第1章 二極管及其基本電路

1、模擬電子技術基礎了解半導體的結了解半導體的結構、導電機理及構、導電機理及特性，理解特性，理解PN結結的形成及單向導的形成及單向導電性，掌握二極電性，掌握二極管的外特性及主管的外特性及主要參數，掌握二要參數，掌握二電路的分析方法。電路的分析方法。 重點：重點： PN結的單結的單向導電性、二極向導電性、二極管的伏安特性及管的伏安特性及主要參數主要參數難點：難點： PN結的形結的形成，二極管電路成，二極管電路分析分析半導體的基本知半導體的基本知識、識、PN結的形成結的形成和特性，和特性，二極管二極管的結構及主要參的結構及主要參數、其他類型的數、其他類型的二極管、二極管二極管、二極管整流電路及二極整流

2、電路及二極管應用電路分析。管應用電路分析。教學要求教學要求主要內容主要內容難點重點難點重點模擬電子技術基礎1.3二極管及其參數二極管及其參數1.1半導體的基礎知識半導體的基礎知識1.4二極管應用電路二極管應用電路1.2PN結的形成及特性結的形成及特性第第1 1章章 二極管及其基本電路二極管及其基本電路模擬電子技術基礎 導電能力介于導體與絕緣體之間的物質稱為導電能力介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體半導體。 導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。很容易產生定向移動，形成電流。 絕

3、緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。只有在外電場強到一定程度時才可能導電。 根據物體導電能力根據物體導電能力( (電阻率電阻率) )的不同，物質可以劃分為的不同，物質可以劃分為導體導體、絕緣體絕緣體和和半導體半導體。半導體分類半導體分類： 元素半導體：硅元素半導體：硅SiSi和鍺和鍺GeGe；化合物半導體：化合物半導體：砷化鎵砷化鎵GaAsGaAs等等半導體特點半導體特點：受外界光和熱的激勵時，導電能力發(fā)生顯著變化；受外界光和熱的激勵時，導電能力發(fā)生顯著變化；在純凈的

4、半導體中加入微量雜質，導電能力顯著增加。在純凈的半導體中加入微量雜質，導電能力顯著增加。原因是？原因是？模擬電子技術基礎將硅或鍺材料提純便形成單晶體將硅或鍺材料提純便形成單晶體共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為價電子。共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為價電子。半導體的原子結構為共價鍵結構。形成共價鍵后，半導體的原子結構為共價鍵結構。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，結構穩(wěn)定。每個原子的最外層電子是八個，結構穩(wěn)定。常溫下價電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少。常溫下價電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少。在在T=0K

5、和沒有外界激發(fā)時，本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。和沒有外界激發(fā)時，本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。硅晶體的空間排列+4+4+4+4共共價價鍵鍵價電子價電子本征半導體本征半導體化學成分純凈、結構完整的半導體晶體。它在物理結構上呈單晶化學成分純凈、結構完整的半導體晶體。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。體形態(tài)。模擬電子技術基礎+4+4+4+4原子因失掉一個價電子而帶正電，或者說空穴帶正電。這一現象稱為本征激發(fā)，原子因失掉一個價電子而帶正電，或者說空穴帶正電。這一現象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)也稱熱激發(fā)?？梢姳菊骷ぐl(fā)同時產生可見本征激發(fā)同時產生電子電子-空穴對空穴對。溫溫度升高或受到度升高或受

6、到光的照射時，光的照射時，價電子能量增價電子能量增高，將有少數高，將有少數價電子克服共價電子克服共價鍵的束縛成價鍵的束縛成為自由電子。為自由電子?？昭ǎ嚎昭ǎ鹤杂呻娮杂呻娮赢a生的同時，子產生的同時，在其原來的共在其原來的共價鍵中就出現價鍵中就出現了一個空位，了一個空位，稱為空穴。稱為空穴。模擬電子技術基礎空穴空穴的運動方向與自由電的運動方向與自由電子的運動方向相反子的運動方向相反T模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎 在一定的溫度下，本征導體中的載流子濃度是一定的，并且在一定的溫度下，本征導體中的載流子濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。溫度越高載流子濃度升高，導電能自由電子與空穴的濃度相

