导体材料,（1）热敏特性：温度升高导电能力显著增强。（2）光敏特性：光线照射导电能力显著增强。（3）掺杂特性：在本征半导体中掺入少量的有用的 杂质，导电能力显著增强。,半导体导电性能具有多变特性,二、半导体的共价键结构,除去价电子后的原子,价电子,硅晶体的空间排列,共价键结构 平面示意图,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,三、本征半导体及导电性能,当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度
2、升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可挣脱原子核的束缚，成为自由电子,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,这一现象称为本征激发，也称热激发,自由电子,空穴,因热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,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。显然空穴的导电能力不如自由电子,相邻共价键中的价电子获得能量填充空穴，在新位置产生
3、空穴，形成电荷迁移,区别：导体只有一种载流子即自由电子,1.本征半导体中自由电子和空穴的浓度相等,2.本征半导体中载流子的浓度与环境温度有关,3.导电能力仍不如导体,3、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。掺入杂质后的本征半导体称为杂质半导体。,P型半导体,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；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。三价杂质称为受主杂质。,本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成 P型半导体,N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可
4、形成 N型半导体。,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自由电子脱离而带正电荷成为正离子，五价杂质原子被称为施主杂质,3.2 PN结的形成及特性,一、PN结的形成,载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动，产生漂移电流,将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结。,在半导体中，若载流子浓度分布不均匀，因为存在浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动，产生扩散电流,多子扩散,二、PN结的导电特性,正向特性,PN结外
5、加直流电压V：P区接高电位（正电位），N区接低电位（负电位）,内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。,正偏正向电流,正偏时，PN结呈现为一个小电阻,反向特性,硅PN结的Is为 pA级 温度T增加Is增大,PN结反偏：P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。,内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的电流。,反偏时，PN结呈现为一个大电阻,反偏反向电流,单向导电性,PN结正向偏置时导通，反向偏置时截止,PN结的伏安特性,PN结所加端电压vD与流过它的电流I的关系为：,门坎电压 Vth,死区,PN结的反向击穿特性,二极管处于反向偏置时，在一
6、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。击穿时对应的反向电压称为击穿电压，计为V(BR)。,击穿形式分为两种：,掺杂浓度较低，形成雪崩击穿高掺杂情况下，产生齐纳击穿,PN结具有温度特性,T（）在电流不变情况下管压降Vth 反向饱和电流IS，V(BR),3.3 半导体二极管,1、二极管的结构,平面型二极管：用于集成电路中。,面接触型二极管：PN结面积大，允许通过较高较大电流，但结电容大，适于低频工作。,点接触型二极管：PN结面积小，结电容小，工作频率高，但不能承受较高反向电压和较大电流。,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管
7、,2、二极管的VI特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压VBR,3、二极管的主要参数,1）最大整流电流IFM,2）反向击穿电压VBR,3）反向电流IR,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VWRM一般是VBR的一半,二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流越小，管子的单向导电性越好。温度越高反向电流越大。硅管的反向电流小于锗管,以上均是二极管的直流参数，主要利用二极管的单向导电性，应用于
8、整流、限幅、保护等等,vD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rd是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,4）微变电阻 rD,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CT和扩散电容CD。,势垒电容CT：偏置电压变化时，空间电荷区相应变化，结区中的正负离子数量也发生改变，即存在电荷的增减，这相当于电容的充放电，PN结显出电容效应，称为势垒电容。,5）极间电容,扩散电容：扩散电容CD：正偏时，多数载流子的扩散运动加强，多子从一个区进入另一区后继续扩散，一部分复合掉了，这样形成一定浓度分布，结的靠P区一侧集结了电子，另一侧集结了空穴，即形成了电荷的积累
9、，这种效应用扩散电容表示。,CD=kD(I+Is),电容参数限制二极管的最高工作频率fM,3.4 二极管基本电路及分析方法,1、指数模型,2、理想模型,适应于电源电压远大于二极管的管压降时,电路模型,一、二极管的基本模型,3、恒压降模型,电源电压不是很大，可与二极管的导通压降比拟时，应考虑二极管的管压降,硅二极管管压降常取为0.7V，锗管压降取0.2V。,4、折线模型,当二极管导通时，端电压很小的变化将引起电流的很大变化，在一些应用场合，不能忽略这个变化。,5、小信号模型,当外加信号工作在特性曲线的某一小范围内时，二极管的电流将与外加电压的变化成线性关系，可用小信号模型来进行等效。,二极管体电
10、阻,IQ为静态电流VQ为静态电压,二、二极管电路的分析方法,1、图解法,静态工作点的图解,线性电路方程,二极管电流方程,据电路原理，两者端电压和电流相等。两线交点Q为静态工作点，对应的IQ为静态电流，VQ为静态电压,直流负载线,交流信号的图解,线性电路方程,2、工程近似法,1）整流电路,2）限幅电路,限幅电路常来选择预置电平范围内的信号。作用是把输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。,若二极管具有理想的开关特性，那么，当v低于E时，D截止，voE；当v高于E以后，D导通，vo v。,思考：若将二极
11、管极性反转，将得到什么效果？,3）开关电路,例:电路如图，求：VAB,忽略二极管正向压降，二极管D2可看作短路,取 B 点作参考点，V1 阳=6 V，V2 阳=0 V，V1 阴=V2 阴，由于V2 阳电压高，因此D2导通,VAB=0 V，D1截止,4）低电压稳压电路,当电路工作时，若电源出现波动或者负载发生改变，将引起输出电压的变化，为稳定输出电压，可利用二极管的正向压降特性构成二极管稳压电路。,3.5 特殊二极管,1、稳压二极管,(a)符号,(b)2CW17 伏安特性,DZ,反向击穿电压即稳压值,稳压管的主要参数,(1)稳定电压VZ,(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)最稳定工作电流 IZmax 和最大小稳定工作电流 IZmin,(5)温度系数VZ,简单稳压电路,问题：1）不加R可以吗？,2）上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ，VO的波形是怎样的？,（1）设电源电压波动(负载不变),VI VOVZ IZ,VOVR IR,（2）设负载变化(电源不变)略,2、变容二极管,3、光电二极管,发光二极管,光敏二极管,光电耦合器件,
