Diode介紹及基本應用

Diode介紹及基本應用PDEE：王念茂肖磊Diode內容1.半導體基礎

2.P-N結的形成

3.二極管參數(shù)及特性

4.二極管應用舉例2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質稱為半導體。返回2.1.1半導體的基本知識硅和鍺是制作晶體管的半導體材料，它們都是四價元素，即每個原子的最外層軌道上有四個價電子。當硅和鍺制成單晶時，其最外層的價電子不僅圍繞自身原子運動，有時還出現(xiàn)在相鄰原子的軌道上，兩個相鄰的原子公用一對電子，構成共價健，如圖所示。2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管純凈的半導體稱為本征半導體。在室溫下，本征半導體中少數(shù)價電子因熱激發(fā)獲得了足夠的能量，而掙脫共價健的束縛成為自由電子，并且在原來的共價健處留下一個空位，這個空位稱為空穴。2.1.1半導體的基本知識

(a)共價健結構(b)電子—空穴對共價健空穴自由電子2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管

(a)共價健結構(b)電子—空穴對共價健空穴自由電子自由電子帶負電荷；空穴帶正電荷。通常，將可運動的帶電粒子稱為載流子，電子和空穴都是載流子。載流子的運動將形成電流。2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管

(a)共價健結構(b)電子—空穴對共價健空穴自由電子熱激發(fā)產生的電子和空穴對是成對出現(xiàn)的，即“電子—空穴對”電子和空穴有可能重新結合而成對消失，稱為復合。當溫度一定時，這種產生與復合呈動態(tài)平衡，當溫度升高時，電子—空穴對濃度將加大。2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管在室溫下，本征半導體中電子和空穴載流子的濃度很低，導電性能很差，然而，在本征半導體內摻入微量“雜質”后，其導電性能將明顯提高，并且其導電性能可以通過摻雜的多少來人為地控制。N型半導體和P型半導體都是摻雜了的半導體。N型半導體和P型半導體2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管常用半導體的分類按材料分：按摻雜元素分：N型半導體P型半導體硅型半導體鍺型半導體下面將以硅材料為例介紹N型和P型半導體2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管⑴在硅晶體中摻入五價元素，如磷、銻等，晶體點陣中的某些硅原子將被五價元素的原子所取代。五價元素的五個價電子中，有四個與周圍硅原子的價電子組成共價鍵，多出的一個電子成為自由電子。1、N型半導體2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管⑵摻入的五價元素的每一個原子都可提供一個自由電子，從而使自由電子的數(shù)目大大增加，遠遠超過由熱激發(fā)而產生的空穴。故將這種半導體稱為電子型半導體，或N型半導體。在N型半1、N型半導體導體中，自由電子是多數(shù)載流子，簡稱多子；而空穴是少數(shù)載流子，簡稱少子。2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管⑴在硅晶體中摻入三價元素，如硼、銦等，晶體點陣中的某些硅原子將被三價元素的原子所取代。三價元素的三個價電子中，都與周圍硅原子的價電子組成共價鍵，還缺少一個電子，形成一個空穴。如右圖。2、P型半導體2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管⑵摻入的三價元素的每一個原子都可提供一個空穴，而使空穴的數(shù)目大大增加，遠遠超過由熱激發(fā)而產生的空穴。故將這種半導體稱為空穴型半導體，或P型半導體。在P型半導2、P型半導體體中，空穴是多數(shù)載流子，簡稱多子；而自由電子是少數(shù)載流子，簡稱少子。2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管通過一定的工藝，將一塊完整的半導體的一部分摻雜成P型半導體，另一部分摻雜成N型半導體，形成P區(qū)和N區(qū)。P區(qū)和N區(qū)交界面附近的過渡區(qū)稱為PN結。3、PN結的形成

PN結的形成示意圖N區(qū)P區(qū)2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管由于P區(qū)的空穴濃度很高，自由電子很少；而N區(qū)的自由電子濃度很高，空穴很少。故P區(qū)的空穴向N區(qū)運動，N區(qū)的自由電子向P區(qū)運動，這種由于濃度差而引起的運動稱為擴散。3、PN結的形成

PN結的形成示意圖P區(qū)N區(qū)2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管擴散的結果使P區(qū)的空穴減少，而失去空穴的原子變成帶負電的離子；同理，N區(qū)的自由電子將少，出現(xiàn)帶正電的離子。于是在P、N區(qū)交界處形成一個很薄的空間電荷層。3、PN結的形成

PN結的形成示意圖N區(qū)P區(qū)2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管3.PN結的形成由圖可知：空間電荷層靠P區(qū)的一邊帶負電，靠N區(qū)的一邊帶正電。產生了一個內電場EIN。其方向由N指向P。

多子的擴散空間電荷層P區(qū)P區(qū)N區(qū)N區(qū)EIN2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管3.PN結的形成內電場EIN。其方向由N指向P。將阻止多子的擴散，故又稱其為阻擋層。阻擋層將有助于少子的漂移運動。

