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1、1华中科技大学 张林 ch033.1 半导体的基本知识3.2 PN 结的形成及特性3.3 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 二极管及其基本电路2华中科技大学 张林 ch033.1.1 本征半导体3.1.2 杂质半导体3.1 半导体的基本知识3华中科技大学 张林 ch033.1 半导体的基本知识4华中科技大学 张林 ch031.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。本征半导体是一种完全纯净、结构完整的半导体晶体。3.1 半导体的基本知识5华中科技大学 张林 ch032.半
2、导体的晶体结构硅原子结构简化模型硅的二维晶格结构 在室温（300K）下，当被束缚的价电子获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键束缚成为自由电子时（本征激发），半导体便具备了一定的导电能力。3.1 半导体的基本知识6华中科技大学 张林 ch033.本征半导体的导电性 但与良导体相比，本征硅晶体内自由电子数量较少，因而其导电性能远不及导体。3.1 半导体的基本知识 在室温（300K）下，当被束缚的价电子获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键束缚成为自由电子时（本征激发），半导体便具备了一定的导电能力。7华中科技大学 张林 ch033.本征半导体的导电性3.1 半导体的基本知识 空穴就是价电子挣脱束缚成
3、为自由电子后，共价键中留下的空位。因为空穴表示共价键中失去了一个带负电荷的电子，所以认为其带有与电子电荷等量的正电荷。空穴8华中科技大学 张林 ch033.本征半导体的导电性3.1 半导体的基本知识空穴的移动 空穴的移动实际上反映了受束缚的价电子的移动，只是移动方向与价电子移动方向相反。可以用空穴移动产生的电流来代表价电子移动产生的电流。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。9华中科技大学 张林 ch033.本征半导体的导电性3.1 半导体的基本知识载流子的产生与复合 载流子可以自由移动的带电粒子 本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的。自由电子和空穴都是载流子 自由电子与空穴相遇时
4、，两者同时消失，称为自由电子与空穴的复合。外部环境不变的情况下，载流子的产生与复合达到动态平衡。10华中科技大学 张林 ch033.本征半导体的导电性3.1 半导体的基本知识载流子的产生与复合 当温度升高时，将产生更多的自由电子和空穴，意味着载流子的浓度升高，晶体的导电能力也会增强。即本征半导体的电导率将随温度的升高而增加。11华中科技大学 张林 ch033.1 半导体的基本知识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
5、三价杂质元素（如硼）的半导体。12华中科技大学 张林 ch03P型半导体 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。3.1 半导体的基本知识4.杂质半导体13华中科技大学 张林 ch03N型半导体3.1 半导体的基本知识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
6、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。14华中科技大学 张林 ch03 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，以下是一组典型数据:T=300 K 室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 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106/cm3 2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm33.1 半导体的基本知识4.杂质半导体15华中科技大学 张林 ch033.1 半导体的基本知识3.2 PN 结的形成及特性3.3 二极管3.
7、4 二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管3 二极管及其基本电路16华中科技大学 张林 ch033.2.1 PN 结的形成3.2.2 PN 结的单向导电性3.2.3 PN 结的反向击穿3.2.4 PN 结的电容效应3.2 PN 结的形成及特性17华中科技大学 张林 ch031.载流子的漂移与扩散3.2.1 PN 结的形成漂移运动：在电场作用下引起的载流子运动扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子运动18华中科技大学 张林 ch032.PN 结的形成3.2.1 PN 结的形成 多数载流子的 扩散 少数载流子的漂移 空间电荷区也称为耗尽层、势垒区。19华中科技大学 张林 ch033.2.1 P
8、N 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20华中科技大学 张林 ch033.2.1 PN 结的形成3.2.2 PN 结的单向导电性3.2.3 PN 结的反向击穿3.2.4 PN 结的电容效应3.2 PN 结的形成及特性21华中科技大学 张林 ch031.外加正向电压3.2.2 PN 结的单向导电性 当外加电压使PN 结中P 区的电位高于