7、等。溫度越高載流子濃度升高，導電能力增強，反之導電能力減弱。力增強，反之導電能力減弱。常溫常溫300K時：時：電子空穴對的濃度電子空穴對的濃度硅：硅：3cm/104 . 110鍺：鍺： 本征半導體的導電能力很差，且與溫度密切相關，根據這種本征半導體的導電能力很差，且與溫度密切相關，根據這種特性，半導體可以用來作熱敏和光敏器件。特性，半導體可以用來作熱敏和光敏器件。313cm/104 . 2模擬電子技術基礎 通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量合適的雜通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量合適的雜質元素，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。這種半導質元素，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。這種半導體稱為

8、體稱為。按摻入的雜質元素不同，可形成。按摻入的雜質元素不同，可形成N型半導體和型半導體和P型半導體；控制摻入雜質元素的濃度，就型半導體；控制摻入雜質元素的濃度，就可以控制雜質半導體的導電性能?？梢钥刂齐s質半導體的導電性能。 摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。 （Negative負的字頭 ）摻入三價雜質元素（如硼）的摻入三價雜質元素（如硼）的 半導體。半導體。（Positive 正正的字頭 )模擬電子技術基礎 1. N型半導體型半導體 在本征半導體中摻入五價雜質在本征半導體中摻入五價雜質元素，因五價雜質原子中只有四個元素，因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四

9、個半導體原子中價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。形成自由電子。在在N型半導體中型半導體中，它主要由雜質原子提供；，它主要由雜質原子提供；，由熱激發(fā)形，由熱激發(fā)形成。成。提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為，因此五價雜，因此五價雜質原子也稱為質原子也稱為。+5N型半導體的共價鍵結構型半導體的共價鍵結構模擬電子技術基礎 2. P型半導體型半導體很容易俘獲電子，使雜質原子成為很容易俘獲電子，使雜質原子成為。三價雜質因而也。三

10、價雜質因而也稱為稱為。在在P型半導體中型半導體中，它主要由摻雜形成；它主要由摻雜形成；， 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。在本征半導體中摻入三價雜質元素，在本征半導體中摻入三價雜質元素，因三價雜質原子在與硅原子形成共價因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空位，即形成一個留下一個空位，即形成一個空穴?？昭?。+3模擬電子技術基礎a. 摻入雜質的濃度決定多數載流子濃度；溫度決定少數載流子的濃度。摻入雜質的濃度決定多數載流子濃度；溫度決定少數載流子的濃度。b. 雜質半導體雜質半導體要遠遠高于本征半導體，因而其導電能力大大改善。要遠遠高于本

11、征半導體，因而其導電能力大大改善。如：如：T=300 K室溫下室溫下,本征硅的電子和空穴濃度本征硅的電子和空穴濃度: ，摻雜后摻雜后 N 型半導體中的自由電子濃度型半導體中的自由電子濃度: ，本征硅的原子濃度，本征硅的原子濃度: ，以上三個濃度基本上依次相差以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。c. 雜質半導體總體上保持電中性。雜質半導體總體上保持電中性。(a)N 型半導體型半導體(b) P 型半導體型半導體 3. 雜質對半導體導電性的影響雜質對半導體導電性的影響4. 雜質半導體的簡化表示雜質半導體的簡化表示模擬電子技術基礎由電場作用引起的載流子的運動稱為由電場作用引起的載流子的運動稱為

12、漂移運動漂移運動。由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動擴散運動。模擬電子技術基礎內電場內電場Uho阻擋層阻擋層空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PNN N區(qū)自由電區(qū)自由電子濃度遠高子濃度遠高于于P P區(qū)。區(qū)。（1）擴散擴散運動運動PN（2）空間電荷區(qū)形成內電場空間電荷區(qū)形成內電場（3）動態(tài)平衡動態(tài)平衡-PN結形成結形成 物質總是由物質總是由的地方向的地方向的地方運動，這種由于的地方運動，這種由于而產生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。而產生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。模擬電子技術基礎 因濃度差因濃度差 空間電荷區(qū)形成內電場空間電荷區(qū)形成內

