3 二極管及其電路

1、13 二極管及其電路授課人：莊友誼授課人：莊友誼模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)23 3 二極管及其電路二極管及其電路3.1 半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識3.2 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性3.3 二極管二極管3.4 二極管基本電路及其分析方法二極管基本電路及其分析方法3.5 特殊二極管特殊二極管3導(dǎo)體：導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電自然界中很容易導(dǎo)電（10108 8101818m） ，稱為稱為絕緣體，絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。

2、如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。3.1 半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識 半導(dǎo)體半導(dǎo)體它具有不同于其它物質(zhì)的性質(zhì)。例如：它具有不同于其它物質(zhì)的性質(zhì)。例如：負溫度系數(shù)：負溫度系數(shù)：Cu：+0.4%/ Ge:2032, 下降一半下降一半 摻雜影響：導(dǎo)體：雜質(zhì)摻雜影響：導(dǎo)體：雜質(zhì) ， ； 半導(dǎo)體則相反半導(dǎo)體則相反3.1.1 半導(dǎo)體材料：半導(dǎo)體材料：光敏特性：光強光敏特性：光強 ， 4 現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。外層電子（價電子）都是四個。GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成通過一定的工藝

3、過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體晶體。3.1.2 半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)：慣性核慣性核價電子價電子5在硅和鍺晶體中，原子按四在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形每個原子與其相臨的原子之間形成成共價鍵共價鍵，共用一對價電子。，共用一對價電子。1、硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：3.1.3 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。6硅

4、和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。7 共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為為自由電子自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，因此本征半導(dǎo)

5、體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。82、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理在絕對在絕對0度（度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即子（即載流子載流子），它的導(dǎo)電能力為），它的導(dǎo)電能力為 0，相當于絕緣體。，相當于絕緣體。當溫度升高時，束縛電子就會獲得隨機熱振動能當溫度升高時，束縛電子就會獲得隨機熱振動能量而掙脫共價鍵的束縛，成為量而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子自由電子，同時共價鍵上，同時共價鍵上留下一個空位，

6、稱為留下一個空位，稱為空穴，空穴，這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱本征激發(fā)本征激發(fā)。（1 1）載流子、自由電子和空穴：）載流子、自由電子和空穴：9自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子+4+4+4+4+4+4+4+4+410(2)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理: : 在其它力的作在其它力的作用下，空穴吸引附用下，空穴吸引附近的電子來填補，近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當于這樣的結(jié)果相當于空穴的遷移，而空空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正穴的遷移相當于正電荷的移動，因此電荷的移動，因此可以認為空穴是載可以認為空穴是載流子。流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載

7、流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+411 溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部導(dǎo)電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：1. 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。自由電子移動產(chǎn)生的電流。2. 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流?？昭ㄒ苿赢a(chǎn)生的電流。復(fù)合：復(fù)合：空穴和自由電

8、子相遇而一起消失的現(xiàn)象?？昭ê妥杂呻娮酉嘤龆黄鹣У默F(xiàn)象。 在外電場的作用下，自由電子和空穴都會作定向移動在外電場的作用下，自由電子和空穴都會作定向移動本征半導(dǎo)體內(nèi)的動態(tài)平衡：本征半導(dǎo)體內(nèi)的動態(tài)平衡： 本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴 12半導(dǎo)體物理結(jié)果：半導(dǎo)體物理結(jié)果： n=p=AT3/2exp（-Eg/2KT） Eg禁帶寬度（禁帶寬度（Ge：0.68ev，Si：1.1ev） K玻耳茲曼常數(shù)（玻耳茲曼常數(shù)（1.38*10-23J/K） A是常數(shù)（是常數(shù)（Si：4.28*1025 個個/cm3）T=300K，Si：n=p=1.4*1010個個/cm3 Ge: n=p=

9、2.5*1013個個/cm3，而且隨溫度變化快。，而且隨溫度變化快。133.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。種載流子濃度大大增加。P 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。（空穴半導(dǎo)體）。N 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。（電子半導(dǎo)體）。1

10、4一、一、N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體: :在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素（如：磷在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素（如：磷或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，或銻），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為給出一

