二極管及其特性

1、模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管的基本特性半導(dǎo)體二極管的基本特性1.3二極管電路的二極管電路的 應(yīng)用應(yīng)用1.4特殊二極管特殊二極管1.5半導(dǎo)體二極管特性的測試半導(dǎo)體二極管特性的測試 小結(jié)小結(jié)模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo): :1了解半導(dǎo)體的基本概念和本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半了解半導(dǎo)體的基本概念和本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體的特點(diǎn)。導(dǎo)體的特點(diǎn)。2了解了解PN結(jié)的形成結(jié)的形成，掌握掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦浴?了解半

2、導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)；了解半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)；掌握二極管的伏安掌握二極管的伏安特性特性及主要參數(shù)。及主要參數(shù)。4掌握常見的二極管應(yīng)用電路掌握常見的二極管應(yīng)用電路（如整流濾波電路、（如整流濾波電路、穩(wěn)壓電路等）的穩(wěn)壓電路等）的工作原理及分析方法工作原理及分析方法。5掌握使用萬用表對二極管作簡易測試掌握使用萬用表對二極管作簡易測試的方法。的方法。模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用物質(zhì)分有物質(zhì)分有導(dǎo)體、絕緣體導(dǎo)體、絕緣體和和半導(dǎo)體半導(dǎo)體三類三類 1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)按導(dǎo)電能力看，物質(zhì)分有哪幾類呢？按導(dǎo)電能力看，物質(zhì)分有哪幾類呢？導(dǎo)體導(dǎo)體(105s/cm)

3、(105s/cm)、半導(dǎo)體半導(dǎo)體(10-9102s/cm)(10-9102s/cm)絕緣體絕緣體(10-1410-22s/cm)(10-1410-22s/cm)。 模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用半導(dǎo)體半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)常用的半導(dǎo)體材料常用的半導(dǎo)體材料有：有：硅、鍺硅、鍺、硒、砷化鎵以及金屬氧化物和硫、硒、砷化鎵以及金屬氧化物和硫化物等化物等 1.1.1 1.1.1 半導(dǎo)體的主要特性半導(dǎo)體的主要特性模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用半導(dǎo)體半導(dǎo)體的的特性特性：1 1）摻

4、雜性摻雜性 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率會(huì)因加入雜質(zhì)而發(fā)生顯著半導(dǎo)體的電導(dǎo)率會(huì)因加入雜質(zhì)而發(fā)生顯著的變化的變化 2 2）溫敏性溫敏性 溫度的變化也會(huì)使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生顯溫度的變化也會(huì)使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生顯著的變化著的變化 3 3）光敏性光敏性 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)較好，光照不僅可以改半導(dǎo)體的光電效應(yīng)較好，光照不僅可以改變半導(dǎo)體變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，而且可以產(chǎn)生電動(dòng)勢的電導(dǎo)率，而且可以產(chǎn)生電動(dòng)勢 模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用1、 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)體材料稱為完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體。1 1）本征半導(dǎo)）本征半導(dǎo)體共價(jià)

5、鍵結(jié)構(gòu)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)( (晶格結(jié)構(gòu)晶格結(jié)構(gòu)) )1.1.2 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用2 2）本征激發(fā)和載流子）本征激發(fā)和載流子 （2 2）載流子載流子A A、自由電子自由電子B、空穴空穴 注注：電子電子空穴對空穴對本征半導(dǎo)體中，自本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴成對由電子和空穴成對出現(xiàn)，出現(xiàn)，模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用3 3）結(jié)結(jié) 論論（1 1）半導(dǎo)體中存在）半導(dǎo)體中存在兩種載流子兩種載流子，一種是帶，一種是帶負(fù)電的