13、電場 內電場促使少子漂移內電場促使少子漂移 內電場阻止多子擴散內電場阻止多子擴散 最后最后, ,多子的多子的擴散擴散和少子的和少子的漂移漂移達到達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡。多子的擴散運動多子的擴散運動由由雜質離子形成空間電荷區(qū)雜質離子形成空間電荷區(qū) 對于對于P P型半導體和型半導體和N N型半導體結合面，離子薄層形成的型半導體結合面，離子薄層形成的空間空間電荷區(qū)電荷區(qū)稱為稱為PNPN結結。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層耗盡層。 模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎 當外加電壓使當外加電壓使PNPN結中結中P P區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于N N區(qū)的電位，稱為

14、加區(qū)的電位，稱為加正向正向電壓電壓，簡稱，簡稱正偏正偏；反之稱為加；反之稱為加反向電壓反向電壓，簡稱，簡稱反偏反偏。 外電場方向外電場方向內電場方向內電場方向耗盡層耗盡層VRIPN空間電荷區(qū)變窄，有利于空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大擴散運動，電路中有較大的正向電流。的正向電流。在在 PN 結加上一個很小的正向電壓，即結加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻大，可接入電阻 R。（1）外加正向電壓（正偏）外加正向電壓（正偏）模擬電子技術基礎（2）外加外加反向電壓反向電壓( (反偏反偏) )耗盡層耗盡層PN外電場方向

15、外電場方向內電場方向內電場方向VRIS反向接法時，外電場與內電反向接法時，外電場與內電場的方向一致，增強了內電場的方向一致，增強了內電場的作用；外電場使空間電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬。荷區(qū)變寬。不利于擴散運動，有利于漂移不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產生反向電流電路中產生反向電流 IS ；由；由于少數載流子濃度很低，反向于少數載流子濃度很低，反向電流數值非常小。電流數值非常小。反向電流又稱反向電流又稱反向飽和電流反向飽和電流。對溫度十分敏感對溫度十分敏感，隨著隨著溫度升高，溫度升高， IS 將急劇增大將急劇增大。模擬電子技術基礎

16、模擬電子技術基礎 (3) PN(3) PN結結V V- -I I 特性表達式特性表達式其中其中PNPN結的伏安特性結的伏安特性)1e (/SDD TVIivI IS S 反向飽和電流反向飽和電流V VT T 溫度的電壓當量溫度的電壓當量且在常溫下（且在常溫下（T T=300K=300K）V026. 0 qkTVTmV 26 模擬電子技術基礎n為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制成本征半為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，改善導電性能？導體，導電性能極差，又將其摻雜，改善導電性能？n為什么半導體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是為什么半導體器件的

17、溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？n為什么半導體器件有最高工作頻率？為什么半導體器件有最高工作頻率？模擬電子技術基礎在在PN結上加上引線和封裝，就成為一個半導體二極管。結上加上引線和封裝，就成為一個半導體二極管。半導休二極管按結構分有半導休二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型。點接觸型、面接觸型和平面型。小功率小功率二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管模擬電子技術基礎（1）點接觸型二極管）點接觸型二極管(a)點接觸型點接觸型 PN結面積小，結電容小，用于結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。檢

18、波和變頻等高頻電路。（2）面接觸型二極管）面接觸型二極管(b)面接觸型面接觸型PN結面積大，用于工頻大電流結面積大，用于工頻大電流整流電路。整流電路。模擬電子技術基礎（3）平面型二極管）平面型二極管(c)平面型平面型陰陰極極引引線線陽陽極極引引線線PNP 型型支支持持襯襯底底（4）二極管的代表符號）二極管的代表符號(d) 代代表表符符號號k 陰陰極極陽陽極極 aD往往用于集成電路制造工藝往往用于集成電路制造工藝中。中。PN 結面積可大可小，用結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。于高頻整流和開關電路中。模擬電子技術基礎604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/ mAu