多子的擴散空間電荷層P區(qū)P區(qū)N區(qū)N區(qū)EIN2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管3.PN結的形成多子的擴散運動將使空間電荷區(qū)加寬；而少子的漂移運動將使其變窄。當兩種運動達到動態(tài)平衡時，空間電荷層的寬度將穩(wěn)定。

多子的擴散空間電荷層P區(qū)P區(qū)N區(qū)N區(qū)EIN2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管⑴外加正向電壓：當PN結的P區(qū)接電源正極、N區(qū)接電源負極時，稱為“外加正向電壓”，4、PN結的單向導電性EINEEXT也叫正向偏置，簡稱正偏。阻擋層變窄IF2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管當PN結正偏時，外加電壓形成的外電場EEXT的方向與內電場EIN相反，使空間電荷4、PN結的單向導電性層變窄，擴散電流大大超過飄移電流，形成正向電流IF，稱PN結處于導通狀態(tài)。EINEEXT阻擋層變窄IF2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管⑵外加反向電壓：當PN結的P區(qū)接電源負極、N區(qū)接電源正極時，稱為“外加反向電壓”，4、PN結的單向導電性也叫反向偏置，簡稱反偏。EINEEXT阻擋層變寬IR2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管當PN結反偏時，外加電壓形成的外電場EEXT的方向與內電場EIN相同，使空間電荷4、PN結的單向導電性層變寬，飄移電流超過擴散電流，形成反向電流IR，且IR的值很小，稱PN結處于截止狀態(tài)。EINEEXTIR阻擋層變寬2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管5、PN結的伏安特性右圖所示為PN結的伏安特性曲線圖，它描述了PN結兩端電壓u和流過PN結電流i之間的關系。

UON表示“導通電壓”U(RB)UONIRiu0U(RB)表示“反向擊穿電壓”,IR表示“反向電流”。二極管的伏安特性曲線根據(jù)理論推導，二極管的伏安特性曲線可用下式表示式中IS為反向飽和電流，V為二極管兩端的電壓降，VT=kT/q

稱為溫度的電壓當量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q

為電子電荷量，T為熱力學溫度。對于室溫（相當T=300K），則有VT=26mV。反向擊穿PN結上所加的反向電壓達到某一數(shù)值時，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，產生碰撞電離。形成連鎖反應，象雪崩一樣，使反向電流激增。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。（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

PN結的反向擊穿二極管V-I特性的建模

1.理想模型3.折線模型

2.恒壓降模型正偏時導通，管壓降為0V;反偏時截止，電流為0。管子導通后,管壓降認為是恒定的,典型值為0.7V。管壓降不是恒定的,而是隨電流的增加而增加。

4.小信號模型二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。即根據(jù)得Q點處的微變電導則常溫下（T=300K）

二極管V-I特性的建模

求電路的ID和VD，已知R=10K在兩種情況下計算:（1）VDD=10V（2）VDD=1V

解:二極管使用直流理想模型理想模型（1）VDD=10V時首先：將原始電路中的二極管用它的理想模型代替，得到右側的電路然后：判斷理想二極管的狀態(tài)（導通或截止）。方法：將理想二極管斷開，求陽極和陰極的電位差，若>0,則理想二極管正向導通；若<0，則理想二極管反向截止；在本題目中理想二極管正向導通，用理想的導線代替二極管因為只有直流電壓源作用，所以使用直流模型。（硅二極管典型值）2）二極管使用直流恒壓降模型首先：將原始電路中的二極管用它的直流恒壓降模型代替，得到右側的電路然后：判斷理想二極管的狀態(tài)（導通或截止）。方法：將理想二極管斷開，求陽極和陰極的電位差，若>0,則理想二極管正向導通；若<0，則理想二極管反向截止在本題目中理想二極管正向導通，用理想的導線代替二極管（硅二極管典型值）設二極管使用直流折線模型首先：將原始電路中的二極管用它的直流折線模型代替，得到右側的電路然后：判斷理想二極管的狀態(tài)（導通或截止）。方法：將理想二極管斷開，求陽極和陰極的電位差，若>0,則理想二極管正向導通；若<0，則理想二極管反向截止在本題目中理想二極管正向導通，用理想的導線代替二極管二極管使用直流理想模型（2）VDD=1V時首先：將原始電路中的二極管用它的理想模型代替，得到右側的電路然后：判斷理想二極管的狀態(tài)（導通或截止）。方法：將理想二極管斷開，求陽極和陰極的電位差，若>0,則理想二極管正向導通；若<0，則理想二極管反向截止在本題目中理想二極管正向導通，用理想的導線代替二極管（硅二極管典型值）2）二極管使用直流恒壓降模型首先：將原始電路中的二極管用它的直流恒壓降模型代替，得到右側的電路然后：判斷理想二極管的狀態(tài)（導通或截止）。方法：將理想二極管斷開，求陽極和陰極的電位差，若>0,則理想二極管正向導通；若<0，則理想二極管反向截止在本題目中理想二極管正向導通，用理想的導線代替二極管（硅二極管典型值）設二極管使用直流折線模型首先：將原始電路中的二極管用它的直流折線模型代替，得到右側的電路然后：判斷理想二極管的狀態(tài)（導通或截止）。方法：將理想二極管斷開，求陽極和陰極的電位差，若>0,則理想二極管正向導通；若<0，則理想二極管反向截止在本題目中理想二極管正向導通，用理想的導線代替二極管VDD=10V時VDD=1V時1）二極管使用直流理想模型2）二極管使用直流恒壓降模型VDD=10V時VDD=1V時（硅二極管典型值）（硅二極管典型值）二極管使用直流折線模型VDD=10V時VDD=1V時當電源電壓遠大于二極管管壓降的情況下，恒壓降模型就可以取得比較合理的結果當電源電壓較低時，就必須使用折線模型才可以取得比較合理的結果理想模型計算最簡單，但是誤差最大本題目中，二極管當作開關來使用，即在所有時間內均導通2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管2.1.2二極管的符號及其主要參數(shù)半導體二極管是最基本的半導體器件之一，具有“單向導電性”，主要分為檢波、開關、穩(wěn)壓及整流等類型。將一個PN結加上管腳引線、封上管殼就構成二極管。其電路符號如右所示。圖中：A端為陽極（正極）接PN結的P區(qū)，K端為陰極（負極）接PN結的N區(qū)。二極管符號2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管2.1.2二極管的符號及其主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)有：⑴最大正向電流IF:指允許流過的最大電流，正常工作時，應使其實際流過的電流小于IF

