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1、,3 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.3 半导体二极管,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.2 PN结的形成及特性,3.1 半导体的基本知识,半导体材料,半导体的共价键结构,本征半导体,杂质半导体,3.1.1 半导体材料,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。,典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,半导体的导电能力随温度、光照和掺杂等因素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。,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,3.1.3 本征半导体,本征半导体化学成分纯净的半
2、导体。它在物理结构上呈单晶体形态。,空穴共价键中的空位。,电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。,空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对,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。掺入了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
3、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
4、响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/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、受主杂质,end,3.2 PN结的形成及特性,PN结的形成,PN结的单向导电性,PN结的反向击穿,PN结的电容效应,载流子的漂移与扩散,3.2.1 载流子的漂移与扩散,漂移运动：在电场作用引起的载流子的运动。,扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动。,漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和电场强
5、度。扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。,3.2.2 PN结的形成,3.2.2 PN结的形成,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,非对称PN结：在掺杂浓度不对称的 PN 结中，耗尽区在掺杂浓度大的一边延伸较小，而在掺杂浓度小的一边延伸较大
6、。,3.2.3 PN结的单向导电性,当外加电压使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；反之称为加反向电压，简称反偏。,(1)PN结加正向电压时,低电阻 大的正向扩散电流,3.2.3 PN结的单向导电性,当外加电压使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；反之称为加反向电压，简称反偏。,(2)PN结加反向电压时,高电阻 很小的反向漂移电流,PN结加正向电压时导通,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,外电场,P区,N区,多子空穴,多子电子,V,空间电荷区,内电场,扩散运动,R,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,
7、+,内电场,外电场,P区,N区,多子空穴,多子电子,VF,R,PN结加正向电压时导通,PN结加正向电压时导通,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,变薄,内电场,外电场,P区,N区,多子空穴,多子电子,IF,VF,正向电流,I：扩散电流,R,PN结加正向电压时导通,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,变薄,内电场,外电场,P区,N区,IF,VF,I：扩散电流,R,PN结加正向电压时导通,PN结加反向电压时截止,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,空间电荷区,内电场,外电场,P区,N区,少子电子,少子空穴,V,漂移运动,2.外
8、加反向电压,PN结加反向电压时截止,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,内电场,外电场,P区,N区,V,IR,I：漂移电流,反向电流,PN结加反向电压时截止,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,内电场,外电场,P区,N区,V,IR,I：漂移电流,PN结加反向电压时截止,归纳：,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。,在于它的耗尽区的存在，且其宽度可由外加电压改变。,这就是PN结的单向导电性。,3.2.3 PN结的单向导电性,(3)PN结V-I 特性表
9、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.PN结V-I特性的表达式,【可参见教材P64图3.2.4】,式中：,IF,IR,(A),IF,IR,(A),3.PN结V-I特性的表达式,IF,IR,(A),PN结的反向击穿：,反向击穿电压,反向击穿,电击穿,热击穿,雪崩击穿,齐纳击穿,3.2.4 PN结的反向击穿,3.2.5 PN结的电容效应,(1)扩散电容CD,扩散电容示意图,3.2.5 PN结的电容效应,(2)势垒电容CB,end,3.3 半导体二极管,半导体二极管的结构,二极管的伏安特性,二极管的主要参数,3.3.1 半导体二极管的
10、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,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,锗二极管2AP15的V-I 特性,硅二极管2CP10的V-I 特性,3.3.2 二极管的V-I特性,它的大小与二极管的材料及温度等因素有关。,关于死区电压,Uon,3.3.2 二极管的V-I特性,它的大小与二极管的材料有关。,关于死区电
11、压,二极管的正向导通管压降,Uon,正向导通压降,3.3.2 二极管的V-I特性,关于死区电压,Uon2,正向导通压降,与温度的关系,Uon1,ID,IS1,IS2,3.3.3 二极管的主要参数,end,IF：最大整流电流,3.3.3 二极管的主要参数,指二极管长期运行时，允许通过的最大正向导通电流平均值。,3.3.3 二极管的主要参数,低频或中频信号时二极管极间电容作用不予考虑；高频信号时才考虑作用。,3.4 二极管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,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
12、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
13、.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
14、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
15、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、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,齐纳二极管(稳压二极管),1.符号及稳压特性,利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。,(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
16、，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)稳定电压温度系数VZ,2.稳压二极管主要参数,齐纳二极管,3.稳压电路,正常稳压时 VO=VZ,齐纳二极管,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,