19、 / V二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。當二極管的反向電壓增加到當二極管的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為快速增加，此現象稱為PN結的結的。不可逆不可逆二極管的電流和溫升不斷增二極管的電流和溫升不斷增加，使加，使PN結的發(fā)熱超過它結的發(fā)熱超過它的耗散功率。的耗散功率。mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常溫下模擬電子技術基礎反向擊穿反向擊穿電壓電壓U(BR)外加電壓大于死區(qū)電壓二外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊

20、穿，失去單向導電性。極管被擊穿，失去單向導電性。反向特性反向特性UIPN+PN+模擬電子技術基礎二極管長期使用時，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。是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向導電性被的一半或三分之二。二極管擊穿后單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。破壞，甚至過熱而燒壞。模擬電子技術基礎（1）伏安特性）伏安特性進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流 由一個由一個

21、PN結組成，結組成，反向擊穿后在一定的反向擊穿后在一定的電流范圍內端電壓基電流范圍內端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。本不變，為穩(wěn)定電壓。（2）主要參數）主要參數穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流、穩(wěn)定電流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ動態(tài)電阻動態(tài)電阻rzUZ /IZ 若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！限流電阻限流電阻斜率？斜率？限流電阻限流電阻斜率？斜率？進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流限

22、流電阻限流電阻斜率？斜率？不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流限流電阻限流電阻斜率？斜率？模擬電子技術基礎2. 2. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 LED LED (Light Emitting Diode)(Light Emitting Diode)(1) (1) 符號和特性符號和特性工作條件：工作條件：正向偏置正向偏置一般工作電流幾十一般工作電流幾十 mAmA，導，導通電壓通電壓 (1 (1 2) V2) V符號符號u u /V/Vi i / /mAmAO O2 2特性特性(2)(2)發(fā)光類型：發(fā)光類型：可見光：可見光：紅、黃、綠紅、黃、綠不可見光：不可見光：紅外光紅外光模擬電子技術基礎(3)

23、(3)顯示類型：顯示類型： 普通普通 LED LED ，點陣點陣 LEDLED七段七段 LED ,LED ,2. 2. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 LED LED (Light Emitting Diode)(Light Emitting Diode)模擬電子技術基礎(3)(3)顯示類型：顯示類型： 普通普通 LED LED ，點陣點陣 LEDLED七段七段 LED LED , ,2. 2. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 LED LED (Light Emitting Diode)(Light Emitting Diode)模擬電子技術基礎(3)(3)顯示類型：顯示類型： 普通普通 LED LED ，點陣點

24、陣 LEDLED七段七段 LED ,LED ,2. 2. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 LED LED (Light Emitting Diode)(Light Emitting Diode)模擬電子技術基礎3. 3. 光電二極管光電二極管符號和特性符號和特性符號符號特性特性u ui iO OE E = 200 lx = 200 lxE E = 400 lx = 400 lx工作原理：工作原理：無光照時，與普通二極管一樣。無光照時，與普通二極管一樣。有光照時，分布在第三、四象限。有光照時，分布在第三、四象限。模擬電子技術基礎u1u2TD3D2D1D4RLuo電路圖結構電路圖結構1.4.1 單相橋式整流

25、濾波電路單相橋式整流濾波電路1.4 二極管應用電路模擬電子技術基礎u20 時時D1,D4導通導通D2,D3截止截止電流通路電流通路:a D1RLD4bu2V陰陰 二極管導通二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V否則，否則， UAB低于低于6V一個管壓降，為一個管壓降，為6.3或或6.7V在這里，二極管起鉗位作用。在這里，二極管起鉗位作用。 例例1：電路如電路如右右圖，求：圖，求：UAB解：解：取取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。陽極和陰極的電位。1.4 二極管應用電路模擬電子技術基礎V1陽陽 =6 V，V2陽陽=0 V，V1陰陰 = V2陰陰= 12 V，UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導通，優(yōu)先導通， D1截止。截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V電路如右圖，電路如右圖，D1承受反向電壓為承受反向電壓為6 V流過流過 D2 的電流為的電流為mA43/12I2D在這里，在這里， D2 起鉗位作起鉗位作用，用， D1起隔離作用。起隔離作用。 BD16V12V3k AD2UAB+兩個二極管的陰極接在一起兩個二極管的陰極