11、個電子，稱為施主原子施主原子。多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導(dǎo)體中有型半導(dǎo)體中有哪些載流子？哪些載流子？1.1.由施主原子提供的由施主原子提供的電子，濃度與施主原電子，濃度與施主原子相同。子相同。2.2.本征半導(dǎo)體中成對本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。產(chǎn)生的電子和空穴。 摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以， N 型半導(dǎo)體中自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為型半導(dǎo)體中自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子多數(shù)載流子（多子多子），空穴稱為），空穴稱為少數(shù)載流子少數(shù)載流子（少子少子）。）。+4+4+4+5+4+4+4+4+

12、416例例 在在Si中摻中摻250萬分之一萬分之一P，硅硅=5*1022個個/CM3，求多、少子濃度。求多、少子濃度。解：解：Np=5*1022/2500000=2*1016 個個/CM3 nNp ni=1.4*1010 個個/CM3 p=ni2/n=1.28*104 個個/CM3 因此，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子濃度遠大于雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子濃度遠大于少數(shù)載流子，也遠大于本征激發(fā)的載流子濃度。少數(shù)載流子，也遠大于本征激發(fā)的載流子濃度。二、二、P 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：硼原子硼原子P 型半導(dǎo)體中空穴是型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。多子，電子是少子。在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如

13、硼（或銦），在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以由于硼原子接受電子，所以稱為稱為受主原子受主原子?？昭昭?4+4+4+3+4+4+4+4+418三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P

14、 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 雜質(zhì)雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。193.2.1 載流子的漂移和擴散載流子的漂移和擴散3.2 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性3.2.2 PN結(jié)的形成結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了就形成了PN 結(jié)。結(jié)。擴散

15、：擴散：由于載流子的濃度差異和隨機熱運動，導(dǎo)致載由于載流子的濃度差異和隨機熱運動，導(dǎo)致載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的運動。流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的運動。漂移：漂移：由于電場的作用導(dǎo)致載流子的運動。由于電場的作用導(dǎo)致載流子的運動。20P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E漂移運動漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。也稱耗盡層。漂移運動漂移運動P型

16、半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。度固定不變。+空間空間電荷電荷區(qū)區(qū)N型區(qū)型區(qū)P型區(qū)型區(qū)電位電位VV024 濃度差濃度差 多子的擴散運動多子的擴散運動由由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場動態(tài)平衡動態(tài)平衡 內(nèi)電場內(nèi)電場促使促使少子少子漂移漂移內(nèi)電場內(nèi)電場阻止阻止多子多子擴散擴散PN結(jié)形成的物理過程結(jié)形成的物理過程:形成形成PN結(jié)

17、結(jié)251.1.空間電荷區(qū)中沒有載流子?？臻g電荷區(qū)中沒有載流子。2. 2. 空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P區(qū)中的空穴、區(qū)中的空穴、N區(qū)中的電子（區(qū)中的電子（都是多子都是多子）向?qū)Ψ竭\動）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動擴散運動）。）。3.3.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場促進了空間電荷區(qū)中內(nèi)電場促進了漂移運動漂移運動，但由，但由于于P 區(qū)中的電子和區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴數(shù)量有限，區(qū)中的空穴數(shù)量有限，因此由于它們的運動形成的電流很小。因此由于它們的運動形成的電流很小。注意注意: :263.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN 結(jié)結(jié)加上正向電壓加上正向電壓、正向偏置正向偏置的意思都是：的意思都是

18、： P 區(qū)加正、區(qū)加正、N 區(qū)加負電壓。區(qū)加負電壓。 PN 結(jié)結(jié)加上反向電壓加上反向電壓、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P區(qū)加負、區(qū)加負、N 區(qū)加正電壓。區(qū)加正電壓。PN 結(jié)的單向?qū)щ娦裕航Y(jié)的單向?qū)щ娦裕?PN 結(jié)加正向電壓導(dǎo)通，結(jié)加正向電壓導(dǎo)通， PN 結(jié)加反向電壓截止結(jié)加反向電壓截止27PN結(jié)加正向電壓結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況時的導(dǎo)電情況一、一、PN 結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置: :28+RE內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場變薄變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。較大的擴散電流。因因此，加正向電壓，此，加正向電壓，PN結(jié)導(dǎo)通。結(jié)

