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1、第二章、半导体二极管及其基本电路,2-1 半导体的基本知识,导体：铜，银，铝，铁,绝缘体：云母，陶瓷，塑料，橡胶,半导体：硅，锗,半导体得以广泛应用，是因为其导电性能会随外界条件的变化而产生很大的变化。,2-1-1 半导体材料,温度：温度上升，电阻率下降。锗由20上升到30，电阻率降低一半。,掺杂：掺入少量的杂质，会使电阻率大大降低。纯硅中掺入百万分之一的硼，电阻率由 2.3105cm降至0.4 cm。,光照：光照使电阻率降低。,利用半导体的这些特性制成了各种各样的半导体器件。,引起导电性能产生很大变化的外界条件有：,2-1-2 锗、硅晶体的共价键结构,1、原子结构,硅,+14,锗,+32,共
2、同特点：最外层具有4个价电子。,2 晶格与共价键,半导体的共价键结构,处于共价键中的电子称为束缚电子，能量小，不能参与导电。,2-1-3 本征半导体与本征激发,本征半导体：高度纯净，结构完整的半导体。,本征激发：束缚电子获得一定的能量，脱离共价键的束缚而成为自由电子的现象。(锗 0.67ev 硅 1.1ev),认为空穴带正电荷，电荷量等于电子电荷量。,自由电子失去能量，重新回到共价键上，称为复合。,本征激发后，共价键中留下的空位叫空穴。本征激发产生自由电子和空穴对。,空穴的运动,半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。,半导体中的电流是电子流和空穴流之和。,在本征半导体中自由电子数总等于空穴数，
3、且浓度很低，导电能力差。本征激发产生的载流子浓度随温度增加急剧增大。,束缚电子填补空穴的运动称空穴的运动。,硅原子外层电子比锗离核近，受原子核束缚力大，在同样温度下本征激发小，温度稳定性好。,2-1-4 杂质半导体,P型半导体,在本征半导体中掺入微量3价元素（如硼）形成。,空穴-多数载流子（多子）电子-少数载流子（少子）,本征激发产生电子-空穴对。,每一个三价杂质原子产生一个空穴-负离子对。,杂质元素使共价键上缺少1个电子,三价杂质称为受主杂质。,杂质原子获得一个电子成为负离子。硅原子的共价键上缺少一个电子形成空穴,2 N型半导体,在本征半导体中掺入少量的五价元素（如磷）形成。,杂质原子多余的
4、一个价电子容易挣脱原子核的束缚变成自由电子。,每一个5价杂质原子产生一个电子-正离子对。,本征激发：电子-空穴对。,杂质原子失去一个电子成为正离子。,5价杂质-施主杂质,电子-多子载流子 空穴-少子载流子,结论,掺杂会大大提高半导体中载流子浓度，使导电性能大增。掺入五价杂质产生N型半导体（电子型半导体）。多子电子、少子空穴。掺入三价杂质产生P型半导体（空穴型半导体）。多子空穴、少子电子。多子浓度近似等于杂质浓度，少子浓度与温度密切相关。,2-2 PN结的形成及特性,1、PN结的形成,浓度差产生多子的扩散运动，扩散破坏了原来的电中性,P区失去空穴，留下负离子。N区失去电子，留下正离子。正负离子的
