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1、第三章 半导体二极管及其基本电路,主要内容半导体的基本知识PN结的形成半导体二极管及其性质与参数特殊二极管,半导体材料及特性,半导体的共价键结构,本征半导体、空穴及其导电作用,杂质半导体,3.1 半导体的基本知识,半导体是一种导电特性位于导体和绝缘体之间的物质,典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,掺杂性：二极管、三极管、场效应管等,热敏性：热敏电阻,光敏性：光敏电阻，光敏二极管、光敏三极管等。,一、半导体材料及特性,1.什么叫半导体？,2.半导体材料的特性及应用,原子结构,1.本征半导体的共价键结构（硅与锗）,二、本征半导体,纯净的半导体晶体，如：硅与锗,共价键,共价键中的两个
2、电子称为束缚电子,外层轨道电子，称为价电子,共价键形成后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。并且，使原子规则排列，形成晶体。,2.本征激发,在T=0 K（绝对零度）和无外界激发，本征半导体没有自由运动的带电粒子载流子，因而不能导电；,A、T=0 K（绝对零度）和无外界激发时,自由电子,空穴,束缚电子,温度升高,由于温度上升，电子获得能量后，少数共价键中的束缚电子挣脱束缚成为自由电子，留下空穴，称为本征激发，又称为热激发。,B、温度上升时,半导体中的两种载流子：,不受束缚的电子，称为自由电子,共价键的空位，称为空穴,摆脱束缚,束缚电子,半导体中的两种载流子：,由于自由电子与空穴的有序移动
3、将产生电流，因而称自由电子与空穴为半导体中的两种载流子；,电子载流子是带负电的粒子；空穴是电子离开后产生的共价键空位，因而带正电；,本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相等。,载流子浓度决定半导体的导电性能，浓度越高，导电性能越好。,温度越高，载流子数量增加，导电能力越强，因而具有热敏性。,本征半导体受热激发只产生少量电子空穴对，载流子浓度很低，外加电场作用，电流极其微弱；,本征激发的特点,结论,本征半导体外层电子构成稳定的共价键结构，使原子规则排列，形成晶体。在本征激发下，能产生少量的载流子，具有微弱的导电作用。其导电性能具有热敏性，温度越高，载流子的浓度越高，导电能力越强。,二、杂质
4、半导体,半导体具有掺杂性，若在本征半导体中掺入微量杂质，则导电性能大为改观，掺入百万分之一的杂质，载流子浓度增加1百万倍。,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,形成,本征掺杂：,本征半导体,得到大量自由电子（无空穴）,磷(5价),本征激发：得到少量 电子空穴对,特点,a.自由电子为多数载流子（多子）空穴为少数载流子（少子）；,b.磷原子被称为施主杂质，本身因失去电子而成为正离子。,N型半导体可简化成,2.P型半导体,形成,本征掺杂：,本征半导体,得到大量空穴（无自由电子）,硼(3价),本征激发：得到少量电子空穴对,特点,a
5、.空穴为多数载流子（多子）自由电子为少数载流子（少子）；,b.硼原子被称为受主杂质，本身因获得电子而成为负离子。,P型半导体可简化成,结论,通过在半导体材料中加入杂质，可以改变半导体的载流子浓度，从而改变其导电特性。,加入5价元素的杂质，得到N型半导体，电子为多数载流子。,加入3价元素的杂质，得到P型半导体，空穴为多数载流子。,3.2 PN结的形成,一、PN结的形成,用化学方法把N型半导体和P型半导体结合在一起。,多子的扩散运动,由于浓度差异引起的载流子运动，称之为扩散,当扩散和漂移达到动态平衡，即形成稳定的PN结。,多子的扩散，使得结合区产生内电场,内电场作用一方面将阻碍多子的扩散，同时也引