19、導(dǎo)通。29PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況二、二、PN 結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置:30+內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場變厚變厚NP+_內(nèi)電場被加強，多子的擴散內(nèi)電場被加強，多子的擴散受抑制、少子漂移加強，但受抑制、少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。小的反向電流。因此，加反因此，加反向電壓，向電壓，PN結(jié)截止。結(jié)截止。RE31三、三、PN 結(jié)的伏安特性：結(jié)的伏安特性：VBRVDIDIR= -IS死 區(qū) 電 壓死 區(qū) 電 壓 硅管硅管0.6V, ,鍺管鍺管0.2V導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降: : 硅硅管管0.60.7V, ,鍺鍺管管0.20.3V根據(jù)理論分析，根據(jù)理論分析，PN

20、結(jié)的結(jié)的V-IV-I特性可表達為特性可表達為: :) 1(TDVVSDeII反向反向特性特性正向正向特性特性IS為反向飽和電流。對于分立器件，其典型值約在為反向飽和電流。對于分立器件，其典型值約在10-810-11A的范圍內(nèi)。集成電路中的的范圍內(nèi)。集成電路中的PN結(jié)，結(jié)，IS值則更小。值則更小。VT=kTq 稱為溫度的電壓當量，稱為溫度的電壓當量，其中：其中：k為波耳茲曼常數(shù)為波耳茲曼常數(shù) (1.38*10-23JK)T為熱力學溫度為熱力學溫度q為電子電荷為電子電荷(1.6*10-19 C)常溫下常溫下VT0.026V擊穿擊穿特性特性323.2.4 PN結(jié)的擊穿：結(jié)的擊穿： 當當PN結(jié)兩端的反

21、向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流突結(jié)兩端的反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流突然增加然增加, ,這個現(xiàn)象就稱為這個現(xiàn)象就稱為PN結(jié)的結(jié)的反向擊穿反向擊穿( (電擊穿電擊穿) )。 PN結(jié)電擊穿從產(chǎn)生原因上可分為兩種結(jié)電擊穿從產(chǎn)生原因上可分為兩種: :雪崩擊穿雪崩擊穿和和齊納擊穿齊納擊穿雪崩擊穿雪崩擊穿：當當PN結(jié)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)中的電場隨結(jié)反向電壓增加時，空間電荷區(qū)中的電場隨著增強。通過空間電荷區(qū)的電子和空穴，在電場作用下獲得的著增強。通過空間電荷區(qū)的電子和空穴，在電場作用下獲得的能量增大，在運動中不斷地與晶體原子發(fā)生碰撞，使共價鍵中能量增大，在運動中不斷地與晶體原子發(fā)生碰撞，使共價

22、鍵中的電子激發(fā)形成自由電子的電子激發(fā)形成自由電子空穴對，新產(chǎn)生的電子和空穴與原空穴對，新產(chǎn)生的電子和空穴與原有的電子和空穴一樣，在電場作用下，獲得能量，又可通過碰有的電子和空穴一樣，在電場作用下，獲得能量，又可通過碰撞，再產(chǎn)生電子撞，再產(chǎn)生電子空穴對，如此反復(fù)空穴對，如此反復(fù), ,使反向電流急劇增大，使反向電流急劇增大，于是于是PN結(jié)就發(fā)生雪崩擊穿。結(jié)就發(fā)生雪崩擊穿。 齊納擊穿：齊納擊穿：在加有較高的反向電壓下，在加有較高的反向電壓下，PN結(jié)空間電荷區(qū)中存結(jié)空間電荷區(qū)中存在一個強電場，它能夠破壞共價鍵將束縛電子分離出來造成在一個強電場，它能夠破壞共價鍵將束縛電子分離出來造成電子電子空穴對，形成

23、較大的反向電流。空穴對，形成較大的反向電流。 333.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng)：結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，由兩部分組成：一是結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，由兩部分組成：一是勢壘電容勢壘電容CB ，二是，二是擴散電容擴散電容CD 。一、一、 勢壘電容勢壘電容CB 勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當外加外加反向電壓反向電壓使使PNPN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當應(yīng)地隨之改變，這相當PNPN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。猶如電容的充