5、数量相等。,在P区和N区交界面附近，形成由不能移动的正负离子组成的区间称空间电荷区，也称PN结区。,PN结区,空间电荷区宽度与杂质浓度成反比。,内建电场 由空间电荷形成的电场。内建电场阻止多子的扩散运动。,耗尽层 PN结内由于扩散与复合，使载流子几乎被耗尽，是高阻区。也称为阻挡层。,结区,E,漂移运动载流子在电场作用下产生的运动。内建电场有利于少子的漂移运动。,扩散与漂移达到动态平衡时，形成PN结。动态平衡时流过PN结的总电流为0。,Vo:硅 0.60.8V 锗 0.10.3V,电位分布图,电子势能分布图,势垒区 空间电荷在结区内形成电位差，称接触电位差或结电压,2.2.2 PN结的单向导电性
6、,(1)外加正向电压,正向偏置:P区接电源端 N区接电源端,在外电场的作用下P区空穴向结区运动，中和部分负离子。N区自由电子向结区运动，中和部分正离子。空间电荷减少，结区变窄。,原来的动态平衡被打破,多子的扩散电流远大于少子的漂移电流，产生较大的正向电流IF。,P区、N区为低阻区，结区为高阻区，所以外加电压主要加在结区，抵消内电场的作用。结内电位差减小，势垒减小。,外加电压很小变化，将引起电流的较大变化。,PN结正向导通，其正向导通电阻很小。,(2)外加反向电压,反向偏置:P区接电源端，N区接电源端。,结内电位差增加，势垒提高。,P区的空穴，N区的自由电子，均背离结区运动，致使：空间电荷增加，
7、结区变宽。,多子的扩散电流趋于0，由少子的漂移电流产生反向电流。少子浓度很小，所以反向电流很小。PN结反向截止，反向截止电阻很大。,少子由本征激发产生，其浓度与材料及温度有关，所以反向电流几乎与反向电压的大小无关，而随温度增加急剧增大,结论:加正向电压，很小的电压能产生较大的 电流，外加电压很小变化，将引起电流的较大变化。加反向电压，只能产生微小的反向电流，且反向电流的大小几乎与反向电压无关。PN结正向电阻小，反向电阻大，具有单向导电性。,(3)PN 结的V-I特性,IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量VT=kT/q K=1.3810-23（J/K）q=1.610-19CT 绝对温度 当T=
8、300K时 VT26mV,加正向电压 vD0,几乎与反向电压的大小无关,加反向电压 vD0,3、PN 结的反向击穿,反向电压增加到一定数值时，反向电流剧增，这种现象称为反向击穿。（电击穿)击穿时的反向电压称为反向击穿电压VBR,电击穿,PN 结电击穿的原因：强电场使自由电子和空穴的数目大大增加，从而使反向电流急剧增加。,反向击穿,热击穿PN 结温度过高，将结烧坏。,雪崩击穿：发生在搀杂浓度较小的PN结。少子在高反压作用下，以很大能量碰撞束缚电子而形成的连锁反应。特点：击穿电压较大，（6V)反向击穿电压随温度上升而增加(正温度系数)。,PN 结电击穿的形式：,齐纳击穿（场致击穿）发生在搀杂浓度较
9、高的PN结。反压虽不太大，但结区窄，结内有很强的电场，将共价键的电子直接大量吸引出来而产生的。特点：击穿电压较小(6V)，反向击穿电压随温度上升而减小(负温度系数)。,2-3 半导体二极管,2.3.1 半导体二极管的结构,半导体二极管是由PN结加电极引线封装而成的，其结构有：点接触型，PN结面积小，极间电容小，高频特性好，但反向耐压较低，正向电流较小。用于高频检波、开关器件等。面接触型，PN结面积大，反向耐压较高，正向电流较大，用于整流。,二极管的符号,正极(P),负极(N),1、正向特性：存在门坎电压Vth（死区电压）硅0.5V 锗0.1V 正向导通时压降很小，硅 0.60.8V（估算值0.
