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1、第1章半导体二极管及其基本电路本讲稿第一页，共四十三页第一章第一章半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路本讲稿第二页，共四十三页第第1 1章章1.1 1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.2 2 半导体二极管及其基本特性半导体二极管及其基本特性1.3 特殊二极管特殊二极管1.4 二极管的基本应用电路二极管的基本应用电路本讲稿第三页，共四十三页美国硅谷美国科学院院士在硅谷任职的就有近千人 1999年硅谷的营业额达2500亿美元至3000亿美元左右 本讲稿第四页，共四十三页超大规模集成芯片CPU硅晶圆本讲稿第五页，共四十三页知识点复习电路元件、基尔霍夫定律、叠加定理、电路元件、基尔霍夫
2、定律、叠加定理、等效电源定理和含受控源电路的分析等效电源定理和含受控源电路的分析 半导体的基本知识、结的形成和半导体的基本知识、结的形成和半导体二极管及其特性半导体二极管及其特性本讲稿第六页，共四十三页1.1 PN结和二极管结和二极管 1.概念概念半导体半导体导电能力介乎于导体和绝缘体之间导电能力介乎于导体和绝缘体之间。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。影响半导体导电能力的因素影响半导体导电能力的因素光照光照导电能力导电能力如：光敏元件如：光敏元件温度温度导电能力导电能力 如：热敏元件如：热敏元件掺杂掺杂纯净的半导体中掺入微量的某些杂质，纯净的半导
3、体中掺入微量的某些杂质，会使半导体的导电能力明显改变。会使半导体的导电能力明显改变。掺杂掺杂导电能力导电能力 如：如：P P型、型、N N型半导体。型半导体。本讲稿第七页，共四十三页 常用的半导体材料常用的半导体材料锗锗 Ge硅硅 Si硅和锗为四价元素，最外层有四个价电子硅和锗为四价元素，最外层有四个价电子32142-8-18-42-8-42.2.本征半导体本征半导体纯净的、具有晶体结构的半导体纯净的、具有晶体结构的半导体sisisisi最外层最外层八个电八个电子的稳子的稳定结构定结构共价键内的共价键内的价电子对价电子对共价键共价键共价键结构稳定共价键结构稳定导电能力很弱导电能力很弱SiGe价
4、电子价电子本讲稿第八页，共四十三页 本征激发本征激发（热激发）热激发）sisisisi空空穴穴自自由由电电子子自由电子自由电子本征激发成对产生本征激发成对产生空穴空穴 两种载流子两种载流子 半导体中有自由电子半导体中有自由电子和空穴两种载流子和空穴两种载流子本征半导体两端外加电压时，将出现两部分本征半导体两端外加电压时，将出现两部分电流，电流，电子流电子流和和空穴流空穴流。复合复合复合使自由电子和空穴成对减少复合使自由电子和空穴成对减少 在一定温度下，热激发和复合处于动平衡状态。在一定温度下，热激发和复合处于动平衡状态。半导体中的载流子数目一定。半导体中的载流子数目一定。温度升高、光照增强使价
5、电子温度升高、光照增强使价电子摆脱原子核的束缚摆脱原子核的束缚自由电子与空穴相遇自由电子与空穴相遇本讲稿第九页，共四十三页多余电子多余电子3.3.杂质半导体杂质半导体 N型半导体（电子半导体）型半导体（电子半导体）本征半导体中掺入微量的五价元素本征半导体中掺入微量的五价元素磷磷特点：特点：多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴N 型半导体型半导体+示意图示意图P+sisisi硅晶体中掺磷出现自由电子硅晶体中掺磷出现自由电子磷磷 P152-8-5p本讲稿第十页，共四十三页P型半导体型半导体示意图示意图空穴空穴 P型半导体（空穴半导体）型半导体（空穴半导体）特点：特点：多
6、数载流子多数载流子空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子本征半导体中掺入微量的三价元素本征半导体中掺入微量的三价元素硼硼B-sisisi硅晶体中掺硼出现空穴硅晶体中掺硼出现空穴多数载流子数目由掺杂浓度确定多数载流子数目由掺杂浓度确定少数载流子数目与温度有关少数载流子数目与温度有关.温度温度少子少子结论：结论：52-3硼硼 BB本讲稿第十一页，共四十三页1.1.2 PN结结 同一片半导体基片上，分别制造同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和型半导体和N型半导体，在它们型半导体，在它们的交界面处形成的特殊区域。的交界面处形成的特殊区域。1.PN结结2.PN结的形成结的形成PNPN结结P区和
7、区和N区的载区的载流子浓度不同流子浓度不同由载流子的浓度差由载流子的浓度差多子扩散多子扩散 P+NN区区P区区P区区N区区电子电子空穴空穴正负离子显电性正负离子显电性建立空间电荷区建立空间电荷区形成内电场形成内电场 P+N+-自建电场自建电场本讲稿第十二页，共四十三页内电场内电场反对多子扩散反对多子扩散有利少子漂移有利少子漂移扩散扩散=漂移漂移动平衡动平衡空间电荷区宽度确定空间电荷区宽度确定PN结形成结形成PN结结空间电荷区空间电荷区PN结也称为高阻区、耗尽层结也称为高阻区、耗尽层P+NPN结结+-自建电场自建电场本讲稿第十三页，共四十三页3.3.PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结正向导
