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1、模拟电子技术 半导体二极管极其(jq)基本电路第一页，共55页。(1-(1-2 2)第二章 半导体二极管及其基本(jbn)电路 2.1 半导体（semiconductor）的基本(jbn)知识 2.2 PN结的形成及特性 2.3 半导体二极管（diode）2.4 二极管基本(jbn)电路及分析方法2.5 特殊二极管第1页/共55页第二页，共55页。(1-(1-3 3)2.1.1 导体(dot)、半导体(dot)和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为(chn wi)导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮(xingp)、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导
2、电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗Ge、硅Si、砷化镓GaAs和一些硫化物、氧化物等。2.1 半导体的基本知识第2页/共55页第三页，共55页。(1-(1-4 4)半导体的导电(dodin)机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：当受外界(wiji)热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。往纯净(chnjng)的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。第3页/共55页第四页，共55页。(1-(1-5 5)共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去(ch q)价电子后的离子2.1.2 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构(jigu)(jigu)
3、第4页/共55页第五页，共55页。(1-(1-6 6)一、本征半导体的结构(jigu)特点GeSi现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们(t men)的最外层电子（价电子）都是四个。2.1.32.1.3 本征半导体本征半导体第5页/共55页第六页，共55页。(1-(1-7 7)本征半导体：完全纯净(chnjng)的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体(zhn s min t)的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：第6页/共55页第七页，共55页。(1-(1-8
4、 8)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离(tul)共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层(wi cn)电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成(xngchng)晶体。+4+4+4+4第7页/共55页第八页，共55页。(1-(1-9 9)在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以(ky)运动的带电粒子，即载流子（carrier），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量
5、而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位(kn wi)，称为空穴（hole）。1.载流子、自由电子(z yu din z)和空穴二、本征半导体的导电机理 二、本征半导体的导电机理第8页/共55页第九页，共55页。(1-(1-10 10)+4+4+4+4自由电子(z yu din z)空穴(kn xu)束缚电子第9页/共55页第十页，共55页。(1-(1-1 1 1 1)2.本征半导体的导电(dodin)机理+4+4+4+4在其它力的作用(zuyng)下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中
6、存在(cnzi)数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。第10页/共55页第十一页，共55页。(1-(1-12 12)温度(wnd)越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度(wnd)是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电(dodin)能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流(dinli)由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流(dinli)。2.空穴移动产生的电流(dinli)。第11页/共55页第十二页，共55页。(1-(1-13 13)在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著(xinzh)变化。其原因是掺杂半导
7、体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质(zzh)半导体，也称为（空穴半导体）。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为(chn wi)（电子半导体）。2.1.42.1.4 杂质半导体杂质半导体第12页/共55页第十三页，共55页。(1-(1-14 14)在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚(shf)，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。一
8、、一、N N 型半导体型半导体第13页/共55页第十四页，共55页。(1-(1-15 15)+4+4+5+4多余(duy)电子磷原子(yunz)N 型半导体中的载流子是什么(shn me)？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。第14页/共55页第十五页，共55页。(1-(1-16 16)在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子