6、起少数载流子产生漂移；,多子扩散,少子漂移,由于电场的作用，而引起的载流子运动，称之为漂移,N型半导体和P型半导体结合,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,PN结形成过程,二、PN结的符号,把PN结封壳，引线即成二极管。,其符号和PN结相同。,3.3 半导体二极管,一、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,接触面积小，因而结间电容小，用于检波和变频等高频电路。缺点，不能通过大电流,（a）面
7、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,(b)面接触型,接触面积大，能通过大电流，缺点：结间电容大,二、二极管（PN结）的单向导电性,1.正偏:P+，N,PN结正向电阻很小。,因此，正向电压使得扩散变强，并形成扩散电流，即正向电流 IF；,VF，IF；,P区空穴，N区电子得到补充,内电场变小,扩散变强,向空间电荷区持续扩散,PN结变窄,2.反偏 P，N+,PN结变宽（由11到22）,PN结反向电阻很大。,内电场变大（由V0变到V0+VF）,形成漂移电流即反向（饱和）电流 IS；,利于漂移，抑制扩散,结论：,由于在正向电压作用下，参与导电的主体为多子的扩散，因而，正向
8、电流大，正向电阻小。,由于在反向电压作用下，参与导电的主体为少子的漂移，因而，反向电流小，反向电阻大。,二极管(PN结)正向电阻小，反向电阻大，这就是它的单向导电性。,三、二极管的伏安特性,I=f(V),死区电压：硅0.5V 锗0.1V,正向死区,导通区,反向截止区,反向击穿区,反响饱和电流,正向导通区,IS：反向饱和电流，受温度影响,VT：温度的电压当量 T=300K时，VT=26mV,由于在导通区 V VT，因而,I 和V成指数关系,反向截止区,I=IS,扩散电流,漂移电流,二极管（PN结）的反向击穿,A、雪崩击穿,在反向电压作用增加到一定值时，强电场大大增加了自由电子与空穴的数量，通过碰
9、撞产生更多自由电子与空穴对，引起反向电流急剧增加称为雪崩击穿。,强电场,载流子,破坏共价键,载流子,碰撞,ID,在杂质浓度较高的PN结空间电荷区中存在一个强电场，当存在较大的反向电压时，内电场叠加外电场，强大的电场时的共价键结构大量被破坏，从而产生大量自由电子与空穴对，形成较大的反向电流称为齐纳击穿。,B、齐纳击穿,强电场,载流子,破坏共价键,载流子,碰撞,ID,高浓度杂质,强内电场,反向电压,B、电击穿与热击穿,当PN结的热功率小于PN结容许的耗散功率时，即：反向电压反向电流 PN结允许的耗散功率 不会引起PN结的温度急剧升高，这时的击穿是可逆的称为电击穿，反之称为热击穿。,利用电击穿可以设
10、计稳压管，而在设计中必须避免热击穿,四、二极管的直流参数,1.最大整流电流 IF：,管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流；,2.反向击穿电压 VBR与最大反相工作电压：,VBR管子反向击穿时的电压值,一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。,VBR,3.反向饱和电流IS,管子未击穿时的反向电流，随温度变化而变化，硅管比锗管反相电流更小,截止区,4.极间电容:与结电阻处于并联状态，高频工作 时影响较大,包括：势垒电容CB与扩散电容CD,二极管正向工作时主要取决于扩散电容CD：,二极管反向工作时主要取决于势垒电容CB：,8.最高工作频率等,7.反相恢复时间,5.耗散功率Pr,6.
