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1、半导体二极管及基本电路第1页，本讲稿共48页2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 2.1.1 半导体材料半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体本征半导体 2.1.4 杂质半导体杂质半导体第2页，本讲稿共48页 2.1.1 半导体材料半导体材料根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分的不同，来划分 导导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。半导体（半导体（半导体（半导体（SemiconductorsSemiconductors）:导电能力介
2、于导体与绝缘体之间的物体，都是导电能力介于导体与绝缘体之间的物体，都是 半导体。半导体。第3页，本讲稿共48页 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列第4页，本讲稿共48页 2.1.2 半导体的共价键结构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硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构价电子：最外层原子轨道上具有的电子（价电子：最外层原子轨道上具有的电子（4个）。个）。第5页，本讲稿共48页 2.1.3 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单 晶体形态。晶体形态。空穴
3、空穴共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而产生的自由电子和空穴对产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运空穴的运动是靠相是靠相邻共价共价键中的价中的价电子子依次充填空穴来依次充填空穴来实现的。的。第6页，本讲稿共48页 2.1.4 杂质半导体杂质半导体 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。掺入杂质的本征半导体称为素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。N型半导体型半导体掺入五
4、价杂质元素（如磷）的半导体。掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。（Negative负的字头）P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的 半导体。半导体。（Positive 正正的字头)第7页，本讲稿共48页 1.N型半导体型半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原它
5、主要由杂质原子提供子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由热激发形成。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提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。第8页，本讲稿共48页 2.P型半导体型半导体 因三价杂质原子因三价杂质原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电键时，缺少一个价电子而在共价键中留下子而在共价键中留下一个空穴。一个空穴。在在P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成它主要由掺杂形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发
6、形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂。三价杂质质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。第9页，本讲稿共48页 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中
7、的自由电子浓度:n=51016/cm3 3.杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响第10页，本讲稿共48页 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念end 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质第11页，本讲稿共48页2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 2.2.1 PN结的形成结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿第12页，本讲稿共48页 在一块本征半导体在两侧通过扩散
8、不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半导型半导体和体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也
9、在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 第13页，本讲稿共48页 2.2.1 PN结的形成结的形成1.扩散运动扩散运动 2.PN PN结结3.漂移运动漂移运动第14页，本讲稿共48页 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为区的电位，称为加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。(1)PN结加正向电压时结加正向电压时PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情