6、負(fù)電的自由電子自由電子，另一種是帶正電的，另一種是帶正電的空穴空穴，它們都可以運(yùn)載它們都可以運(yùn)載“電荷電荷”形成形成電流電流。 （2 2）本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中，中，自由電子和空穴相伴自由電子和空穴相伴產(chǎn)生，數(shù)目相同產(chǎn)生，數(shù)目相同。模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用（3 3）一定溫度下一定溫度下，本征半導(dǎo)體中電子空穴，本征半導(dǎo)體中電子空穴對的產(chǎn)生與復(fù)合相對平衡，對的產(chǎn)生與復(fù)合相對平衡，電子電子- -空穴對的空穴對的數(shù)目相對穩(wěn)定數(shù)目相對穩(wěn)定。（4 4）溫度升高溫度升高，激發(fā)的電子空穴對數(shù)目增，激發(fā)的電子空穴對數(shù)目增加，加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增強(qiáng)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增強(qiáng)

7、。注注：“空穴空穴”的出現(xiàn)的出現(xiàn)是是半導(dǎo)體導(dǎo)電半導(dǎo)體導(dǎo)電區(qū)別于區(qū)別于導(dǎo)體導(dǎo)電導(dǎo)體導(dǎo)電的一個(gè)主要特征的一個(gè)主要特征。模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用2 2、 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中在本征半導(dǎo)體中加入微量雜質(zhì)加入微量雜質(zhì)元素，元素，可使其導(dǎo)電性能顯著改變?？墒蛊鋵?dǎo)電性能顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分雜質(zhì)半導(dǎo)體分為兩類：為兩類：N N型型（電子型電子型）半導(dǎo)體半導(dǎo)體P P型型（空穴型空穴型）半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用1）N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅（或鍺

8、）在硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的摻入微量的五價(jià)五價(jià)元 素元 素 ， 如， 如 磷磷（P P）、）、砷砷（AsAs）等，則構(gòu)成等，則構(gòu)成N N型型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。N N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用結(jié)論結(jié)論（1 1）N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多余的自由電子多余的自由電子參與導(dǎo)電移參與導(dǎo)電移動(dòng)后，在原來的位置留下一個(gè)不能移動(dòng)的正動(dòng)后，在原來的位置留下一個(gè)不能移動(dòng)的正離子，但離子，但與此同時(shí)沒有相應(yīng)的空穴產(chǎn)生與此同時(shí)沒有相應(yīng)的空穴產(chǎn)生，半半導(dǎo)體仍然呈現(xiàn)電中性。導(dǎo)體仍然呈現(xiàn)電中性。（2 2）N N型半導(dǎo)體型半

9、導(dǎo)體自由自由電子電子為多數(shù)載流子（稱為多數(shù)載流子（稱多子多子），），空穴空穴為少數(shù)載流子（稱為少數(shù)載流子（稱少子少子）。即）。即N N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電。型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電。模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用2 2）P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅（或鍺）在硅（或鍺）半導(dǎo)體晶體中，半導(dǎo)體晶體中，摻入微量的摻入微量的三三價(jià)價(jià)元素，如元素，如硼硼（ B B ） 、） 、 銦銦（InIn）等，則）等，則構(gòu)成構(gòu)成P P型半導(dǎo)型半導(dǎo)體。體。 P P型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用結(jié)論結(jié)論

10、（1 1）P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中，鄰近的中，鄰近的束縛電子束縛電子如果獲如果獲取足夠的能量，有可能取足夠的能量，有可能填補(bǔ)這個(gè)空位填補(bǔ)這個(gè)空位，使原，使原子成為一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)離子，但子成為一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)離子，但與此同時(shí)與此同時(shí)沒有相應(yīng)的自由電子產(chǎn)生沒有相應(yīng)的自由電子產(chǎn)生，半導(dǎo)體仍然呈現(xiàn)半導(dǎo)體仍然呈現(xiàn)電中性。電中性。（2 2）P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中，中，空穴空穴為多數(shù)載流子（為多數(shù)載流子（多多子子），），自由電子自由電子為少數(shù)載流子（為少數(shù)載流子（少子少子）。）。（3 3）P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體主要靠主要靠空穴導(dǎo)電空穴導(dǎo)電。模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及