11、正相压降VF,通过外加散热，可提高耗散功率,硅：0.7V，锗：0.20.3V,例、设整流电路的电路如图所示，从表中选择合适的二极管，其中，,vi,vo,+,+,-,-,2.4 二极管基本电路及其分析方法,一、图解分析法,1、将二极管当作负载，由电路求出二极管的负载方 程；,在二极管的伏安特性上作负载曲线；,Q,3、负载线与伏安特性交点Q，为二极管工作点,对应的电流与电压为二极管工作电流与电压,VD,ID,例、二极管特性曲线与应用电路如图所示，求二极管vD与iD,Q,VD,ID,解：由KVL方程，得：,因而，,因而，,2.4 二极管基本电路及其分析方法,二、模型分析法,1.理想模型,4.小信号模
12、型,3.折线模型,2.恒压降模型,正偏时，管子导通正向压降为0；,反偏时，管子截止，电流为0；,1.理想模型,2.恒压降模型,vD,O,iD,(a),iD,(b),+,vD,正偏时，正向压降为0.7V(硅)，(锗约为0.2V)称为导通电压，一般在电流大于等于1mA时比较正确；,反偏时，电流为0。,3.折线模型,其中，Vth为门坎电压，硅约0.5V，锗约0.1V,rD的确定。,当iD=1mA，管压降为0.7V。,0.7=Vth+1rD=0.5+rD,rD=0.2K,将V-I特性用折线来近似，导通时，有：,4.小信号模型,当二极管在特性曲线某点Q附近工作时，这时可用Q点的切线来近似V-I特性，切线
13、的斜率的倒数为小信号的微变电阻，,即,称为静态工作点,几个概念：直流通路；交流通路；静态与动态。,求 rd：,如 I=2mA时，rd=13,vD,O,Q,VD,vD,iD,ID,iD,工作在线性区，,信号为微变量，,且为低频信号。,若二极管,二极管可用微变电阻rd代替。,三、模型分析法应用举例,模型分析法可分析二极管电路的静态工作情况，限幅电路、开关电路，低电压稳压等等。,例21 设电路如图，R=10K。VDD=10V，求电路的ID和VD的值。,(每种情况都用理想模型、恒压降模型、折线模型求解),VDD,vD,iD,R,解：,1、理想模型：D加正偏，导通时正向压降为0。,2、恒压降模型：导通时
14、正向压降为0.7V。(锗约为0.2V),+,_,3、折线模型,（硅）,在二极管电流1mA附近，取：,例22 用恒压降模型计算下图中流过二极管中的电流 ID。,解：把二极管以外的部分用一个电压源和一个电阻串联等效（运用戴维南定理）,二极管正向导通,其正向压降为0.7V。,若用折线模型,例23 一限幅电路如下图，R=1K，VREF=3V.设vi=6sintV。试绘出相应的输出电压vo的波形。(用折线模型分析),当vi的幅值大于VREF+Vth=3.5V时，管子导通。,vo=VREF+Vth+rD iD=3.5+0.2 iD,当vi的幅值为6V时，,管子导通时vo的波形如蓝线所示。,否则，管子截止。
15、vo=vi。vo波形如红线所示,解：折线模型为,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。,二极管应用之一二极管的开关功能：,将二极管断开，若阳、阴两极间所加的电压大于二极管的导通电压则闭合，否则关断。,数字电路中的与逻辑,二极管应用之二低电压稳压功能：合理选择参数可获得低电压稳压功能，适用于34V以下（多只串联），当需稳压的数值较大时用稳压管。,稳压原理：正向导通电阻较小，与R分压后对电压的波动不敏感。,（a）电路图（b）vs和vO的波形
16、,二极管应用之三整流电路,半波整流电路,全波整流电路,vi,vo,vi,vo,+,-,+,-,不考虑电容时的输出,vo,加入电容时的输出,2.5 特殊二极管,一、齐纳二极管(稳压二极管),1.特点：,利用齐纳击穿原理，掺入高浓度杂质（形成强内电场）反向击穿区很陡，主要作稳压器使用,2.符号,用2CW，2DW命名,3.伏安特性曲线：,正向特性和普通二极管同,反向击穿区曲线很陡，即动态电阻 rZ 很小，稳压性能越好。,V(V),I(mA),O,因此，动态电阻 rZ 越小，稳压性能越好。,(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/I