9、形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴(kn xu)硼原子(yunz)P 型半导体中空穴(kn xu)是多子，电子是少子。二、二、P P 型半导体 型半导体第15页/共55页第十六页，共55页。(1-(1-17 17)P 型半导体+N 型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量(shling)的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。三、杂质 三、杂质(zzh)(zzh)半导体的示意表示法 半导体的示意表示法第16页/共55页第十七页，共55
10、页。(1-(1-18 18)本征半导体、杂质(zzh)半导体 自由电子(z yu din z)、空穴 N型半导体、P型半导体 多数(dush)载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质本节中的有关概念第17页/共55页第十八页，共55页。(1-(1-19 19)1.PN 结的形成(xngchng)在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散(kusn)，在它们的交界面处就形成了PN 结。2.2 PN结及半导体二极管第18页/共55页第十九页，共55页。(1-(1-20 20)P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果(ji gu)是使空间电荷区逐渐加宽，
11、空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移(pio y)运动越强，而漂移(pio y)使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。第19页/共55页第二十页，共55页。(1-(1-21 21)漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对(y du)相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。第20页/共55页第二十一页，共55页。(1-(1-22 22)1.空间电荷区中没有(mi yu)载流子。注意(zh y):2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子(dinz)（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P 区中的电子和 N区中的空穴
12、（都是少子）数量有限，因此由它们形成的电流很小。第21页/共55页第二十二页，共55页。(1-(1-23 23)PN 结加上正向电压、正向偏置(pin zh)（forward bias）的意思都是：P 区加正、N 区加负电压。PN 结加上反向电压(diny)、反向偏置（reverse bias）的意思都是：P 区加负、N 区加正电压(diny)。2.PN2.PN结结的的单单向向(dn xin)(dn xin)导电导电性性第22页/共55页第二十三页，共55页。(1-(1-24 24)+RE内电场外电场变薄PN+_内电场(din chng)被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。（1 1）
13、、）、PN PN 结正向 结正向(zhn xin)(zhn xin)偏置 偏置第23页/共55页第二十四页，共55页。(1-(1-25 25)+内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强(jiqing)，多子的扩散受抑制。少子漂移加强(jiqing)，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。R E（22）、）、PN PN 结反向结反向(fn xin)(fn xin)偏置偏置第24页/共55页第二十五页，共55页。(1-(1-26 26)其中(qzhng)PN结的伏安特性IS 反向(fn xin)饱和电流VT 温度的电压(diny)当量且在常温下（T=300K）(3)PN(3)PN结 结V-I V-
14、I 特性表达式 特性表达式第25页/共55页第二十六页，共55页。(1-(1-27 27)当PN结的反向(fn xin)电压增加到一定数值时，反向(fn xin)电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向(fn xin)击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆3.PN结的反向(fn xin)击穿第26页/共55页第二十七页，共55页。(1-(1-28 28)在PN结上加上引线(ynxin)和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频(bin pn)等高频电路。(a)点接触型 二极管的结构示意图2
15、.3 2.3 半导体二极管半导体二极管2.3.1 2.3.1 基本基本(jbn)(jbn)结构结构第27页/共55页第二十八页，共55页。(1-(1-29 29)(3)平面(pngmin)型二极管 往往用于集成电路制造(zhzo)艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触(jich)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)平面型(4)二极管的代表符号P N阳极 阴极第28页/共55页第二十九页，共55页。(1-(1-30 30)UI死区电压(diny)硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向(fn x
16、in)击穿电压VBR二极管的伏安特性(txng)曲线可用下式表示2.3.2 2.3.2 伏安特性 伏安特性第29页/共55页第三十页，共55页。(1-(1-31 31)1.最大整流(zhngli)电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向(zhn xin)平均电流。2.反向击穿(j chun)电压VBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VWRM一般是VBR的一半。2.3.3 2.3.3 主要参数 主要参数第30页/共55页第三十一页，共55页。(1-(1-32 32)3.反向(fn xin)电流 IR