8、通结正向导通现象：现象：灯亮、灯亮、电流大（电流大（mA级）级）原因：原因：，使，使PN结变窄，由多数载流子结变窄，由多数载流子形成较大的正向电流。形成较大的正向电流。结论：结论：PN结正向导通，正向电流大、正向电阻小。结正向导通，正向电流大、正向电阻小。PN结变窄结变窄-PNEmA+-+-+I本讲稿第十四页，共四十三页 PN结反向截止结反向截止现象：现象：灯不亮、灯不亮、电流很小（电流很小（A级）级）原因：原因：、方向一致，使方向一致，使PN结变宽，由少数结变宽，由少数载流子形成很小的反向电流。载流子形成很小的反向电流。结论：结论：PN结反结反 向截止，反向电流小、反向电阻大。向截止，反向电
9、流小、反向电阻大。PN结变宽结变宽-+PNE-+-A本讲稿第十五页，共四十三页1.1.3 半导体二极管半导体二极管1.基本结构及符号基本结构及符号点接触型：结面小、结电容小，适用高频小电流场合。点接触型：结面小、结电容小，适用高频小电流场合。如：检波电路、数字开关电路如：检波电路、数字开关电路面接触型：结面大、结电容大，用在低频电路面接触型：结面大、结电容大，用在低频电路 如：整流电路如：整流电路D阴极阴极 阴极阴极 阴极阴极 阴极阴极阳极阳极 阳极阳极 阳极阳极 阳极阳极点接触型点接触型面接触型面接触型外外 形形符符 号号本讲稿第十六页，共四十三页半导体二极管图片半导体二极管图片本讲稿第十七
10、页，共四十三页半导体二极管图片半导体二极管图片本讲稿第十八页，共四十三页2.伏安特性伏安特性UBR 反向击穿电压反向击穿电压 正向特性正向特性死区电压死区电压=0.2V0.2V（锗管）（锗管）0.5V0.5V（硅管）（硅管）UD=0.20.3V （锗管）（锗管）0.60.7V （硅管）（硅管）导通后管压降：导通后管压降：反向特性反向特性UIo死区死区+-+UBRUD本讲稿第十九页，共四十三页UIoUBRUDID 温度对二极管的影响温度对二极管的影响 温度升高二极管温度升高二极管 正向压降减小正向压降减小温度温度载流子载流子导电能力导电能力等效电阻等效电阻正向压降正向压降UD 温度升高二极管反向
11、电流增大温度升高二极管反向电流增大温度温度少数载流子少数载流子反向电流反向电流温度每升高温度每升高10C。反向电流增大一倍。反向电流增大一倍。本讲稿第二十页，共四十三页理想二极管的开关特性理想二极管的开关特性正向导通正向导通反向截止反向截止+-开关闭合开关闭合+-开关断开开关断开例例由理想二极管组成的电路如图所示，求电压由理想二极管组成的电路如图所示，求电压UAB。(a)3K6VD12VAB解：图解：图(a)+-D 正正向导通，向导通，UD=0电压电压UAB=-6V本讲稿第二十一页，共四十三页12V3KD1(b)BD26VA(c)B12VD2D13K6VA3V解：图解：图(b)D1 导通，导通
12、，UD1=0，D2 截止截止电压电压UAB=0V解：图解：图(c)D1 优先优先导通，导通，UD1=0，电压电压UAB=-3V-6V-3V，D2 截止截止本讲稿第二十二页，共四十三页3.主要参数主要参数（1）最大整流电流）最大整流电流 IDM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（点接触型均电流。（点接触型 UB，DA先导通，先导通，DA起箝位作用，使起箝位作用，使UF=3V。FAB-12V-12V0V+3VDARDBUB UF，DB截止，截止，将将UB与与UF隔离隔离DA、DB，为理想二极管，为理想二极管 4.二极管的二极管的箝位和隔
13、离箝位和隔离应用应用例例电电路路中中，输输入入端端 UA=+3V，UB=0V，试试求求输出端输出端F的电位的电位UF。解：解：本讲稿第三十七页，共四十三页5.二极管门电路二极管门电路 F=AB 二极管与门二极管与门 分析分析规定规定高电平高电平3V逻辑逻辑“1”低电平低电平0V逻辑逻辑“0”真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式逻辑符号逻辑符号FABFD1D2AB+12VR本讲稿第三十八页，共四十三页FD1D2AB-12VRF=A+B 二极管或门二极管或门 分析分析规定规定高电平高电平3V逻辑逻辑“1”低电平低电平0V逻辑逻辑“0”真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式逻辑符号逻辑符号FAB1本讲稿第三十九页，共四十三页小结特殊二极管特殊二极管光电二极管、稳压二极管、发光二极管和激光二极管二极管的应用本讲稿第四十页，共四十三页要求要求 了解二极管、稳压管和三极管的基本造、了解二极管、稳压管和三极管的基本造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；义；会分析含有二极管的电路。会分析含有二极管的电路。了解三极管结构了解三极管结构,掌握三极管的工作原理、掌握三极管的工作原理、特性曲线和主要参数特性曲线和主要参数本讲稿第四十一页，共四十三页作业作业本讲稿第四十二页，共四十三页本讲稿第四十三页，共四十三页