17、Z,(3)最大耗散功率 PZM,4.稳压二极管主要参数,(5)最大稳定工作电流 IZmax,(6)稳定电压温度系数 VZ：温度每升高1度电压的变化量。,(4)最小稳定工作电流 IZmin 保证稳压管齐拉击穿的最小电流。,5.并联式稳压电路,当负载变化时自动调节 输出电压稳定,R：限流电阻,IO,VO,IZ,IR,IR,限流电阻选择原则,1、阻值的选择原则：保证提供最大负载电流的同时，保证稳压管的电流大于最小稳定工作电流，即：,2、额定功率的选择原则：必须保证电阻最大能耗值小于额定功率，并考虑一定的保险系数，即：,R：限流电阻,稳压管选择原则：,1、依据负载工作电压选择稳压管的稳压值,2、rz越
18、小稳定性能越好,3、保证稳压管工作电流始终在最小稳定工作电流与最大稳定工作电流之间，即：,R：限流电阻,4、最大耗散功率大于稳压管最大能耗，即：,例 设计一稳压电路，作为汽车用收音机的供电电源，已知收音机工作电源为9V，最大功率0.5W，汽车电源电压范围为1213.6V，选择合适的稳压管(IZmin、IZmax、VZ、PZM)与电阻(阻值与额定功率)。,收音机,解：,取：IZmin=5mA,取2倍以上的保险系数，电阻额定功率取1W,在负载开路且VI最大时，IZ最大：,例 电路如图，设R=180，VI=101V,RL=1k,稳压管的Vz=6.8V，IZT=10mA，rz=20，Izmin=5mA
19、,求V0,解：,VZ=Vz0+rZIZ,将Vz，IzT代入可求得 Vz0=6.8-20 x0.01=6.6V,n1,由KCL，得n1节点方程,由KVL，得回路方程,又VZ=Vz0+rZIZ,(1),(2),(3),由(1)(2)(3)得：,在VI=9V与VI=11V时可求得Iz，分别为5.95mA与15.78mA，因而，Vo=IZrz=0.2V,例 设硅稳压管DZ1、DZ2的稳定电压分别为5V、10V，又已知DZ1、DZ2正向压降为0.7V，求V0,解：(a)DZ1、DZ2工作在反向击穿区,V0=5+10=15V,(b)DZ1、DZ2工作在正向导通区,V0=0.7+0.7=1.4V,由于稳压管
20、稳压值变化较小，定性分析时，通常可看为恒定值。,二、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）,三、肖特基二极管,（a）符号（b）正向V-I特性,优点：电容小，响应速度快，适合与高频和开关状态；正向导通电压较低。缺点：反向击穿电压低，漏电流大。,特点：阳极为金属材料，阴极为N半导体；多数载流子导电器件；耗尽区集中在N区，较薄；,四、光电子器件,1.光电二极管,（a）符号（b）电路模型（c）特性曲线,在光照下，破坏共价键，载流子增多，从而反相电流增大,2.发光二极管,符号,光电传输系统,用途：1、指示灯与显示器；2、光传输系统；3、红外无线通讯,3.激光二极管,（a）物理
21、结构（b）符号,用途：小功率设备中，如：光盘驱动，激光打印,本章小结,1、半导体材料及特点，热敏性、光敏性与掺杂性；,2、2种载流子：自由电子与空穴的概念；,3、PN结形成及导电原理；,4、二极管(PN结)的单相导电性与V-I特性；,5、二极管器件性能指标；,6、二极管图解分析法；,7、二极管模型分析法，静态分析：理想模型、恒压降模型与折线模型；动态分析：小信号模型,8、特殊二极管：重点掌握稳压二极管,3.5.4 并联式稳压电路，要求输出电压Vo=4V,输出电流Io=15mA,输入直流电压VI=6V10%,试选择稳压管型号和合适的限流电阻值，并验证他们的功率。,选型思路：先计算确定电阻值，在计
22、算确定稳压管参数参数值，然后根据参数值差有关资料确定型号。,阻值的选择原则：保证提供最大负载电流的同时，保证稳压管的电流大于最小稳定工作电流，即：,考虑最坏情况下的功率消耗,稳压管选择原则：,1、依据负载工作电压选择稳压管的稳压值,4、满足以上条件的前提下，rz越小稳定性能越好,2、保证稳压管工作电流始终在最小稳定工作电流与最大稳定工作电流之间，即：,3、最大耗散功率大于稳压管最大能耗，即：,解：,稳压管型号可选择2CW52,在负载开路且VI最大时，IZ最大：,一般稳压管有：,取,考虑一定的负载冗余，取,(1)求R,(2)求IZmax与PZM,(3)求PRmax,在VI最大,而VZ最小时，PR最大,取2倍余量，选择额定功率0.5W，阻值为51的电阻,若果使用Vz计算，在电路正常状态下可满足要求，没考虑到最坏情况。,若果是先直接根据工作电压选定型号以后进行验证，求最大功率计算方法一样，但选错的概率高，经常要重选！,
