Diode介紹及基本應(yīng)用

Diode介紹及基本應(yīng)用PDEE：王念茂肖磊Diode內(nèi)容1.半導(dǎo)體基礎(chǔ)

2.P-N結(jié)的形成

3.二極管參數(shù)及特性

4.二極管應(yīng)用舉例2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。返回2.1.1半導(dǎo)體的基本知識硅和鍺是制作晶體管的半導(dǎo)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(dāng)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(gòu)成共價健，如圖所示。2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在室溫下，本征半導(dǎo)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(dǎo)體的基本知識

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

(a)共價健結(jié)構(gòu)(b)電子—空穴對共價健空穴自由電子自由電子帶負(fù)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(dǎo)體二極管

(a)共價健結(jié)構(gòu)(b)電子—空穴對共價健空穴自由電子熱激發(fā)產(chǎn)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(jié)合而成對消失，稱為復(fù)合。當(dāng)溫度一定時，這種產(chǎn)生與復(fù)合呈動態(tài)平衡，當(dāng)溫度升高時，電子—空穴對濃度將加大。2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管在室溫下，本征半導(dǎo)體中電子和空穴載流子的濃度很低，導(dǎo)電性能很差，然而，在本征半導(dǎo)體內(nèi)摻入微量“雜質(zhì)”后，其導(dǎo)電性能將明顯提高，并且其導(dǎo)電性能可以通過摻雜的多少來人為地控制。N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體都是摻雜了的半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管常用半導(dǎo)體的分類按材料分：按摻雜元素分：N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體硅型半導(dǎo)體鍺型半導(dǎo)體下面將以硅材料為例介紹N型和P型半導(dǎo)體2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)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(dǎo)體2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)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(chǎn)生的空穴。故將這種半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體，或N型半導(dǎo)體。在N型半1、N型半導(dǎo)體導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)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(chǎn)生的空穴。故將這種半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體，或P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)2、P型半導(dǎo)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(dǎo)體二極管通過一定的工藝，將一塊完整的半導(dǎo)體的一部分摻雜成P型半導(dǎo)體，另一部分摻雜成N型半導(dǎo)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(jié)。3、PN結(jié)的形成

PN結(jié)的形成示意圖N區(qū)P區(qū)2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)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(jié)的形成

PN結(jié)的形成示意圖P區(qū)N區(qū)2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管擴散的結(jié)果使P區(qū)的空穴減少，而失去空穴的原子變成帶負(fù)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(jié)的形成

PN結(jié)的形成示意圖N區(qū)P區(qū)2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管3.PN結(jié)的形成由圖可知：空間電荷層靠P區(qū)的一邊帶負(fù)電，靠N區(qū)的一邊帶正電。產(chǎn)生了一個內(nèi)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(dǎo)體二極管3.PN結(jié)的形成內(nèi)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(dǎo)體二極管3.PN結(jié)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(dāng)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(dǎo)體二極管⑴外加正向電壓：當(dāng)PN結(jié)的P區(qū)接電源正極、N區(qū)接電源負(fù)極時，稱為“外加正向電壓”，4、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訣INEEXT也叫正向偏置，簡稱正偏。阻擋層變窄IF2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管當(dāng)PN結(jié)正偏時，外加電壓形成的外電場EEXT的方向與內(nèi)電場EIN相反，使空間電荷4、PN結(jié)的單向?qū)щ娦詫幼冋?，擴散電流大大超過飄移電流，形成正向電流IF，稱PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。EINEEXT阻擋層變窄IF2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管⑵外加反向電壓：當(dāng)PN結(jié)的P區(qū)接電源負(fù)極、N區(qū)接電源正極時，稱為“外加反向電壓”，4、PN結(jié)的單向?qū)щ娦砸步蟹聪蚱茫喎Q反偏。EINEEXT阻擋層變寬IR2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管當(dāng)PN結(jié)反偏時，外加電壓形成的外電場EEXT的方向與內(nèi)電場EIN相同，使空間電荷4、PN結(jié)的單向?qū)щ娦詫幼儗?，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(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。EINEEXTIR阻擋層變寬2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管5、PN結(jié)的伏安特性右圖所示為PN結(jié)的伏安特性曲線圖，它描述了PN結(jié)兩端電壓u和流過PN結(jié)電流i之間的關(guān)系。