10、况 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流PN结的伏安特性结的伏安特性第15页，本讲稿共48页PN结的伏安特性结的伏安特性 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PN结中结中P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为区的电位，称为加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之；反之称为加称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。(2)PN结加反向电压时结加反向电压时PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定
11、的，故少子形成的漂移电流是少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。第16页，本讲稿共48页 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向结具有单向导电性。导电性。第17页，本讲稿共48页 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性(3)PN结
12、结V-I 特性表达式特性表达式其中其中PN结的伏安特性结的伏安特性IS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）第18页，本讲稿共48页 2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿当当PN结的反向电压增加结的反向电压增加到一定数值时，反向电到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现流突然快速增加，此现象称为象称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆PN结的电流和温升不断增结的电流和温升不断增加，使加，使PN结的发热超过它结的发热超过它的耗散功率。的耗散功率。电击穿电击穿可逆可逆雪崩击穿雪崩击穿：由于碰撞电离使载流子产生倍增
13、效应，使反向电流急剧增大由于碰撞电离使载流子产生倍增效应，使反向电流急剧增大。齐纳击穿齐纳击穿：在杂质浓度特别大的在杂质浓度特别大的PN结中加有较高的反向电压，破坏共价键结中加有较高的反向电压，破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子空穴对，使反向电流急剧增大。将束缚电子分离出来造成电子空穴对，使反向电流急剧增大。第19页，本讲稿共48页2.3 半导体二极管半导体二极管 2.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.3.3 二极管的参数二极管的参数第20页，本讲稿共48页 2.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PN结上加上引线和
14、封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型三大三大类。类。(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结面积小，结电容小，用于结电容小，用于检波和变频等高检波和变频等高频电路。频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图第21页，本讲稿共48页(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电往往用于集成电路制造工艺中。路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电于高频整流和开关电路中。路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 P
15、N结面积结面积大，用于工频大大，用于工频大电流整流电路。电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型(4)二极管的代表符号二极管的代表符号D第22页，本讲稿共48页 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性正向特正向特性性反向特性反向特性反向击穿反向击穿特性特性第23页，本讲稿共48页 2.3.3 二极管的参数二极管的参数(1)最大整流电流最大整流电流IF(2)反向击穿电压反向击
16、穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM(3)反向电流反向电流I IR R(4)正向压降正向压降VF(5)极间电容极间电容CB第24页，本讲稿共48页 PN结的电容效应结的电容效应(A)势垒电容势垒电容CB 势垒电容示意图势垒电容示意图（Barrier Capacitance)用来描述势垒区的空用来描述势垒区的空间电荷随电压变化而间电荷随电压变化而产生的电容效应。产生的电容效应。在高频、反向偏置时在高频、反向偏置时CB起主要作用。起主要作用。第25页，本讲稿共48页 PN结的电容效应结的电容效应(B)扩散电容扩散电容CD扩散电容示意图扩散电容示意图（Diffusion Capac
17、itance)反映了在外加正电压作反映了在外加正电压作用下，载流子在扩散过用下，载流子在扩散过程中积累的电容效应。程中积累的电容效应。在高频、正向偏置时在高频、正向偏置时CD起主要作用。起主要作用。第26页，本讲稿共48页半导体二极管图片第27页，本讲稿共48页第28页，本讲稿共48页end第29页，本讲稿共48页2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 2.4.2 应用举例应用举例第30页，本讲稿共48页 2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 1.理想模型理想模型3.折线模型折线模型 2.恒压降模型恒压
18、降模型第31页，本讲稿共48页 4.小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。向特性可以等效成一个微变电阻。即即根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导则则常温下（常温下（T=300K）2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模第32页，本讲稿共48页 2.4.2 应用举例应用举例 1.二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析理想模型理想模型（R=10k）（1）VDD=10V 时时恒压模型恒压模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值