11、應(yīng)用1.1.31.1.3、 PNPN結(jié)及其導(dǎo)電性結(jié)及其導(dǎo)電性1 1、 載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng)P P型和型和N N型半導(dǎo)體交界處多子的擴(kuò)散型半導(dǎo)體交界處多子的擴(kuò)散 模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用結(jié)論結(jié)論1 1）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：多子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：多子的運(yùn)動(dòng)2 2）漂移運(yùn)動(dòng)：少子的運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)：少子的運(yùn)動(dòng) 漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反內(nèi)電場的產(chǎn)生內(nèi)電場的產(chǎn)生模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用2 2、PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成 當(dāng)通過內(nèi)電場的擴(kuò)散電流等于漂移電流時(shí)，當(dāng)通過內(nèi)電場的擴(kuò)散電流等于漂移電流時(shí)，它的

12、寬度保持一定而處于穩(wěn)定狀態(tài)，它的寬度保持一定而處于穩(wěn)定狀態(tài)，PNPN結(jié)結(jié)即形成。即形成。注：注：1 1）PNPN結(jié)內(nèi)電場的電位差約為零點(diǎn)幾伏。結(jié)內(nèi)電場的電位差約為零點(diǎn)幾伏。2 2）當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)兩端沒有外加電場時(shí)，結(jié)兩端沒有外加電場時(shí)，PNPN結(jié)中無電結(jié)中無電流流過流流過。模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用3 PN3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦? 1）PNPN結(jié)外加正向電壓（結(jié)外加正向電壓（ PNPN結(jié)正偏結(jié)正偏）PNPN結(jié)外加正結(jié)外加正向電壓時(shí)處向電壓時(shí)處于于導(dǎo)通狀態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用2 2）P

13、NPN結(jié)外加反向電壓（結(jié)外加反向電壓（ PNPN結(jié)反偏結(jié)反偏）PNPN結(jié)外加反結(jié)外加反向電壓時(shí)處向電壓時(shí)處于于截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用結(jié)論結(jié)論P(yáng)NPN結(jié)正偏時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)正偏時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，有較小的正向有較小的正向電阻，正向電流電阻，正向電流I IF F較大較大；PNPN結(jié)反偏時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)反偏時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，有較大的反向有較大的反向電阻，反向電流電阻，反向電流I IR R較小。較小。注注：正偏導(dǎo)通、反偏截止正偏導(dǎo)通、反偏截止的特點(diǎn)的特點(diǎn)體現(xiàn)體現(xiàn)PNPN結(jié)結(jié)具有的單向?qū)щ娞匦?。具有的單向?qū)щ娞匦浴ＤM電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1

14、章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用3. PN結(jié)的擊穿結(jié)的擊穿 反向擊穿反向擊穿： 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，結(jié)的反向電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然急劇增大，這種現(xiàn)象稱反向電流突然急劇增大，這種現(xiàn)象稱為為PN結(jié)的反向擊穿。結(jié)的反向擊穿。 反向擊穿電壓反向擊穿電壓： 對應(yīng)于電流開始劇增時(shí)的電壓對應(yīng)于電流開始劇增時(shí)的電壓模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用注注1：PN結(jié)的擊穿有結(jié)的擊穿有“雪崩擊穿雪崩擊穿”和和“齊納擊穿齊納擊穿”兩兩種種注注2：電擊穿：當(dāng)發(fā)生以上兩種擊穿時(shí)，反向電壓下降電擊穿：當(dāng)發(fā)生以上兩種擊穿時(shí)，反向電壓下降到擊穿電壓以下時(shí)，到