10、7V)锗0.20.3V（估算值0.2V),2.3.2 二极管的V-I特性,实际二极管的V-I特性与PN结特性基本相同。,理想PN结的特性：,2、反向特性电压小于反向击穿电压时，反向电流很小，硅管：1A、锗管：几十几百A反向电流几乎不随反向电压变化，但随温度增加急剧增大。,3、反向击穿特性当反向电压达到反向击穿电压时反向电流迅速增大，产生反向击穿。,思考题:,如何用模拟式万用表判别二极管正负极,测量正反向电阻？,内阻Ro随量程正比例增加。1，10，100，1K,10K,模拟式万用表测电阻的等效电路：,万用表测电阻时：黑表笔连接电池正极性红表笔连接电池负极性,测量正向电阻时，量程档位增加，电阻值会
11、怎样变化？为什么与测线性电阻不同？,正向导通还是反向截止？,1.最大整流电流IF 管子长期运行允许通过的最大正向平均电流。2.反向击穿电压VBR 反向电流急剧增加时所加的反向电压。（参数表中一般规定反向电流所达到的值）最高反向工作电压一般取击穿电压的一半。3.反向电流IR 管子未发生电击穿时的反向电流。（参数表中一般规定所应加的反向电压）,2.3.3 二极管的参数,4、PN结的电容在电路理论中定义：一个二端器件，可存储电荷，且存储的电荷与两端电压相关，则该器件为电容。PN结具有电容效应，主要表现在两方面：势垒电容CB描述PN结内空间电荷随外加电压变化产生的电容效应。,反向电压增加,空间电荷区宽
12、度增加,空间电荷增加(正负离子),外加电压的变化会引起空间电荷的变化,势垒电容的特点:存储的电荷是正负离子，不是载流子，“充、放”电是由载流子与离子的中和或取出产生的。非线性电容，电容值随外加电压而变化。,变容二极管：,利用势垒电容特性而制作的特殊二极管。工作时必须加反偏电压，反偏电压增大，电容C减小。,用于自动调谐电路，调频振荡器，自动频率微调,PN结正偏时：P区空穴到达N区成为非平衡少子，一面扩散，一面与电子复合，浓度逐渐下降，在结的边缘处有空穴的积累；同样，N区的电子到达P区，在结的边缘处也有积累。正向电压越大，正向电流加大，积累的非平衡少子越多，扩散电容加大。,扩散电容CD,描述PN结
13、正偏时，注入的非平衡少子在扩散过程中因积累产生的电容效应。,PN结总的结电容：CJ=CB+CD,正向偏置：主要表现为扩散电容 CJCD,反向偏置：扩散电容CD=0表现为势垒电容 CJCB,结电容是影响二极管高频特性的主要因素，将破坏二极管的单向导电性。,PN结高频等效电路,正向偏置，r小，结电容较大，但影响小。反向偏置，r大，结电容较小，但影响大。,2.4 二极管基本电路及其分析方法,二极管是一种非线性器件，分析含二极管的电路一般采用图解法和模型分析法。2.4.1 二极管正向 vi的建模1、理想模型,正向偏置时，管压为0V，反向偏置时，电流为0。用于电源电压 管压降的情况如开关电路,2、恒压降
14、模型,二极管正向导通时，认为其管压降VF=常数（硅管取0.7V)。用于直流分析时，电源电压较大，工作电流较大，（1mA)，正向电压变化较小的情况。,3、折线模型,Vth:门坎电压(硅管一般取0.5v),二极管的正向压降随流过二极管正向电流的增加而线性增加。一般用于电源电压较小，工作电流较小的场合。,根据二极管的电流ID和管压降VD可以求出rD,4、小信号模型,当输入变化的信号时，且信号幅度很小，二极管工作在静态工作点Q附近的小范围内,则可以在小范围内把V-I特性曲线看成是过Q点的切线。其斜率的倒数称微变电阻rd（动态电阻）,小信号模型只用于动态分析，方程中求解的变量是信号量。（电压和电流瞬时值
15、的变化量）,rd的计算,rd与静态工作电流有关。,2-4-2 二极管模型分析法,1、静态分析,图解法,模型分析法,理想模型,VDD0:ID=VDD/R VD=0VDD0:ID=0 VD=VDD,恒压降模型,VDDVF:VD=VF=0.7V ID=(VDD-0.7)/R,VDDVF:VD=VDD ID=0,折线模型,VDDVth:ID=(VDD-Vth)/(R+rD)VD=Vth+IDrD=VDD-IDR,VDDVth:ID=0 VD=VDD,2、限幅电路,设二极管为理想二极管1)设Vi=0V、4V，求Vo,二极管开路电压VDO=Vi-3VDO0 Vi3V 二极管导通VDO0 Vi3V 二极管截
