電子技術(模擬部分)-2-二極管及其典型應用

緒論二極管及其典型應用晶體三極管及其放大電路場效應管及其放大電路級聯(lián)放大電路集成運放及其典型應用負反饋放大電路典型功能電路設計及仿真調試課程主要內容半導體二極管圖片問題：1.二極管具有怎樣的物理結構？2.二極管兩端的電壓和電流符合歐姆定律嗎？3.二極管有哪些類型？4.二極管有哪些典型應用？2.1二極管特性2.2二極管工作原理2.3二極管結構2.4二極管典型應用電路2.5二極管主要參數(shù)2.6常用二極管器件介紹第二章晶體二極管及應用電路2.1二極管特性一、二極管符號及其特性二、二極管的模型一、二極管符號及其特性1．正向特性2．反向特性3.二極管溫度特性4.二極管單向導電性1.理想二極管模型特點：(1)正偏時導通，壓降為0V；(2)反偏時截止，反向電流為0。應用:(1)電路簡化定性分析;(2)大信號時電路的近似分析。+-

正極、陽極負極、陰極二、二極管模型2.折線二極管模型特點：(1)正偏電壓>Uon時，導通；(2)反偏電壓<Uon時，截止。應用：工程計算。（Si管Uon

≈0.7V，Ge管0.3V)；3.二極管交流模型當二極管在正偏情況下，若疊加的交流為低頻小信號仍能保持二極管正偏，則可忽略二極管結電容和體電阻，其等效模型就是一個交流電阻rD。2.2二極管工作原理一、半導體基礎知識二、PN結及其特性一、

半導體基礎知識什么是半導體？導體:

導電率為105s.cm-1，量級，如金屬。（S:西門子)絕緣體:導電率為10-22～10-14s.cm-1量級，如：橡膠、云母、塑料等。導電能力介于導體和絕緣體之間。如：硅、鍺、砷化鎵等。半導體:

半導體特性摻入雜質則導電率增加幾百倍摻雜特性半導體元件溫度增加使導電率大為增加溫度特性熱敏元件光照不僅使導電率大為增加還可以產(chǎn)生電動勢光照特性光敏元件、光電元件本征半導體完全純凈、結構完整的半導體晶體。純度：99.9999999%，“九個9”它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。常用的本征半導體+4晶體特征在晶體中，質點的排列有一定的規(guī)律。硅（鍺）的原子結構簡化模型價電子正離子注意：為了方便，原子結構常用二維結構描述，實際上是三維結構。鍺晶體的共價鍵結構示意圖半導體能帶結構示意圖價帶中留下的空位稱為空穴導帶自由電子定向移動形成電子流本征半導體的原子結構和共價鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵內的電子稱為束縛電子價帶禁帶EG外電場E束縛電子填補空穴的定向移動形成空穴流掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子1.本征半導體中有兩種載流子—自由電子和空穴它們是成對出現(xiàn)的2.在外電場的作用下，產(chǎn)生電流—電子流和空穴流電子流自由電子作定向運動形成的；方向與外電場方向相反；自由電子始終在導帶內運動?？昭鲀r電子遞補空穴形成的；方向與外電場方向相同；始終在價帶內運動。3.注意：本征半導體在熱力學零度（0K）和沒有外界能量激發(fā)下，晶體內無自由電子，不導電。載流子概念：運載電荷的粒子。本征半導體的載流子的濃度電子濃度

ni

:表示單位體積內的自由電子數(shù)空穴濃度pi:表示單位體積內的空穴數(shù)。A0—

與材料有關的常數(shù)EG0—

禁帶寬度T—

絕對溫度k—

玻爾曼常數(shù)結論1.本征半導體中電子濃度ni

=空穴濃度pi

2.載流子的濃度與T、EG0有關

了解

載流子的產(chǎn)生與復合g——載流子的產(chǎn)生率即每秒成對產(chǎn)生的電子空穴的濃度。R——載流子的復合率即每秒成對復合的電子空穴的濃度。當達到動態(tài)平衡時g=R

R=r

nipi

其中r—復合系數(shù)，與材料有關。雜質半導體摻入雜質的本征半導體。摻雜后半導體的導電率大為提高。

摻入的三價元素如B（硼）、Al（鋁）等，形成P型半導體，也稱空穴型半導體。

摻入的五價元素如P（磷）、砷等，形成N型半導體，也稱電子型半導體。

N型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半導體中摻入的五價元素，如P。價帶導帶+++++++施主能級自由電子是多子（即多數(shù)載流子）空穴是少子雜質原子提供由熱激發(fā)形成由于五價元素很容易貢獻電子，因此將其稱為施主雜質。施主雜質因提供自由電子而帶正電荷成為正離子。