17、指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此(ync)反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、箝位等等。下面(xi mian)介绍两个交流参数。第31页/共55页第三十二页，共55页。(1-(1-33 33)4.微变电阻(dinz)rDiDuDIDUDQiDuDrD 是二极管特性曲线(qxin)上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近(fjn)的微小变化区域内的电阻。第3
18、2页/共55页第三十三页，共55页。(1-(1-34 34)5.二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分(b fen)组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样(zhyng)所表现出的电容是势垒电容。扩散(kusn)电容：为了形成正向电流（扩散(kusn)电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散(kusn)电容CD。P+-N第33页/共55页第三十四页，共55页。(
19、1-(1-35 35)由于CB和CD一般都很小（结面积小的为1pF左右(zuyu)，结面积大的为几十至几百pF），对于低频信号呈现出较大的容抗，其作用可忽略不计，因而只有在信号的频率较高时才考虑结电容的作用。PN 结高频(o pn)小信号时的等效电路：势垒电容(dinrng)和扩散电容(dinrng)的综合效应rd第34页/共55页第三十五页，共55页。(1-(1-36 36)半导体二极管图片(tpin)第35页/共55页第三十六页，共55页。(1-(1-37 37)第36页/共55页第三十七页，共55页。(1-(1-38 38)2.4.1 二极管V-I 特性(txng)的建模2.4 二极管基
20、本(jbn)电路极其分析方法1.理想(lxing)模型iDvD0iDvD=0V2.恒压降模型iDvD0iDvD=0.7V3.折线模型iDvD0iDvDr D误差最大应用最普遍误差最小第37页/共55页第三十八页，共55页。(1-(1-39 39)4.小信号(xnho)模型 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(dn xio)成一个微变电阻。即 根据得Q点处的微变电导(din do)则常温下（T=300K）iDvD0iDvDrd第38页/共55页第三十九页，共55页。(1-(1-40 40)2.4.2 应用(yngyng)举例 例1.二极管的静态工作情况(qngkung)分析
21、理想(lxing)模型（1）R=10k，VDD=10V 时恒压模型（硅二极管典型值）习惯画法第39页/共55页第四十页，共55页。(1-(1-41 41)折线(zhxin)模型（硅二极管典型值）设（2）VDD=1V 时（自看）r D第40页/共55页第四十一页，共55页。(1-(1-42 42)2.限幅电路(dinl)例2 求（1）vI=0V,4V,6V时输出电压的值；（2）当 时，画出vO的波形。解:(1)考虑输入电压不高，故采用(ciyng)折线模型来分析3V第41页/共55页第四十二页，共55页。(1-(1-43 43)第42页/共55页第四十三页，共55页。(1-(1-44 44)RL
22、vivovivott例3：二极管半波整流第43页/共55页第四十四页，共55页。(1-(1-45 45)vovivi/Vvott电路(dinl)及输入电压的波形如图所示，画出输出电压的波性。解：当vi+10V时，VD1正偏短路(dunl)，VD2反偏开路，vo=+10V当vi-10V时，VD1反偏开路(kil)，VD2正偏短路，vo=-10V当-10Vvi+10V时，VD1、VD2均反偏开路，vo=vi例4第44页/共55页第四十五页，共55页。(1-(1-46 46)3.开关电路在数字电路里已经(y jing)讲过，不再细说 4.低压稳压(wn y)电路（箝位）利用二极管正向压降基本恒定的特
23、点，在输入信号较低时，可以稳定输出(shch)电压。几只二极管串联可以获得34V的输出(shch)电压。总结：二极管常用功能：整流、限幅、箝位、开关第45页/共55页第四十六页，共55页。(1-(1-47 47)2.5.1 稳压(wn y)二极管（齐纳二极管）VIIZIZmaxVZIZ稳压(wn y)误差曲线(qxin)越陡，电压越稳定。VZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。2.5 特殊二极管+第46页/共55页第四十七页，共55页。(1-(1-48 48)（4）稳定(wndng)电流IZ、最大、最小稳定(wndng)电流Izmax、Izmin。（5）最大允许(ynx)功耗稳压(wn y)二极
24、管的参数:（1）稳定电压 UZ（2）电压温度系数 U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻第47页/共55页第四十八页，共55页。(1-(1-49 49)求RL分别等于(dngy)30K、4K、3K 时，流过稳压管的电流IZIRVoIZDZRILVIRL解：1.当RL=30K 时2.当RL=4K 时例稳压(wn y)二极管的应用举例第48页/共55页第四十九页，共55页。(1-(1-50 50)3.当RL=3K 时此时，稳压管工作在临界击穿(j chun)状态，当RL继续减小时，稳压管就会离开击穿(j chun)区，不能实现稳压功能。为了保证稳压官能工作在击穿区，除管子两端加的反
25、向电压超过稳压管的击穿电压外，还必须使稳压管以一定(ydng)的工作电流IRVoIZDZRILVIRL第49页/共55页第五十页，共55页。(1-(1-51 51)负载电阻。要求(yoqi)当输入电压由正常值发生 20%波动时，负载电压基本不变。稳压(wn y)二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限(shngxin)时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。方程1第50页/共55页第五十一页，共55页。(1-(1-52 52)令输入电压(diny)降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。方程(fngchng)2uoi
26、ZDZRiLiuiRL联立方程(lin l fn chn)1、2，可解得：第51页/共55页第五十二页，共55页。(1-(1-53 53)2.5.2 光电二极管反向电流随光照强度的增加(zngji)而上升。IU照度增加第52页/共55页第五十三页，共55页。(1-(1-54 54)2.5.3 发光(f un)二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般(ybn)二极管类似。第53页/共55页第五十四页，共55页。(1-(1-55 55)电子(dinz)技术第二章 结束(jish)模拟(mn)电路部分第54页/共55页第五十五页，共55页。