CH03-二極管及其基本電路(上課用)

3二極管及其基本電路3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)3.3半導(dǎo)體二極管3.4二極管基本電路及其分析方法3.5特殊二極管3.2PN結(jié)的形成及特性3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

3.1.1半導(dǎo)體材料

3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

3.1.3本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用

3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體3.1.1半導(dǎo)體材料典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體物體根據(jù)其導(dǎo)電能力（電阻率）分半導(dǎo)體絕緣體導(dǎo)體3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)+14284Si硅原子結(jié)構(gòu)示意圖+322818Ge鍺原子結(jié)構(gòu)示意圖4原子結(jié)構(gòu)示意圖+4硅、鍺原子的簡化模型3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)價(jià)電子3.1.3本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對(duì)+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導(dǎo)體受熱或光照本征激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴自由電子空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4電子空穴成對(duì)產(chǎn)生+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4電子空穴復(fù)合，成對(duì)消失電子和空穴產(chǎn)生過程動(dòng)畫演示本征激發(fā)使空穴和自由電子成對(duì)產(chǎn)生。相遇復(fù)合時(shí)，又成對(duì)消失。小結(jié)空穴濃度（np)=電子濃度(nn)溫度T一定時(shí)：空穴——共價(jià)鍵中的空位電子空穴對(duì)——由本征（熱）激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)。在外電場(chǎng)作用下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U電子運(yùn)動(dòng)形成電子電流+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在外電場(chǎng)作用下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在外電場(chǎng)作用下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在外電場(chǎng)作用下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在外電場(chǎng)作用下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在外電場(chǎng)作用下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U價(jià)電子填補(bǔ)空穴而使空穴移動(dòng)，形成空穴電流在外電場(chǎng)作用下(1)在半導(dǎo)體中有兩種載流子這就是半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電原理的本質(zhì)區(qū)別a.電阻率大(2)本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)b.導(dǎo)電性能隨溫度變化大小結(jié)帶正電的空穴帶負(fù)電的自由電子本征半導(dǎo)體不能在半導(dǎo)體器件中直接使用在本征半導(dǎo)體硅或鍺中摻入微量的其它元素后所形成的半導(dǎo)體根據(jù)摻雜的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N型導(dǎo)體P型導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體

摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷、砷）的雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4摻入少量五價(jià)雜質(zhì)元素磷P+4+4+4+4+4+4+4+4+4P多出一個(gè)電子出現(xiàn)了一個(gè)正離子+4+4+4+4+4+4+4+4P++++++++++++++++++++++++++++++++++++半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的自由電子和正離子N型半導(dǎo)體形成過程動(dòng)畫演示d.因電子帶負(fù)電，稱這種半導(dǎo)體為N(negative)型或電子型半導(dǎo)體。e.因摻入的雜質(zhì)給出電子，又稱之為施主雜質(zhì)。小結(jié)N型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)雜質(zhì)元素形成的。N型半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的（能移動(dòng)）自由電子和（不能移動(dòng)）正離子。電子是多數(shù)載流子，簡稱多子（由雜質(zhì)提供）;空穴是少數(shù)載流子，簡稱少子（由熱激發(fā)產(chǎn)生）(2)

P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼等。B+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4B出現(xiàn)了一個(gè)空位+4+4+4+4+4+4B+4+4+4+4+4+4+4+4B+4+4負(fù)離子空穴------------------------------------半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的空穴和負(fù)離子P型半導(dǎo)體的形成過程動(dòng)畫演示d.因空穴帶正電，稱這種半導(dǎo)體為P(positive)型或空穴型半導(dǎo)體。e.因摻入的雜質(zhì)接受電子，又稱之為受主雜質(zhì)。小結(jié)P型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體中摻入少量三價(jià)雜質(zhì)元素形成的。P型半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的（能移動(dòng)）空穴和（不能移動(dòng)）負(fù)離子。電子是多數(shù)載流子，簡稱多子（由雜質(zhì)提供）;空穴是少數(shù)載流子，簡稱少子（由熱激發(fā)產(chǎn)生）當(dāng)摻入三價(jià)元素的密度大于五價(jià)元素的密度時(shí)，可將N型轉(zhuǎn)為P型；雜質(zhì)半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)型當(dāng)摻入五價(jià)元素的密度大于三價(jià)元素的密度時(shí)，可將P型轉(zhuǎn)為N型。3.雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體