P型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半導體中摻入的三價元素如B。價帶導帶-------受主能級自由電子是少子空穴是多子雜質原子提供由熱激發(fā)形成因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。舉例：鍺原子密度為4.4×1022/cm3

，鍺本征半導ni=2.5×1013/cm3，若每104個鍺原子中摻入1個磷原子（摻雜密度為萬分之一），則在單位體積中就摻入了10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3個砷原子。則施主雜質濃度為：ND=

4.4×1018/cm3（比ni大一萬倍）雜質半導體小結：盡管雜質含量很少（如萬分之一），但提供的載流子數(shù)量仍遠大于本征半導體中載流子的數(shù)量。載流子的濃度主要取決于多子（即雜質），故使導電能力激增。半導體的摻雜、溫度等可人為控制。雜質半導體的載流子濃度N型半導體：施主雜質的濃度ND

n表示總電子的濃度

p表示空穴的濃度n

=p+ND≈ND（施主雜質的濃度>>p）P型半導體：NA表示受主雜質的濃度，

n表示電子的濃度

p表示總空穴的濃度p=n+NA≈NA

（受主雜質的濃度>>n）

說明：因摻雜的濃度很小，可近似認為復合系數(shù)R保持不變。在一定溫度條件下，空穴與電子濃度的乘積為一常數(shù)。結論：在雜質型半導體中，多子濃度比本征半導體的濃度大得多，而少子濃度比本征半導體的濃度小得多，但兩者乘積保持不變。其中：ni

表示本征材料中電子的濃度

pi

表示本征材料中空穴的濃度。n·p=ni

·pi=ni2=CPN結的形成PN結的單向導電性3.PN結的反向擊穿4.PN結電容5.PN結的光電效應6.PN結的電致發(fā)光二、PN結及其特性1.PN結的形成P區(qū)N區(qū)擴散運動載流子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴散,稱擴散運動形成的電流成為擴散電流內電場內電場阻礙多子向對方的擴散即阻礙擴散運動同時促進少子向對方漂移即促進了漂移運動擴散運動=漂移運動時達到動態(tài)平衡耗盡層PN結P區(qū)N區(qū)空穴自由電子負電荷正電荷內電場阻止多子擴散

濃度差多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內電場內電場促使少子漂移擴散運動物質從濃度高向濃度低的地方的運動稱擴散運動。擴散運動產(chǎn)生擴散電流。漂移運動電場作用下載流子的運動。漂移運動產(chǎn)生漂移電流。動態(tài)平衡擴散電流=漂移電流，PN結內總電流=0。PN結穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，又稱高阻區(qū)，也稱耗盡層。P區(qū)N區(qū)U內電場的建立，使PN結中產(chǎn)生了電位差

，從而形成接觸電位U。接觸電位U決定于材料及摻雜濃度硅：U=0.6～0.7V鍺：U=0.2～0.3V2.PN結的單向導電性1）PN結加正向電壓時的導電情況

原理：外電場方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。外接電源E后，P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為外接正向電壓，也稱為正向偏置，簡稱正偏。內外結論：PN結正偏時，呈現(xiàn)低阻性。2）PN結加反向電壓時的導電情況原理：外電場與PN結內電場方向相同，增強內電場。

內電場對多子擴散運動阻礙增強，擴散電流大大減小。少子在內電場的作用下形成的漂移電流加大。此時PN結區(qū)少子漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流。P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為外接反向電壓，也稱為反向偏置，簡稱反偏。內外結論：PN結反偏時，呈現(xiàn)高阻性，近似為截止狀態(tài)。小結：PN結具有單向導電性。

PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。問題：有必要加電阻R嗎？式中Is(反向)飽和電流;

UT=kT/q等效電壓

k波爾茲曼常數(shù)；q為電子的電量；UD為PN結兩端的電壓；ID為PN結的電流；當T=300k（室溫）時，UT=26mv由半導體物理可推出：3）PN結電流方程PN結兩端的電壓與流過PN結電流的關系式當加反向電壓時：加正向電壓時：(UD>>UT)PN結電流方程IDUD(UD>UBR)反向擊穿概念：PN結上所加的反向電壓達到某一數(shù)值時（UD<UBR