9、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。外加正向电压削弱了内电场的作用，PN 结电阻减小有利于多数载流子的扩散运动回路中产生由多数载流子形成的扩散电流，称为正向电流 低电阻大的正向扩散电流22华中科技大学 张林 ch031.外加正向电压3.2.2 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。外加正向电压 低电阻大的正向扩散电流23华中科技大学 张林 ch032.外加反向电压3.2.2 PN 结的单向导电性外加反向电压增强了内电场的作用，PN 结电阻增大阻止多子扩散，有利于少子漂移
10、回路中产生由少数载流子形成的漂移电流，称为反向电流 高电阻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，这个电流也称为反向饱和电流。24华中科技大学 张林 ch032.外加反向电压3.2.2 PN 结的单向导电性外加反向电压 高电阻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，这个电流也称为反向饱和电流。25华中科技大学 张林 ch033.2.2 PN 结的单向导电性 PN 结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向
11、扩散电流。PN 结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN 结具有单向导电性。26华中科技大学 张林 ch033.PN 结的IV 特性 3.2.2 PN 结的单向导电性其中PN 结单向导电性的IV 特性曲线IS 反向饱和电流VT 温度电压当量且在常温下（T=300K）27华中科技大学 张林 ch033.2.1 PN 结的形成3.2.2 PN 结的单向导电性3.2.3 PN 结的反向击穿3.2.4 PN 结的电容效应3.2 PN 结的形成及特性28华中科技大学 张林 ch033.2.3 PN 结的反向击穿 当PN 结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加
12、，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆电击穿可逆29华中科技大学 张林 ch033.2.3 PN 结的反向击穿反向电压增大到一定程度载流子的倍增效应电场足够强漂移运动的少子获得足够的动能撞击出更多的自由电子-空穴对新的自由电子-空穴对继续撞击出更多的自由电子-空穴对雪崩击穿30华中科技大学 张林 ch033.2.3 PN 结的反向击穿反向电压增大到一定程度电场足够强破坏共价键的束缚，分离出电子，产生大量的自由电子-空穴对形成较大的反向电流齐纳击穿31华中科技大学 张林 ch033.2.1 PN 结的形成3.2.2 PN 结的单向导电性3.2.3 PN 结的反向击穿3.2.4 PN 结的电容
13、效应3.2 PN 结的形成及特性32华中科技大学 张林 ch033.2.4 PN 结的电容效应扩散电容外加电压变化扩散到对方区域在靠近PN 结附近累积的载流子浓度发生变化等效于电容充放电33华中科技大学 张林 ch033.2.4 PN 结的电容效应势垒电容外加电压变化 离子层厚薄变化 等效于电容充放电34华中科技大学 张林 ch033.1 半导体的基本知识3.2 PN 结的形成及特性3.3 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 二极管及其基本电路35华中科技大学 张林 ch033.3 二极管结构示意图符号结构36华中科技大学 张林 ch033.3 二极管(1)点接触型二
14、极管(a)点接触型 二极管的结构示意图 PN 结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。结构37华中科技大学 张林 ch03(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(c)集成电路中的平面型3.3 二极管结构38华中科技大学 张林 ch03I-V 特性 硅二极管2CP10 锗二极管2AP15 正向特性 反向特性 反向击穿特性Vth 门坎电压VBR 反向击穿电压3.3 二极管39华中科技大学 张林 ch03(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR(3)反向电流IR(4)极间电容Cd(5)反向恢复时间TRR3.3 二极管主要参数40华中科技大学 张林 c
15、h033.1 半导体的基本知识3.2 PN 结的形成及特性3.3 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 二极管及其基本电路41华中科技大学 张林 ch033.4.1 简单二极管电路的图解分析法3.4.2 二极管电路的简化模型分析法3.4 二极管基本电路及其分析方法42华中科技大学 张林 ch033.4.1 简单二极管电路的图解分析法例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