本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子、空穴

N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體

多數(shù)載流子、少數(shù)載流子施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)3.2PN結(jié)的形成及特性

3.2.2

PN結(jié)的形成

3.2.3

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

3.2.4

PN結(jié)的反向擊穿

3.2.5

PN結(jié)的電容效應(yīng)

3.2.1

載流子的漂移與擴(kuò)散3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。3.2.2PN結(jié)的形成N++++++++++++++++++++++++++++++++++++N++++++++++++++++++++++++++++++++++++以N型半導(dǎo)體為基片通過半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝使半導(dǎo)體的一邊形成N型區(qū)，另一邊形成P型區(qū)。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------(1)在濃度差的作用下，電子從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------(2)在濃度差的作用下，空穴從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------在濃度差的作用下，兩邊多子互相擴(kuò)散。在P區(qū)和N區(qū)交界面上，留下了一層不能移動(dòng)的正、負(fù)離子。小結(jié)N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------即PN結(jié)空間電荷層N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)方向N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN結(jié)一方面阻礙多子的擴(kuò)散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------另一方面加速少子的漂移N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------勢(shì)壘U0形成電位勢(shì)壘N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------當(dāng)擴(kuò)散與漂移作用平衡時(shí)a.流過PN結(jié)的凈電流為零b.PN結(jié)的厚度一定（約幾個(gè)微米）c.接觸電位一定（約零點(diǎn)幾伏）N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)PN結(jié)形成過程動(dòng)畫演示對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。當(dāng)N區(qū)和P區(qū)的摻雜濃度不等時(shí)離子密度大空間電荷層較薄離子密度小空間電荷層較厚高摻雜濃度區(qū)域用N+表示++++++______PN+3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)正向偏置——當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)P型半導(dǎo)體的一端的電位高于N型半導(dǎo)體一端的電位時(shí)，稱PN結(jié)正向偏置，簡稱正偏。PN結(jié)反向偏置——當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)N型半導(dǎo)體的一端的電位高于P型半導(dǎo)體一端的電位時(shí)，稱PN結(jié)反向偏置，簡稱反偏。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++EPN結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)被削弱PN結(jié)變窄PN結(jié)呈現(xiàn)低阻、導(dǎo)通狀態(tài)多子進(jìn)行擴(kuò)散------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++EPN結(jié)正偏動(dòng)畫演示內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)PN結(jié)變寬PN結(jié)呈現(xiàn)高阻、截止?fàn)顟B(tài)不利多子擴(kuò)散有利少子漂移2．PN結(jié)反向偏置------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E此電流稱為反向飽和電流，記為IS。因少子濃度主要與溫度有關(guān)，反向電流與反向電壓幾乎無關(guān)。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++EPN結(jié)反偏動(dòng)畫演示3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)低電阻大的正向擴(kuò)散電流PN結(jié)電勢(shì)

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)高電阻很小的反向漂移電流在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

(3)PN結(jié)V-I特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）3.2.4PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖

(2)勢(shì)壘電容CB3.3半導(dǎo)體二極管

3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

3.3.2二極管的伏安特性

3.3.3二極管的主要參數(shù)3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號(hào)

(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型點(diǎn)接觸型引線觸絲外殼N型鍺片平面型N型硅陽極引線PN結(jié)陰極引線金銻合金底座鋁合金小球半導(dǎo)體二極管的外型和符號(hào)正極負(fù)極符號(hào)外型負(fù)極正極半導(dǎo)體二極管的類型(1)按使用的半導(dǎo)體材料不同分為(2)按結(jié)構(gòu)形式不同分為硅管鍺管點(diǎn)接觸型平面型3.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性硅管00.8反向特性正向特性擊穿特性00.8反向特性鍺管正向特性vDiD(1)