）

，反向電流激增的現(xiàn)象。雪崩擊穿當反向電壓增高時，少子獲得能量高速運動，在空間電荷區(qū)與原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生碰撞電離。形成連鎖反應，象雪崩一樣。使反向電流激增。摻雜濃度小的二極管容易發(fā)生。齊納擊穿當反向電壓較大時，強電場直接從共價鍵中將電子拉出來，形成大量載流子,使反向電流激增。摻雜濃度大的二極管容易發(fā)生。不可逆擊穿熱擊穿PN結的電流或電壓較大，使PN結耗散功率超過極限值，使結溫升高，導致PN結過熱而燒毀?？赡鎿舸舸?.PN結擊穿勢壘電容CB

當外加電壓不同時，耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，與電容的充放電過程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容為勢壘電容。注意：此時PN結為反偏）4.PN結電容注意：勢壘電容和擴散電容均是非線性電容,并同時存在。外加電壓變化緩慢時可以忽略，但是變化較快時不容忽略。擴散電容CD

外加電壓不同情況下，P、N區(qū)少子濃度的分布將發(fā)生變化，擴散區(qū)內電荷的積累與釋放過程與電容充放電過程相同，這種電容等效為擴散電容。如果在PN結加正偏電壓UD，外電場將消弱內建電場對載流子擴散的阻擋作用。在外加電場滿足一定條件下，注入到耗盡區(qū)內的電子和空穴通過輻射復合而產(chǎn)生光子的速率將大于材料對光子的吸收速率，從而在半導體內產(chǎn)生光增益。EDPN5.PN結的電致發(fā)光PN結用導線連接成回路時，載流子面臨PN結勢壘的阻擋，在回路中不產(chǎn)生電流。當有光照射PN結材料上時，若光子能量大于半導體的禁帶寬度，則在PN結的耗盡區(qū)、P區(qū)、N區(qū)內產(chǎn)生光生的電子-空穴對，耗盡區(qū)內的載流子在內建場的作用下電子迅速移向N區(qū)，孔穴移向P區(qū)，在回路內容形成光電流，而P、N區(qū)內產(chǎn)生的光子無內建電場的作用只進行自由的擴散運動，多數(shù)因復合而消失，對光電流基本沒有貢獻。DEDDRLUDIP注意：為了充分利用在PN結各區(qū)內產(chǎn)生的光生載流子，PN結需加適當?shù)姆聪蚱珘骸?.PN結的光電效應一、二極管結構二、二極管類型2.3二極管結構及類型一、

二極管結構在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分點接觸型面接觸型平面型PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路PN結面積大，用于工頻大電流整流電路往往用于集成電路制造工藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。二極管符號正極負極分類說明按功能分類整流二極管專門用于整流的二極管開關二極管作為電子開關使用穩(wěn)壓二極管專門用于直流穩(wěn)壓的二極管發(fā)光二極管專門用于發(fā)光指示的二極管光敏二極管對光有敏感作用的二極管，也稱光電二極管變容二極管高頻電路中作為可調電容按材料分類硅二極管硅材料制作的二極管鍺二極管鍺材料制作的二極管按結構分類點接觸型用于高頻檢波，開關元件，小電流整流電路面接觸型用于低頻整流平面型用于整流、開關元件二、

二極管類型2.4二極管典型應用電路一、二極管整流電路二、二極管穩(wěn)壓電路三、二極管限幅電路四、二極管鉗位電路整流電路:把交流變?yōu)橹绷鞯碾娐?。半波整流整流電路中的二極管是作為開關運用，具有單向導電性。一、

二極管整流電路橋式整流~220Vui2uL+-~220Vui2uL+-e2uLUL≈0.9

Ui2穩(wěn)壓電路組成：穩(wěn)壓管和調節(jié)電阻R。穩(wěn)壓條件：ui>Uz穩(wěn)壓工作原理：ui不變，負載減小，則IL增大，R上電流增大導致其壓降增大一個微量，RL兩端電壓將減小一個微量使IZ減小，這樣最后調節(jié)電阻R上的電流近似不變，R上的壓降不變，所以輸出電壓不變。電路特點：利用穩(wěn)壓二極管提供穩(wěn)定的直流電壓。二、

二極管穩(wěn)壓電路工作原理：利用二極管單向導電性，限定輸出信號的幅度。三、

二極管限幅電路工作原理：當輸入ui>0時，二極管瞬間導通，C快速充電，Uc=V1，充電結束，R無電流，輸出uo=0.

當輸入ui<0時，二極管截止，C充放電緩慢，輸出uo=-Uc+ui

=-V1-V2。結論：利用二極管和電容，把一個雙向的周期信號信號轉變?yōu)閱蜗虻男盘?，并保持原信號波形的電路。四?/p>

二極管鉗位電路2.5二極管的主