19、）设设（2）VDD=1V 时时（自看）（自看）第33页，本讲稿共48页例例2.4.2 提示提示 2.4.2 应用举例应用举例 2.限幅电路限幅电路第34页，本讲稿共48页例：电路如图所示，已知例：电路如图所示，已知E=5V，ui=10sint V，二，二极管的正向压降可忽略不计，试画出极管的正向压降可忽略不计，试画出uo的波形的波形RDEu0ui0tuiu0解：解：当当当当ui 5V5V时，二时，二时，二时，二极管才可导通极管才可导通极管才可导通极管才可导通第35页，本讲稿共48页 例：下图中，已知例：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，为锗管，求输出端求输出端Y的电位并说明
20、的电位并说明二极管的二极管的作用。作用。DA 12VFABDBR解：解：DA优先导通，则优先导通，则VF=30.3=2.7VDA导通后导通后,DB因反偏而截止因反偏而截止,起隔离作用起隔离作用,DA起钳位作用起钳位作用,将将Y端的电位钳制在端的电位钳制在+2.7V。2.4.2 应用举例应用举例3.开关电路开关电路例例2.4.3（略）（略）规律：共阳极接法，电压低者先导通；规律：共阳极接法，电压低者先导通；共阴极接法，电压高者先导通。共阴极接法，电压高者先导通。4.低电压稳压电路（略）低电压稳压电路（略）第36页，本讲稿共48页2.5 特殊体二极管特殊体二极管 2.5.1 稳压二极管稳压二极管
21、2.5.2 变容二极管变容二极管 2.5.3 光电子器件光电子器件1.光电二极管光电二极管2.发光二极管发光二极管3.激光二极管激光二极管第37页，本讲稿共48页2.5.1 稳压二极管稳压二极管1.符号及稳压特性符号及稳压特性(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳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，反向电压应大于稳压电压。压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。第38页，本讲稿共48页(1)稳定电压稳定电压VZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作在规定的稳压管反向工作电流电流IZ下，所对应的反
22、向工下，所对应的反向工作电压。作电压。rZ=VZ/IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2.稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数2.5.1 稳压二极管稳压二极管第39页，本讲稿共48页 稳压二极管稳压二极管3 稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO=VZ#不加不加不加不加R R可以吗？可以吗？可以吗？可以吗？#上述电路上述电路上述电路上述电路V VI I为正弦波，且幅为正弦波，且幅为正弦波，且幅为正弦波，且幅值大于值大于值大于值大于
23、V VZ Z ，V VOO的波形是怎样的波形是怎样的波形是怎样的波形是怎样的？的？的？的？（1 1）.设电源电压波动设电源电压波动设电源电压波动设电源电压波动(负载不变负载不变负载不变负载不变)UUOUZ IZUOUR IR（2 2）.设负载变化设负载变化设负载变化设负载变化(电源不变电源不变电源不变电源不变)略略略略第40页，本讲稿共48页例：稳压二极管的应用例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值U UZWZW=10V=10V，I Izmaxzmax=12mA=12mA，I Izminzmin=2mA=2mA，负载电阻，负
24、载电阻R RL L=2k=2k，输入电压，输入电压u ui i=12V=12V，限，限流电阻流电阻R=200 R=200 。若若负载电阻负载电阻变化范围为变化范围为1.5 1.5 k k -4 -4 k k ，是否还，是否还能稳压？能稳压？第41页，本讲稿共48页RLuiuORDZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mA Izmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5 k ,iL=10/1.5=6.
25、7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k ,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化负载变化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之间之间,所以稳压管仍能起所以稳压管仍能起稳压作用稳压作用第42页，本讲稿共48页本章结束第43页，本讲稿共48页第二章习题解答第二章习题解答2.1.1 在在室室温温（300K）情情况况下下，若若二二极极管管的的反反向向饱饱和和电电流流为为1nA，问问它它正正向向电电流流为为0.5mA时时应应加加多多大大的的电电压压。设设二二极管的指数模型为。极管的指数模型为。解解所以所以 第44页，本讲稿共48页 D D2 2导通
26、，导通，D D1 1截止截止 2.4.3 二极管电路如图题二极管电路如图题2.4.3所示所示,试判断图中的二极管是导试判断图中的二极管是导通还是截止通还是截止,并求出并求出AO两端电压两端电压VAO.。设二极管是理想的。设二极管是理想的。解：解：导导 通通 截截 止止 D D1 1导通，导通，D D2 2截止截止第45页，本讲稿共48页2.4.6电路如图题电路如图题2.4.6所示，设所示，设vi=6Sint，试绘出输出电压，试绘出输出电压vo的的波波形形。设设D为为硅硅二二极极管管，使使用用恒恒压压降降（0.7V）模模型型和和折折线模型线模型(Vth=0.6V，rD=40)进行分析进行分析。v
27、i0tDRvivo解解(1)恒压降模型：恒压降模型：vi=6Sint0.7VDRuiuo0vOt-6V0.7V第46页，本讲稿共48页0vOt0.86V-6Vvi 0.6v D导通导通 参考：参考：p49例例2.4.2（2）折线模型：）折线模型：分析：分析：vi 0.6v D截止截止 vo=vivi0t0.6VDRvivo40图（图（2）第47页，本讲稿共48页DZ3Kvivo2.5.1 电路如图题电路如图题2.5.1所示，稳压管所示，稳压管DZ的稳定电压的稳定电压VZ=8V，限，限流电阻流电阻R=3k，设，设vi=15sint V，试画出，试画出Vo的波形。的波形。解：解：VZ=8V R=3K vi=15Sin(t)vi0t理想模型分析理想模型分析 vi 0时时Dz反偏反偏vi 8v截止截止vi 0时时Dz反偏反偏vi8v稳压稳压vi0时时Dz正偏导通正偏导通vo=08Vvot第48页，本讲稿共48页