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1、半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路温度：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：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型型半导体（电子型型半导体）。 多子多子电子、少子电子、少子空穴。空穴。掺入三价杂质产生P型型半导体（空穴型空穴型半导体）。 多子多子空穴、少子空穴、少子电子。电子。多子浓度近似等于杂质浓度
2、， 少子浓度与温度密切相关。3-2 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。正负离子的数量相等。npPN在在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空间电荷区区，也称PN结区。结区。PN结区空间电荷区宽度与杂质浓度成反比。 内建电场内建电场 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。也称为阻挡层阻挡层。 结区EPN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
3、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 0.10.3VPN 结区EV0 电位分布图-qV0电子势能分布图势垒区势垒区 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 (1) 外加正向电压内电场外电场正向偏置: P区接电源端区接电源端 N区接电源端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。VF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，
4、抵消内电场的作用。 结内电位差减小，势垒减小。VFV0V0-VF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) 外加反向电压内电场VR外电场反向偏置 : P区接电源端，区接电源端，N区接电源端。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，结区变宽。V0V0+VR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结论: 加正向电
5、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=300K时 VT26mV)1(TDVvSDeIiiD ISvD加正向电压 vD0SDTDVvSDDVIiVveIiVveeTDTln1.018.46026.01.01.0SDDVIiVveeT1 . 01021. 0026. 01 . 01 .
6、0几乎与反向电压的大小无关Di加反向电压 vD6V) 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(管压降的情况如开关电路iD0vD=0vD0iD=0iDvDiDvDiD vD iD vD 2、恒压降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。iDvDiDvDiD v D iD vD 3、折线模型Vth:门坎电压 (硅管一般取
7、0.5v),iDvD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。DthDDIVVrrDVthiD v D 根据二极管的电流ID和管压降VD可以求出rDIDVDiDvDVthiD vD 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。（电压和电流瞬时值的变化量）rdDrd的计算) 1(QTVVeIididvrSdrd与静态工作电流有关。TQTVVsQVvTs
8、VIVeIeVIdvdiTQTQ时）KTImVIVrQQTd300()(263-4-2 二极管模型分析法1、静态分析图解法 VDD VDIDRID=f（VD）VD=VDD-IDRVQIQR VDD VDID 模型分析法理想模型VDD0: ID=VDD/R VD=0VDDVF: VD=VF=0.7V ID=(VDD-0.7)/RVDDVth: ID=(VDD-Vth)/(R+rD) VD=Vth+IDrD=VDD-IDR VDD0 Vi3V 二极管导通VDO0 Vi0 Vi3V 二极管导通Vo=VR=3VVDO0 Vi0.7V，所以二极管采用恒压降模型。计算二极管的微变电阻 rd= 26mV/I
9、D= 28 欧姆画微变等效电路：直流电源取零值，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 =0.93mAvD = vrd/(R+rd) = 2.79mVVDDRDID0.7VVDvRrdDiDv%4 . 0%10DDDDVvVv3-5 特殊二极管3.5.1 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vDiDVZVDiD0.7V2、稳
10、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，rZ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:vivoiZiRvRvoRLioiRvoiZiRvo3 稳压管的应用稳压电平移动 限幅等基本稳压电路vivoiRioiZRRL例：Vz=6V，Izmin=5mA ，Izmax=25mA Vi=10V、15V、35V, 求Vo 、IZ
11、LLiiRRRVVVVIVVVVoZii33. 30,33. 310VVIVVVVoZii50,515mARRVVIVVVVVVLZiZoii1 .17/6,7 .1135ViVoIRRRL1K0.5KIZViVoR/RLIZ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: IzminiZIzmaxminmaxmaxmaxminmaxmaxoZZiZoZiZoZiZIIVVRIIRVViIRVVimaxminminminmaxminminoZZiZoZiZoZiZIIVVRIIRVViIRVViViVZIRI
12、oiZRRL例:3.5.1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=56mA8 .4111.096 .13minmaxmaxOZZiIIVVR2 .49056. 0005. 0912maxminminOZZiIIVVR取标称值 R=47ViVoIRIoiZRRL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。mAAIRVVioZiZ50028.0056.051912maxminminAAIRVViZiZ11.009.05196 .13min0maxmax