24、放電。二、二、 擴散電容擴散電容CD 擴散電容是由多子擴散后，在擴散電容是由多子擴散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因而形成的。因PN結(jié)正偏結(jié)正偏時，由時，由N區(qū)擴散到區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴散過來的外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。濃度梯度分布曲線。34 當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積

25、的多子的濃度梯度結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和分布也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。擴散電容均是非線性電容。P+-N35 CB在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，在正向和反向偏置時均不能忽略。而反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，擴散電容可忽略。由于載流子數(shù)目很少，擴散電容可忽略。PN結(jié)高頻小信號時的等效電路：結(jié)高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散勢壘電容和擴散電容的綜合效應(yīng)電容的綜合效應(yīng)rd363.3.1 二極管的結(jié)構(gòu)二極管的結(jié)構(gòu): :PN 結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體

26、二極管。引線引線外殼線外殼線觸絲線觸絲線基片基片點接觸型點接觸型PN結(jié)結(jié)面接觸型面接觸型二極管的電路符號：二極管的電路符號： 3. 3 二極管二極管PN陽極陽極陰極陰極37(a)點接觸型 (b)面接觸型 (c)平面型38國家標準對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：國家標準對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：點接觸型：點接觸型： PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等 高頻電路。高頻電路。面接觸型：面接觸型： PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。平面型：平面型：往往用于集成電路制造工藝中。往往用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可

27、大結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中?？尚。糜诟哳l整流和開關(guān)電路中。3940 3.3.2 二極管的二極管的V-I 特性特性:VDID反向反向特性特性正向正向特性特性擊穿擊穿特性特性VDID硅管硅管鍺管鍺管門坎電壓門坎電壓Vth：硅管約：硅管約0.5V，鍺管約，鍺管約0.1V。正向?qū)▔航担汗韫芗s正向?qū)▔航担汗韫芗s0.7V，鍺管約，鍺管約0.2V。413.3.3 主要參數(shù)主要參數(shù): :1. 最大整流電流最大整流電流 IFM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 反向峰值電壓反向峰值電壓URM 二極管反向擊穿時的電壓值

28、。擊穿時反向電流劇增，二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向峰值電壓給出的最高反向峰值電壓URM一般是一般是UBR的一半。的一半。3. 反向電流反向電流 IR 指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反

29、向電流要比硅管大幾十到幾百倍。電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。425. 微變電阻微變電阻 r rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二極管特性曲線上工作點是二極管特性曲線上工作點Q 附附近電壓的變化與電流的變化之比：近電壓的變化與電流的變化之比：DDDiur顯然，顯然，rD是對是對Q附近的微小變化區(qū)附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。域內(nèi)的電阻。4. 反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間T TBR與最高工作頻率與最高工作頻率f fM 由于二極管由于二極管PN結(jié)電容效應(yīng)的存在，外加電壓極性翻結(jié)電容效應(yīng)的存在，外加電壓極性翻轉(zhuǎn)，管子的狀態(tài)不能馬上發(fā)生改變，而要有一個時間延轉(zhuǎn)，管子的狀態(tài)不能馬上發(fā)生

30、改變，而要有一個時間延遲，稱為二極管的反向恢復(fù)時間。而管子具有單向?qū)щ娺t，稱為二極管的反向恢復(fù)時間。而管子具有單向?qū)щ娦缘淖罡咝盘柕念l率，稱為最高工作頻率。性的最高信號的頻率，稱為最高工作頻率。43 3. 4 二極管的基本電路及其分析方法二極管的基本電路及其分析方法3.4.1 簡單簡單二極管電路的圖解分析法：二極管電路的圖解分析法：iDvDIDVDQRDVDDiD+vD-VDDVDD /RRvViDDDD=由由KVL方程得：方程得： vD-iD既要滿足此方程，又要滿足二極管的特性曲線的要求，既要滿足此方程，又要滿足二極管的特性曲線的要求，故在兩者的交點上。故在兩者的交點上。443.4.2 二極

