第1章 二極管及其基本電路

了解半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電機(jī)理及特性，理解PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?，掌握二極管的外特性及主要參數(shù)，掌握二電路的分析方法。

重點(diǎn)：

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?、二極管的伏安特性及主要參數(shù)。難點(diǎn)：

PN結(jié)的形成，二極管電路分析。半導(dǎo)體的基本知識(shí)、PN結(jié)的形成和特性，二極管的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)、其他類型的二極管、二極管整流電路及二極管應(yīng)用電路分析。教學(xué)要求主要內(nèi)容難點(diǎn)重點(diǎn)第1章二極管及其基本電路1.3二極管及其參數(shù)1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.4二極管應(yīng)用電路1.2PN結(jié)的形成及特性第1章二極管及其基本電路1.1.1半導(dǎo)體材料

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。

導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。

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(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。1.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，物質(zhì)可以劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體分類：①元素半導(dǎo)體：硅Si和鍺Ge；②化合物半導(dǎo)體：砷化鎵GaAs等半導(dǎo)體特點(diǎn)：①受外界光和熱的激勵(lì)時(shí)，導(dǎo)電能力發(fā)生顯著變化；②在純凈的半導(dǎo)體中加入微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力顯著增加。原因是？將硅或鍺材料提純便形成單晶體共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為價(jià)電子。半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。常溫下價(jià)電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少。在T=0K和沒有外界激發(fā)時(shí)，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。硅晶體的空間排列+4+4+4+4共價(jià)鍵價(jià)電子1.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.1.2本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。+4+4+4+4原子因失掉一個(gè)價(jià)電子而帶正電，或者說空穴帶正電。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)?？梢姳菊骷ぐl(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。1.1.3本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子自由電子：溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，將有少數(shù)價(jià)電子克服共價(jià)鍵的束縛成為自由電子。空穴：自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。1.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)空穴能運(yùn)動(dòng)嗎？空穴的運(yùn)動(dòng)方向與自由電子的運(yùn)動(dòng)方向相反本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理動(dòng)畫空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。T↑1.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.1.3本征半導(dǎo)體中的兩種載流子1.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)在一定的溫度下，本征導(dǎo)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(dǎo)電能力增強(qiáng)，反之導(dǎo)電能力減弱。常溫300K時(shí)：電子空穴對(duì)的濃度硅：鍺：

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差，且與溫度密切相關(guān)，根據(jù)這種特性，半導(dǎo)體可以用來作熱敏和光敏器件。1.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.1.3本征半導(dǎo)體中的兩種載流子

通過擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。按摻入的雜質(zhì)元素不同，可形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體；控制摻入雜質(zhì)元素的濃度，就可以控制雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。

N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。（Negative負(fù)的字頭）P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。（Positive正的字頭)1.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)

1.N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。+5自由電子

N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)施主雜質(zhì)1.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

2.P型半導(dǎo)體空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，即形成一個(gè)空穴。空穴受主雜質(zhì)+3P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)1.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體a.摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。b.雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。如：T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:n=p=1.4×1010/cm3，摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:n=5×1016/cm3，本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

，以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

。c.雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。(a)N型半導(dǎo)體(b)P型半導(dǎo)體

3.雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化表示1.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體什么是漂移運(yùn)動(dòng)？1.2.1漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)1.2

PN結(jié)的形成及特性由電場(chǎng)作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。什么是擴(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)。內(nèi)電場(chǎng)Uho阻擋層空間電荷區(qū)PNP區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。（1）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)PN（2）空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)（3）動(dòng)態(tài)平衡-PN結(jié)形成1.2.2PN結(jié)的形成

物質(zhì)總是由濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。氣體、液體、固體均有之。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P區(qū)的一側(cè)留下負(fù)離子、靠近接觸面N區(qū)的一鍘留下負(fù)離子，形成空間電荷區(qū)。1.2

PN結(jié)的形成及特性

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)1.2.2PN結(jié)的形成

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。1.2

PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的形成動(dòng)畫1.2

PN結(jié)的形成及特性當(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(jiǎn)稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。外電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向耗盡層VRIPN1.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦钥臻g電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電路中有較大的正向電流。在PN結(jié)加上一個(gè)很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻R。1.2

PN結(jié)的形成及特性（1）PN結(jié)外加正向電壓（正偏）（2）PN結(jié)外加反向電壓(反偏)耗盡層PN外電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向VRIS反向接法時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)的作用；外電場(chǎng)使空間電荷區(qū)變寬。不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，漂移電流大于擴(kuò)散電流，電路中產(chǎn)生反向電流IS

；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。反向電流又稱反向飽和電流。對(duì)溫度十分敏感，隨著溫度升高，IS

將急劇增大。1.2

PN結(jié)的形成及特性1.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦訮N結(jié)的單向?qū)щ妱?dòng)畫1.2

PN結(jié)的形成及特性

(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）1.2

PN結(jié)的形成及特性1.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦詾槭裁磳⒆匀唤鐚?dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(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？為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？問題1.2

PN結(jié)的形成及特性在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)半導(dǎo)體二極管。半導(dǎo)休二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型。

1.3

半導(dǎo)體二極管1.3.1二極管的結(jié)構(gòu)小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管（1）點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。（2）面接觸型二極管(b)面接觸型PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。1.3.1二極管的結(jié)構(gòu)

1.3

半導(dǎo)體二極管（3）平面型二極管(c)平面型（4）二極管的代表符號(hào)D往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。1.3.1二極管的結(jié)構(gòu)

1.3

半導(dǎo)體二極管604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性二極管的伏安特性二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。當(dāng)二極管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——不可逆二極管的電流和溫升不斷增加，使PN結(jié)的發(fā)熱超過它的耗散功率。1.3.2二極管的伏安特性