16、止,Vi=4V VDO=1V 二极管导通Vo=VR=3V,Vi=0V VDO=-3V 二极管截止Vo=Vi=0 V,2)设vi=6sint,画出vo的波形及传输特性,二极管开路电压VDO=Vi-3VDO0 Vi3V 二极管导通Vo=VR=3VVDO0 Vi3V 二极管截止Vo=Vi,如二极管采用折线模型(Vth=0.5V,rD=200)，重作此题。,1)设Vi=0V，4V，,Vi=0，二极管截止，Vo=Vi=0,Vi=4V，二极管导通I=(Vi-VR-Vth)/(R+rD)=0.417mAVo=Vth+VR+IrD=3.583V,2)设vi=6sint,画出vo的波形及传输特性,当ViVth+
17、VR=3.5V,二极管截止 Vo=Vi,3、开关电路二极管在开关电路中一般采用理想模型。关键是判别二极管是导通，还是截止,例1：试判断下图中二极管是导通还是截止，并求出输出端的电压Vo（设二极管是理想的）,Vo=0V,方法是：将二极管开路，计算两端的开路电压，开路电压大于0，二极管正偏，将其看作短路。开路电压小于0，二极管反偏，将其看作开路。,D1导通，D2截止,例2：,如果多个二极管都有可能导通的话，则先令正向电压较大的二极管先导通。再重新计算其他二极管的开路电压，重新考虑其状态。,此时VD1=6V，所以D1 截止。Vo=-6V,D2所加正向电压较大，所以先导通。,例,D1导通，D2导通Vo
18、=0V,D1导通，D2截止Vo=0V,D1截止，D2截止Vo=5V,与门电路,Vi1=0Vi2=0,Vi1=0，Vi2=5V,Vi1=5V，Vi2=5V,4、低电压稳压,利用二极管的正向特性可以构成低电压的稳压电路,分析方法：1）用恒压降模型进行静态分析，求IQ2）根据静态工作点求出微变电阻。3）建立二极管的小信号模型，此时只考虑交变分量。,例：在图所示电路中，直流电压VDD=10V，R=10K，若V=1V，相应的硅二极管两端电压的变化量为多少？,解：求静态工作点由于VDD=10V0.7V，所以二极管采用恒压降模型。,计算二极管的微变电阻 rd=26mV/ID=28 欧姆,画微变等效电路：直流
19、电源取零值，二极管用其微变电阻代替，电路中的变量是电压、电流的变化量。,VD=0.7V ID=（10-0.7）/10=0.93mA,vD=vrd/(R+rd)=2.79mV,2-5 特殊二极管,2.5.1 稳压管,1、原理：利用二极管反向击穿特性实现稳压。反向击穿后，电流急剧增加，但电压基本保持不变。只要反向电流限制在一定范围之内，管子不会损坏。,理想稳压管的特性,稳压值VZ与温度有关VZ5.7V，雪崩击穿为主，具有正温度系数VZ5.7V,温度系数最小,0.7V,2、稳压管参数,稳定电压VZ 反向电击穿时的工作电压。稳定电流IZ 测量稳定电压，动态电阻时的参考电流值。iZIZ，稳压性能较好，r
20、Z减小。额定功耗PM 允许的最大功耗，一般 IZM=PM/VZ动态电阻rZ 反向击穿区斜率的倒数 rZ=dVZ/diZ|iZ=IZ温度系数 温度变化1，稳定电压变化的百分数。,R限流电阻,使稳压管的电流在正常工作范围之内。,稳压过程:,3 稳压管的应用,稳压电平移动 限幅等,基本稳压电路,例：Vz=6V，Izmin=5mA，Izmax=25mA,Vi=10V、15V、35V,求Vo、IZ,限流电阻的计算,输入电压的变化范围为:ViminVimax 负载电流的变化范围为:IominIomax 稳压管正常工作电流范围为:IzminiZIzmax,已知 Vimin=12V，Vimax=13.6V,Vo=9V,Pomax=0.5W,稳压管参数：VZ=9V，PM=1W，IZ=5mA，IZM=PM/VZ=110mA，求限流电阻R。,解:负载电流的的范围为:Iomin=0 Iomax=Pomax/Vo=56mA,取标称值 R=47,教材上取R=51，只检验了稳压管的耗散功率，没有检验其电流范围。,