31、管電路的簡化模型分析法：二極管電路的簡化模型分析法： 線性化：用線性電路的方法來處理，將非線性器件用恰線性化：用線性電路的方法來處理，將非線性器件用恰當?shù)脑M行等效，建立相應(yīng)的模型。當?shù)脑M行等效，建立相應(yīng)的模型。（1）理想二極管模型：）理想二極管模型：相當于一個理想開關(guān)，正偏時二極相當于一個理想開關(guān)，正偏時二極管導(dǎo)通管壓降為管導(dǎo)通管壓降為0V，反偏時電阻無窮大，電流為零。，反偏時電阻無窮大，電流為零。一、一、二極管二極管V-I 特性建模：特性建模： 實際使用時，當所加電壓比實際使用時，當所加電壓比管壓降大時，可用此法近似管壓降大時，可用此法近似45 二極管導(dǎo)通后，其管壓降認為是恒定的，且

32、不隨電流而二極管導(dǎo)通后，其管壓降認為是恒定的，且不隨電流而變，典型值：硅管變，典型值：硅管0.7V,鍺管鍺管0.3V。 二極管的電流二極管的電流1mA,該該模型才正確模型才正確。 此模型應(yīng)用較廣。此模型應(yīng)用較廣。（2）理想二極管串聯(lián)恒壓降模型：）理想二極管串聯(lián)恒壓降模型：46 修正恒壓降模型，認為二極管的管壓降不是恒定的，修正恒壓降模型，認為二極管的管壓降不是恒定的，而隨二極管的電流增加而增加，模型中用一個電池和電阻而隨二極管的電流增加而增加，模型中用一個電池和電阻 rD來作進一步的近似，電池的電壓選為管子的門坎電壓來作進一步的近似，電池的電壓選為管子的門坎電壓Vth,硅管約為硅管約為0.5V

33、,鍺管約為鍺管約為0.2V.電阻電阻rD可用導(dǎo)通電流為可用導(dǎo)通電流為1mA時，時，管壓降（導(dǎo)通電壓管壓降（導(dǎo)通電壓)0.7V時計算。時計算。rD=(0.7-0.5)V/1mA=200（3）折線模型：）折線模型：由于二極管的分散性，由于二極管的分散性，Vth、rD的值不是固定的。的值不是固定的。47 如果二極管在它的如果二極管在它的V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作，特性的某一小范圍內(nèi)工作，例如靜態(tài)工作點例如靜態(tài)工作點Q（此時有（此時有uD=UD、iD=ID）附近工作，）附近工作，則可把則可把V-I特性看成一條直線，其斜率的倒數(shù)就是所求特性看成一條直線，其斜率的倒數(shù)就是所求的小信號模型的微變電阻的小信

34、號模型的微變電阻rd。（4）小信號模型：）小信號模型：DDDivr48DDdivr微變電阻的計算微變電阻的計算)()1(/點點上上在在QVIVieVIdvdigeIiTDTDVvTSDDdVvSDTDTD -rmAIQKTmAImVIVgrdDDDTdd132300261=)=()(=時，點上的例如，當當由此得11600TqkTVT=（1）測量計算）測量計算:（2）指數(shù)模型）指數(shù)模型:49RLuiuouiuott二、二、模型分析法應(yīng)用舉例：模型分析法應(yīng)用舉例：1 1、整流電路：、整流電路：半波整流半波整流50uiuott全波整流：全波整流：RLuiuoC例例1：求求VDD=10V時，二極時，二

35、極管的管的 電流電流ID、電壓、電壓VD 值。值。解：解：正向偏置時：正向偏置時： 管壓降為管壓降為0，電阻也為，電阻也為0。反向偏置時：反向偏置時： 電流為電流為0，電阻為，電阻為。mAKVVRVVIDDDD93. 0107 . 01020015 . 07 . 0mAVViVVrDthDDmAKKVVrRVVIDthDDD931. 02 . 0105 . 010VKmAVrIVVDDD69. 02 . 0931. 05 . 05 . 0VVD0mAKVRVIDDD11010當當iD1mA時，時， vD=0.7V。VVD7 . 02、靜態(tài)工作情況分析：、靜態(tài)工作情況分析：52例例: VDD=1