。⑵反向擊穿電壓U(RB):指二極管被反向擊穿時，對其施加的反向電壓值。⑶反向電流IR:指在室溫下，在規(guī)定反向電壓的范圍內，測出的反向電流值。約為幾十納安。⑷最高工作頻率fT:指允許工作頻率的上限值，當超過它時，二極管將失去單向導電性。2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管⑸反向恢復時間tre:指二極管在開關運用時，由導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài)所經(jīng)歷的時間，通常為幾納秒，越小越好。2.1.2二極管的符號及其主要參數(shù)⑹溫度影響:由于二極管含有兩種載流子，特別是少數(shù)載流子的漂移運動受溫度的影響很大。即當溫度升高時，IR將急劇增加，硅管的IR值比鍺管的要小得多。一．勢壘電容CB勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。PN結的電容效應（非線性電容）高頻應用CB大小與PN結面積成正比，與耗盡區(qū)厚度成反比，而耗盡區(qū)厚度隨外加電壓的改變而改變VDCBCB與結電阻并聯(lián)反偏時，結電阻大，CB小，高頻影響大正偏時，結電阻小，CB大，影響小非線性電容

擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。二．擴散電容CD當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管2.1.3二極管應用舉例二極管的伏安特性是一個非線性曲線。在實際分析電路時，為了簡單起見，一般把它視為一個理想的開關：在導通時，視為“短路”或一個低值電阻rD，截止時，視為“開路”。例2.1.1限幅電路右圖所示是一個簡單的限幅電路，假設ui為一周期性矩形脈沖，高電平為+5V,低電平為-5V。2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管ui/vuo/vt/mst/ms(a)(b)解：當輸入ui為-5V時，二極管截止，視為開路，輸出uo=0V;當輸入ui為+5V時，二極管導通，其導通電阻rD相對于R很小，故輸出uo≈+5V。2/4/2023第一節(jié)：半導體二極管2.1.4穩(wěn)壓管及其應用穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，是模擬電路中常用的一種元件。穩(wěn)壓管正常工作在反向擊穿狀態(tài)。這時，即使當穩(wěn)壓管中的電流值發(fā)生波動，其兩端電壓的變化也會很小，得到一個穩(wěn)定的輸出電壓。U(RB)UONIRiu0為使穩(wěn)壓管不會因過流而損壞，應在電路中加限流電阻。穩(wěn)壓管應用 穩(wěn)壓管正常工作的兩個條件：a.必須工作在反向擊穿狀態(tài)；b.流過管子的電流必須介于穩(wěn)定電流和最大電流之間。典型應用如圖所示：當輸入電壓vi和負載電阻RL在一定范圍內變化時，流過穩(wěn)壓管的電流發(fā)生變化，而穩(wěn)壓管兩端的電壓Vz變化很小，即輸出電壓vo基本穩(wěn)定。電阻R的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，以調節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管應用如果輸入電壓Vi（Vi>VZ）確定，穩(wěn)壓管處于穩(wěn)壓狀態(tài)。負載電阻RL增大，IL減小，IZ增大，只要IZ<IZmax

，穩(wěn)壓管仍能正常工作。負載電阻RL減小，IL增大，IZ減小，只要IZ>IZmin，穩(wěn)壓管仍能正常工作。開關電路在數(shù)字電路中實現(xiàn)與邏輯~220Ve2iDuL整流電路整流電路是最基本的將交流轉換為直流的電路1、半波整流e2E2m+-iDuL整流電路中的二極管是作為開關運用，具有單向導電性~220Ve2iDuL+-2、全波整流~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLe2’e2-