16、路的工作点43华中科技大学 张林 ch03vs=Vmsin t 时（VmVDD，小信号）Q 点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。+vs-例3.4.1 加入小信号激励源后，求二极管电压、电流的变化。3.4.1 简单二极管电路的图解分析法44华中科技大学 张林 ch033.4.1 简单二极管电路的图解分析法3.4.2 二极管电路的简化模型分析法3.4 二极管基本电路及其分析方法45华中科技大学 张林 ch031.二极管模型理想模型 将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。I-V 特性代表符号正向偏置时的电路模型反向偏置时的电路模型3.4.2 二极管电路的简化模型分析法46华中科技大学
17、张林 ch03恒压降模型 折线模型（a）I-V 特性（b）电路模型（a）I-V 特性（b）电路模型 1.二极管模型3.4.2 二极管电路的简化模型分析法47华中科技大学 张林 ch03 二极管上的电压（或二极管中电流）仅在一较小范围内发生变化时所建立的模型称为小信号模型 将二极管IV 特性近似为以Q 点为切点的一条直线，其斜率的倒数就是小信号模型的微变电阻rd 1.二极管模型3.4.2 二极管电路的简化模型分析法小信号模型48华中科技大学 张林 ch031.二极管模型Q 点切线的斜率（电导）：由且满足vD VT=26mV得（常温下，T=300K）Q 点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。小信
18、号模型49华中科技大学 张林 ch03 特别注意：小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q 有关。该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vDVT。1.二极管模型小信号模型50华中科技大学 张林 ch03符号中大小写的含义：大写字母大写下标：静态值（直流），如，IB（参见“本书常用符号表”）小写字母大写下标：总量（直流+交流），如，iB小写字母小写下标：瞬时值（交流），如，ib3.4.2 二极管电路的简化模型分析法51华中科技大学 张林 ch03o 整流电路o 限幅电路o 钳位电路o 开关电路o 小信号工作情况分析2.模型分析法应用举例3.4.2 二极管电路的简化模型分析法52华中科技大学 张林
19、 ch032.模型分析法应用举例半波整流 二极管采用理想模型时，负载上的平均电压 0.45Vs 二极管中的整流电流二极管承受的最大反向电压53华中科技大学 张林 ch03采用恒压降模型时2.模型分析法应用举例半波整流54华中科技大学 张林 ch032.模型分析法应用举例桥式整流55华中科技大学 张林 ch03 二极管采用理想模型时，负载上的平均电压 0.9Vs 二极管中的整流电流二极管承受的最大反向电压2.模型分析法应用举例桥式整流56华中科技大学 张林 ch03理想模型结果 恒压降模型结果理想模型 恒压降模型限幅电路57华中科技大学 张林 ch03钳位电路二极管用理想模型，电路处于稳态时58
20、华中科技大学 张林 ch03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。开关电路59华中科技大学 张林 ch03 例 二极管开关电路如图3.4.6所示。利用二极管理想模型求解：当vI1和vI2为0V 或5V 时，求vI1和vI2电压的不同组合情况下，输出电压vO的值。vI1/V vI2/V二极管工作状态vO/VD1D200550505导通导通截止截止导通截止导通截止0005开关电路6
21、0华中科技大学 张林 ch03例：求图中输出电压。设 VDD=5V,R=5k,VD=0.7V,vs=0.1sin wt V.解:(1)直流分析,令 vs=0,则(2)交流分析,令 VDD=0,则小信号等效电路有因为小信号工作情况分析61华中科技大学 张林 ch03vO=VO+vo=4.3+0.0994sin wt V 解:小信号工作情况分析例：求图中输出电压。设 VDD=5V,R=5k,VD=0.7V,vs=0.1sin wt V.62华中科技大学 张林 ch033.1 半导体的基本知识3.2 PN 结的形成及特性3.3 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 二极管及其
22、基本电路63华中科技大学 张林 ch033.5.1 齐纳二极管3.5.2 变容二极管3.5.3 肖特基二极管3.5.4 光电器件3.5 特殊二极管64华中科技大学 张林 ch03电路符号IV 特性反向击穿时的模型 利用二极管反向击穿特性实现稳压。齐纳二极管稳压时工作在反向电击穿状态。3.5.1 齐纳二极管65华中科技大学 张林 ch03稳压应用电路3.5.1 齐纳二极管正常稳压时 VO=VZ#稳压条件是什么？#当VI变化或RL变化时，为什么VO能保持基本不变？#选择DZ的依据是什么？如何确定限流电阻R的阻值？66华中科技大学 张林 ch033.5.2 变容二极管 结电容随反向电压显著变化的二极
23、管电路符号 结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）67华中科技大学 张林 ch033.5.3 肖特基二极管电路符号 正向IV 特性68华中科技大学 张林 ch031.光电二极管3.5.4 光电器件电路符号 电路模型 特性曲线 将光转换为电的二极管，工作在反向偏置状态下，其反向电流随光照强度（简称照度）变化。69华中科技大学 张林 ch032.发光二极管电路符号光电传输系统 将电转换为光的二极管，通过一定正向电流时会发光。3.5.4 光电器件70华中科技大学 张林 ch033.激光二极管电路符号物理结构示意图3.5.4 光电器件71华中科技大学 张林 ch034.太阳能电池3.5.4 光电器件end