1.3

半導(dǎo)體二極管硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點(diǎn)：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。1.3.2二極管的伏安特性

1.3

半導(dǎo)體二極管(1)最大整流電流IF二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。(2)反向工作峰值電壓URWM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UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐模踔吝^熱而燒壞。1.3.3二極管的主要參數(shù)

1.3

半導(dǎo)體二極管1.3.4其他類型的二極管（1）伏安特性進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流

由一個(gè)PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。（2）主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ動(dòng)態(tài)電阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ

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(huì)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！限流電阻斜率？限流電阻斜率？進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流限流電阻斜率？不至于損壞的最大電流限流電阻斜率？1.穩(wěn)壓二極管

1.3

半導(dǎo)體二極管2.發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)(1)符號(hào)和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導(dǎo)通電壓(12)V符號(hào)u/Vi

/mAO2特性(2)發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠不可見光：紅外光1.3.4其他類型的二極管

1.3

半導(dǎo)體二極管(3)顯示類型：普通LED，點(diǎn)陣LED七段LED,2.發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.3.4其他類型的二極管

1.3

半導(dǎo)體二極管(3)顯示類型：普通LED，點(diǎn)陣LED七段LED,2.發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.3.4其他類型的二極管

1.3

半導(dǎo)體二極管(3)顯示類型：普通LED，點(diǎn)陣LED七段LED,2.發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.3.4其他類型的二極管

1.3

半導(dǎo)體二極管3.光電二極管符號(hào)和特性符號(hào)特性u(píng)iOE=200lxE=400lx工作原理：無光照時(shí)，與普通二極管一樣。有光照時(shí)，分布在第三、四象限。1.3.4其他類型的二極管

1.3

半導(dǎo)體二極管u1u2TD3D2D1D4RLuo電路圖結(jié)構(gòu)1.4.1單相橋式整流濾波電路1.4二極管應(yīng)用電路u2>0時(shí)D1,D4導(dǎo)通D2,D3截止電流通路:a

D1RLD4bu2<0時(shí)D2,D3導(dǎo)通D1,D4截止電流通路:bD2RLD4au2uoiLu2D3D2D1D4RLuoabiL單相橋式整流電路輸出電壓及負(fù)載電流波形。1.工作原理1.4.1單相橋式整流濾波電路1.4二極管應(yīng)用電路（一）整流電路紋波系數(shù)(1)平均整流電流(2)最大反向電壓3.整流元件參數(shù)的計(jì)算2.負(fù)載上的直流電壓VL和直流電流IL的計(jì)算1.4.1單相橋式整流濾波電路1.4二極管應(yīng)用電路經(jīng)過整流后的電源電壓雖然沒有交流變化成分，但其脈動(dòng)較大，需要經(jīng)過濾波電路消除其脈動(dòng)成分，使其更接近于直流。濾波的方法一般采用無源元件電容或電感，利用其對(duì)電壓、電流的儲(chǔ)能特性達(dá)到濾波的目的。常見濾波電路如下所示。（a）電容濾波電路（b）電感電容濾波電路（c）型濾波電路（二）濾波電路1.4二極管應(yīng)用電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC當(dāng)RL接入時(shí)（假設(shè)RL是u2在從0上升時(shí)接入的）：u2tuot無濾波電容時(shí)的波形加入濾波電容時(shí)的波形1)電容濾波原理（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路u2上升,當(dāng)u2大于電容上的電壓uc，u2對(duì)電容充電，uo=ucu2u2下降，當(dāng)u2小于電容上的電壓uc時(shí),二極管承受反向電壓而截止。電容C通過RL放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降，時(shí)間常數(shù)=RLCuotau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC1)電容濾波原理（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路uotRLC愈大C放電愈慢UO(平均值)愈大電容濾波電路的特點(diǎn)：RLC較大RLC較小RLC愈小C放電愈快UO(平均值)愈小UO平均值UO平均值au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC1)電容濾波原理（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路因?yàn)闉V波的過程中含有正弦波、指數(shù)曲線及諧波成分，一般很難用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，所以一般使用中多采用近似估算來確定其參數(shù)。輸出電壓可以近似看成鋸齒波，如圖所示。后按RLC放電的初始斜率線并令在T/2（T為正弦波周期）處為電容充放電轉(zhuǎn)換時(shí)的電壓值Uomin。則：設(shè)uc每次充電到峰值性下降，經(jīng)過τ=RLC放電結(jié)束交于橫軸；2)輸出電壓平均值（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路由相似三角形關(guān)系可得：則：即：為了獲得較好的濾波效果，應(yīng)使濾波電容滿足RLC=(3~5)T/2的條件。此時(shí)UO(AV)≈1.2U22)輸出電壓平均值（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路交流分量的基波的峰-峰值為（Uomax－Uomin）,則基波峰值為實(shí)際uo的波動(dòng)沒有近似波形誤差大，故實(shí)際S比計(jì)算值要小。所以脈動(dòng)系數(shù)為3)脈動(dòng)系數(shù)S（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路iDtu2t二極管中的電流在未加濾波電路之前，無論是哪種整流電路中的二極管的導(dǎo)通角都為π。加濾波電容之后，只有電容充電時(shí)二極管才導(dǎo)通，因此每只二極管的導(dǎo)通角都小于π。RLC越大，濾波效果越好，而導(dǎo)通角越小，因此二極管中的電流是脈沖波。在濾波電路中，二極管中的最大整流平均電流IF通常選擇大于負(fù)載電流的2～3倍。4)整流二極管的導(dǎo)通角（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止1.4.2二極管電路分析舉例D6V12V3kBAUAB+–V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V在這里，二極管起鉗位作用。[例1]：電路如右圖，求：UAB解：取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。1.4二極管應(yīng)用電路V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1