15、擊穿電壓以下時(shí)，PN結(jié)的性能仍能恢復(fù)到原結(jié)的性能仍能恢復(fù)到原來的狀態(tài)的為來的狀態(tài)的為“電擊穿電擊穿 ”狀態(tài)狀態(tài)熱擊穿：若發(fā)生熱擊穿：若發(fā)生“電擊穿電擊穿”后，反向電壓不能即后，反向電壓不能即時(shí)下降或撤掉，那么時(shí)下降或撤掉，那么PN結(jié)將因發(fā)熱而擊穿損壞。結(jié)將因發(fā)熱而擊穿損壞。注注3：PN結(jié)的熱擊穿是不可恢復(fù)的，在應(yīng)用中應(yīng)盡量結(jié)的熱擊穿是不可恢復(fù)的，在應(yīng)用中應(yīng)盡量避免避免模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用1.2 1.2 二極管及其特性二極管及其特性1.2.1 1.2.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型及命名半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型及命名構(gòu)成：構(gòu)成：PN 結(jié)結(jié) + 引線引

16、線 + 管殼管殼 = 二極管二極管( (Diode) )符號(hào)：符號(hào)：( (anode) )( (cathode) )ACVD陽極陽極陰極陰極模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用分類分類：1 1、按材料分：、按材料分：硅型硅型二極管二極管鍺型鍺型二極管二極管2 2、按結(jié)構(gòu)分：、按結(jié)構(gòu)分：點(diǎn)點(diǎn)接觸型接觸型面面接觸型接觸型平面平面型型模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型正極正極引線引線觸絲觸絲N 型鍺片型鍺片外殼外殼負(fù)極負(fù)極引線引線模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用負(fù)極引線負(fù)極引線 面接

17、觸型面接觸型N型鍺型鍺PN 結(jié)結(jié) 正極引線正極引線鋁合金鋁合金小球小球底座底座金金銻銻合金合金正極正極引線引線負(fù)極負(fù)極引線引線集成電路中平面型集成電路中平面型PNP 型支持襯底型支持襯底模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用二極管的命名方法二極管的命名方法-P9-P9 （自學(xué)完成）（自學(xué)完成）模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用1.2.2 1.2.2 二極管的伏安特性及其主要參數(shù)二極管的伏安特性及其主要參數(shù)1、PN 結(jié)的伏安方程結(jié)的伏安方程) 1e (/SDDTUu

18、Ii反向飽反向飽和電流和電流溫度的溫度的電壓當(dāng)量電壓當(dāng)量qkTUT 電子電量電子電量玻爾茲曼玻爾茲曼常數(shù)常數(shù)當(dāng)當(dāng) T = 300K( (27 C) )：UT = 26 mV模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用2、二極管的伏安特性、二極管的伏安特性O(shè)uD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死區(qū)死區(qū)電壓電壓iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V( (硅管硅管) )( (鍺管鍺管) )U UthiD 急劇上升急劇上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3) V鍺管鍺管 0.2 V反向特性反向特性ISU

19、 (BR)反向擊穿反向擊穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A( (硅硅) ) 幾十幾十 A ( (鍺鍺) )U U(BR)反向電流急劇增大反向電流急劇增大( (反向擊穿反向擊穿) )模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用反向擊穿類型：反向擊穿類型：電擊穿電擊穿熱擊穿熱擊穿反向擊穿原因反向擊穿原因： 齊納擊穿齊納擊穿：( (Zener) )反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。雪崩擊穿：雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊反向電場使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。使自由電子數(shù)突增。 PN 結(jié)未損壞，斷電

20、即恢復(fù)。結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。 PN 結(jié)燒毀。結(jié)燒毀。模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用硅管的伏安特性硅管的伏安特性鍺管的伏安特性鍺管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用3、溫度對二極管特性的影響、溫度對二極管特性的影響604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20 C90 CT 升高時(shí)升高時(shí)，UD(on)以以 (2 2.5) mV/ C 下降下降模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)第第1章章 晶體二極管及應(yīng)用晶體二極管及應(yīng)用4、二極管的、二極管的主要參數(shù)