近似呈現(xiàn)為指數(shù)曲線:(2)有死區(qū)（iD≈0的區(qū)域)1．正向特性死區(qū)電壓約為硅管0.5V鍺管0.1VOiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓v(BR)反向特性vD(3)導(dǎo)通后（即vD大于死區(qū)電壓后）管壓降vD

約為硅管0.6~0.8V鍺管0.2~0.3V通常近似取vD

硅管0.7V鍺管0.2VOiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓V(BR)反向特性vD即vD略有升高，

iD急劇增大。2．反向特性IS=硅管小于0.1微安鍺管幾十到幾百微安OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓V(BR)反向特性vD(1)當(dāng)時(shí)，。(2)當(dāng)時(shí)，反向電流急劇增大，擊穿的類型根據(jù)擊穿可逆性分為電擊穿熱擊穿二極管發(fā)生反向擊穿。OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓V(BR)反向特性vD降低反向電壓，二極管仍能正常工作。PN結(jié)被燒壞，造成二極管永久性的損壞。二極管發(fā)生反向擊穿后，如果a.功耗PD(=|VDID|)不大b.PN結(jié)的溫度小于允許的最高結(jié)溫硅管150∽200oC鍺管75∽100oC熱擊穿電擊穿a.齊納擊穿

(3)產(chǎn)生擊穿的機(jī)理半導(dǎo)體的摻雜濃度高擊穿電壓低于4V擊穿電壓具有負(fù)的溫度系數(shù)空間電荷層中有較強(qiáng)的電場(chǎng)電場(chǎng)將PN結(jié)中的價(jià)電子從共價(jià)鍵中激發(fā)出來擊穿的機(jī)理?xiàng)l件擊穿的特點(diǎn)半導(dǎo)體的摻雜濃度低擊穿電壓高于6V擊穿電壓具有正的溫度系數(shù)空間電荷區(qū)中就有較強(qiáng)的電場(chǎng)電場(chǎng)使PN結(jié)中的少子“碰撞電離”共價(jià)鍵中的價(jià)電子擊穿的機(jī)理?xiàng)l件擊穿的的特點(diǎn)b.雪崩擊穿溫度對(duì)半導(dǎo)體二極管特性的影響1.當(dāng)溫度上升時(shí)，死區(qū)電壓、正向管壓降降低?！鱱D/△T=–（2~2.5）mV/°C2.溫度升高，反向飽和電流增大。即溫度每升高1°C，管壓降降低（2~2.5）mV。即平均溫度每升高10°C，反向飽和電流增大一倍。3.3.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)極間電容CJ（CB、CD）管子長期運(yùn)行所允許通過的最大正向平均電流值。

二極管能承受的最高反向電壓。OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓V(BR)反向特性vD(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR最大反向工作電壓VRMVRM=（1/2~2/3）V(BR)室溫下加上規(guī)定的反向電壓時(shí)測(cè)得的電流。OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓V(BR)反向特性vD(3)反向電流IR指通過一定的直流測(cè)試電流時(shí)的管壓降。

(4)正向壓降VF最高工作頻率fMfM與結(jié)電容有關(guān)，當(dāng)工作頻率超過fM時(shí)，二極管的單向?qū)щ娦宰儔?。注意課后一定要多看書，看原理，看例子，做習(xí)題。Multisim仿真，可以完全按照每章（模數(shù)電教材）后面的仿真實(shí)例做，也可驗(yàn)證仿真的結(jié)果是否正確。3.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符號(hào)（c）正向偏置時(shí)的電路模型（d）反向偏置時(shí)的電路模型（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型（4）小信號(hào)模型vs=0時(shí),Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時(shí)（Vm<<VDD）,將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，得到小信號(hào)模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線。過Q點(diǎn)的切線可以等效成一個(gè)微變電阻即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型特別注意：小信號(hào)模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。（a）V-I特性（b）電路模型2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和