36、V,又如何又如何?解解: 理想模型：理想模型：)(.=,=mARVIVDDDD101010)(3 . 0107 . 01,7 . 0mARVVIVVDDDDD -恒壓降模型：恒壓降模型：折線模型：折線模型：VrIVmArRVVIDDDDthDDD51. 02 . 0049. 05 . 05 . 0)(049. 02 . 0105 . 01 -結(jié)論：結(jié)論：當外加電壓比較大的時候，三種模型計算的結(jié)果相差當外加電壓比較大的時候，三種模型計算的結(jié)果相差不大，而外加電壓比較小的時候，計算結(jié)果差異較大。不大，而外加電壓比較小的時候，計算結(jié)果差異較大。533、限幅電路、限幅電路：RuiuoVRuiuottV

37、R例：例：實際模型 求求(1)vI=0V,vI=4V,vI=6V 時，輸出時，輸出v0的值。的值。(2) vi=6sint V 時，時，輸出輸出v0的波形。的波形。解：解：(1) vI=4V時，時，D導(dǎo)通。導(dǎo)通。vI=0V時，時，D截止。截止。v0 = vI vI=6V時，時，D導(dǎo)通。導(dǎo)通。)()(RrrVVvVVvDDthREFIthREFo2 . 12 . 0)5 . 34(5 . 3V583. 32 . 12 . 0)5 . 36(5 . 3ovV917. 3(2) vi=6sint V （理想模型）（理想模型） 3Vvit06VioivvDVV截止，時，3VvDVVoi33導(dǎo)通，時，折

38、線模型例例:理想二極管電路中理想二極管電路中 vi=V m sint V，求輸出波形，求輸出波形v0。V1vit0VmV2ViV1時，D1導(dǎo)通、D2截止，Vo=V1。ViV2時，D2導(dǎo)通、D1截止，Vo=V2。V2ViV1時，D1、D2均截止，Vo=Vi。56 利用二極管的單向?qū)Ю枚O管的單向?qū)щ娦钥勺鳛殡娮娱_關(guān)電性可作為電子開關(guān)vI1 vI2二極管工作狀態(tài)二極管工作狀態(tài)D1 D2v00V 0V導(dǎo)通導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 截止截止0V 5V5V 0V5V 5V0V0V0V5V例：例：求求vI1和和vI2不同值不同值組合時的組合時的v0值（二極值（二極管為理

39、想模型）。管為理想模型）。解：解：4、開關(guān)電路、開關(guān)電路57例例：判別二極管是導(dǎo)通還是截止。：判別二極管是導(dǎo)通還是截止。+9V- -+1V- - +2.5V - - +12.5V - - +14V - -+1V- -截止- -9V+- -1V+ +2.5V - - +12.5V - - +14V - -+1V- -截止解：58+18V- -+2V- - +2.5V - - +12.5V - - +14V - -+1V- -導(dǎo)通例：例：畫出理想二極管電路的傳輸特性（畫出理想二極管電路的傳輸特性（VoVI）。）。 解：解： VI25V ，D1導(dǎo)通，導(dǎo)通，D2截止。截止。32532IOVVVI137

40、.5V，D1、D2均導(dǎo)通。均導(dǎo)通。 VO=25V25300200)25(IOVVVO=100VVI25V75V100V25V50V100V125VVO50V75V150V0137.5例：例：畫出理想二極管電路的傳輸特性（畫出理想二極管電路的傳輸特性（VoVI）。）。當當VI0時時D1截止截止D2導(dǎo)通導(dǎo)通IOVV210VIVO- - 5V+5V+5V- - 5V+2.5V- -2.5V61UIIZIZmax UZ IZ穩(wěn)穩(wěn)壓壓誤誤差差曲線越陡，電曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。壓越穩(wěn)定。UZ動態(tài)電阻：動態(tài)電阻：ZZIUZrrz越小，穩(wěn)壓性能越好。越小，穩(wěn)壓性能越好。3.5.1 穩(wěn)壓二極管：穩(wěn)壓二極管：+-IZ3.5 特殊二極管特殊二極管62（4）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流、