UON表示“導(dǎo)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(dǎo)，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(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q

為電子電荷量，T為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當(dāng)T=300K），則有VT=26mV。反向擊穿PN結(jié)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(dāng)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(yīng)，象雪崩一樣，使反向電流激增。齊納擊穿當(dāng)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(jié)的電流或電壓較大，使PN結(jié)耗散功率超過極限值，使結(jié)溫升高，導(dǎo)致PN結(jié)過熱而燒毀

PN結(jié)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(dǎo)通，管壓降為0V;反偏時截止，電流為0。管子導(dǎo)通后,管壓降認(rèn)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(nèi)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(dǎo)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(cè)的電路然后：判斷理想二極管的狀態(tài)（導(dǎo)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?qū)?；?lt;0，則理想二極管反向截止；在本題目中理想二極管正向?qū)?，用理想的?dǎo)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(cè)的電路然后：判斷理想二極管的狀態(tài)（導(dǎo)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?qū)?；?lt;0，則理想二極管反向截止在本題目中理想二極管正向?qū)?，用理想的?dǎo)線代替二極管（硅二極管典型值）設(shè)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(cè)的電路然后：判斷理想二極管的狀態(tài)（導(dǎo)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?qū)ǎ蝗?lt;0，則理想二極管反向截止在本題目中理想二極管正向?qū)?，用理想的?dǎo)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(cè)的電路然后：判斷理想二極管的狀態(tài)（導(dǎo)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?qū)?；?lt;0，則理想二極管反向截止在本題目中理想二極管正向?qū)ǎ美硐氲膶?dǎo)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(cè)的電路然后：判斷理想二極管的狀態(tài)（導(dǎo)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?qū)?；?lt;0，則理想二極管反向截止在本題目中理想二極管正向?qū)ǎ美硐氲膶?dǎo)線代替二極管（硅二極管典型值）設(shè)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(cè)的電路然后：判斷理想二極管的狀態(tài)（導(dǎo)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?qū)ǎ蝗?lt;0，則理想二極管反向截止在本題目中理想二極管正向?qū)?，用理想的?dǎo)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(dāng)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(jié)果當(dāng)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(jié)果理想模型計算最簡單，但是誤差最大本題目中，二極管當(dāng)作開關(guān)來使用，即在所有時間內(nèi)均導(dǎo)通2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管2.1.2二極管的符號及其主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管是最基本的半導(dǎo)體器件之一，具有“單向?qū)щ娦浴?，主要分為檢波、開關(guān)、穩(wěn)壓及整流等類型。將一個PN結(jié)加上管腳引線、封上管殼就構(gòu)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(jié)的P區(qū)，K端為陰極（負(fù)極）接PN結(jié)的N區(qū)。二極管符號2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)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(yīng)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(nèi)，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(dāng)超過它時，二極管將失去單向?qū)щ娦浴?/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管⑸反向恢復(fù)時間tre:指二極管在開關(guān)運用時，由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)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(dāng)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(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。PN結(jié)的電容效應(yīng)（非線性電容）高頻應(yīng)用CB大小與PN結(jié)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(jié)電阻并聯(lián)反偏時，結(jié)電阻大，CB小，高頻影響大正偏時，結(jié)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(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)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(fù)合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。二．?dāng)U散電容CD當(dāng)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(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)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(dǎo)體二極管2.1.3二極管應(yīng)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(guān)：在導(dǎo)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(shè)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(dǎo)體二極管ui/vuo/vt/mst/ms(a)(b)解：當(dāng)輸入ui為-5V時，二極管截止，視為開路，輸出uo=0V;當(dāng)輸入ui為+5V時，二極管導(dǎo)通，其導(dǎo)通電阻rD相對于R很小，故輸出uo≈+5V。2/4/2023第一節(jié)：半導(dǎo)體二極管2.1.4穩(wěn)壓管及其應(yīng)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(dāng)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(yīng)在電路中加限流電阻。穩(wěn)壓管應(yīng)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(yīng)用如圖所示：當(dāng)輸入電壓vi和負(fù)載電阻RL在一定范圍內(nèi)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(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，以調(diào)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(yīng)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(fù)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(fù)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(guān)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(zhuǎn)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(guān)運用，具有單向?qū)щ娦詞220Ve2iDuL+-2、全波整流~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLe2’e2-