半導(dǎo)體二極管及基本電路

第一章半導(dǎo)體二極管及基本電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第一章半導(dǎo)體二極管及基本電路1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.2

PN結(jié)的形成及特性1.3二極管及伏安特性1.5二極管基本電路及分析方法1.6特殊二極管1.4二極管的等效模型1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)一、本征半導(dǎo)體無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、半導(dǎo)體導(dǎo)電物質(zhì)可分為：導(dǎo)體：金屬絕緣體：惰性氣體、橡皮、瓷等半導(dǎo)體：介于以上兩者之間，如硅、鍺等半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：1、半導(dǎo)體導(dǎo)電能力受環(huán)境影響很大（1）受溫度：當(dāng)溫度改變時(shí)，其導(dǎo)電能力改變熱敏元件（2）受光照：當(dāng)光照強(qiáng)度改變時(shí)，其導(dǎo)電能力改變光敏元件2、半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)2、本征半導(dǎo)體（純半導(dǎo)體）Si：14個(gè)電子2）8）4Ge：32個(gè)電子2）8）18）44價(jià)元素價(jià)電子數(shù)可決定物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)（1）（2）晶體結(jié)構(gòu)晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si自由電子空穴本征激發(fā)產(chǎn)生成對(duì)的自由電子和空穴（3）本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

溫度愈高或光照越強(qiáng)，晶體中產(chǎn)生的成對(duì)的自由電子和空穴便愈多。自由電子和空穴形成兩種載流子

在外電場(chǎng)的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。注意：(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。二、N型半導(dǎo)體和

P型半導(dǎo)體（雜質(zhì)半導(dǎo)體）多余電子磷原子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的5價(jià)元素，形成N型半導(dǎo)體。

Si

Si

Si

Sip+在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?、N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子：自由電子

少數(shù)載流子：空穴

動(dòng)畫2、P型半導(dǎo)體

Si

Si

Si

SiB–硼原子空穴

注意：無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的（其正負(fù)電荷數(shù)相等），對(duì)外不顯電性、不帶電。在本征半導(dǎo)體中摻入微量的3價(jià)元素，形成P型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子：空穴

少數(shù)載流子：自由電子

動(dòng)畫

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba1.2PN結(jié)及單向?qū)щ娦砸?、PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結(jié)

－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)1、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

由于濃度不同，多子運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)電場(chǎng)，阻礙了多子繼續(xù)擴(kuò)散。2、漂移運(yùn)動(dòng)

少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成漂移運(yùn)動(dòng)。動(dòng)畫又稱為耗盡層二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?、PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負(fù)外電場(chǎng)I

外電場(chǎng)克服內(nèi)電場(chǎng)，使多子不斷擴(kuò)散，形成較大的擴(kuò)散電流，此時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)低阻，處于導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)電場(chǎng)PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動(dòng)畫+–

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。2、PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)P接負(fù)、N接正

內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－動(dòng)畫–+PN結(jié)變寬IS

外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，使多子不能擴(kuò)散，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。PN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——可逆

電擊穿PN結(jié)的電流方程常溫下的電壓當(dāng)量UT：IS：PN結(jié)反向飽和電流3、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢(shì)壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢(shì)壘電容CB。2.擴(kuò)散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容CD。結(jié)電容：

結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦裕?.3

半導(dǎo)體二極管及伏安特性一、基本結(jié)構(gòu)、符號(hào)金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點(diǎn)接觸型二極管就是一個(gè)PN結(jié)。

1、結(jié)構(gòu)：P區(qū)為正（陽）極，N區(qū)為負(fù)（陰）極鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型陰極陽極D2、符號(hào)：將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。二極管的種類小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管晶體二極管的單向?qū)щ娦岳枚O管的這個(gè)特性，可使用二極管進(jìn)行檢波和整流。單向?qū)щ娦裕?/p>

二、伏安特性特點(diǎn)：非線性二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量

從二極管的伏安特性可以反映出：2.

伏安特性受溫度影響T(℃)↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線T(℃)↑→正向特性左移，反向特性下移.

1.單向?qū)щ娦匀?、二極管的主要參數(shù)最大整流電流：最大正向平均電流反向擊穿電壓:反向最大瞬時(shí)電壓反向電流:未擊穿時(shí)的反向電流極間電容:擴(kuò)散電容和勢(shì)壘電容之和最大工作頻率：使二極管保持單向?qū)щ娦阅艿淖罡哳l率1.4二極管的等效模型將二極管的伏安特性折線化，以簡(jiǎn)化分析計(jì)算。理想模型導(dǎo)通時(shí)UD＝0截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)UD＝Uon截止時(shí)IS＝0折線模型應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！恒壓降模型導(dǎo)通時(shí)UD＝Uon+IDrD截止時(shí)IS＝0一、二極管直流等效電路最接近實(shí)際模型二極管在直流（靜態(tài)）基礎(chǔ)上疊加一個(gè)交流（動(dòng)態(tài)）信號(hào)作用時(shí)，可將二極管等效為一個(gè)電阻，這個(gè)電阻稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是二極管的微變等效電路。二、二極管小信號(hào)等效電路也稱微變等效電路。Q越高，rd越小。ui=0，時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流靜態(tài)工作點(diǎn)微變等效電路用于二極管電路的交流分析。交流信號(hào)1.5二極管基本電路及分析方法一、直流分析

1.二極管的靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V時(shí)定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低.（R=10k）（2）VDD=10V時(shí)恒壓降模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)（R=10k）（3）VDD=10V時(shí)rDUon電路如圖，求：UAB

若考慮管壓降，UAB

為－6.3Ｖ（鍺管）或－6.7V（硅管）

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。

在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–分析：V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若二極管做理想模型處理，可看作短路，UAB=－6V二極管開關(guān)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。

若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UABBD16V12V3kAD2UAB+–分析：V1陽

=－6V共陰極接法：陽極電位高的先導(dǎo)通。V2陽>

V1陽

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。V2陽=0V

V1陰

=V2陰=－12V

共陽極接法：陰極電位低的先導(dǎo)通。可看作短路

uo=8V已知：二極管是理想的，試畫出

uo

波形。8V例3：二極管的用途：整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––可看作開路

uo=ui

當(dāng)ui<8V時(shí)：二極管截止

當(dāng)ui＞8V時(shí)：二極管導(dǎo)通討論

判斷電路中二極管的工作狀態(tài)，求解輸出電壓。如何判斷二極管工作狀態(tài)？1.V＝2V、5V、10V時(shí)二極管中的直流電流各為多少？

V較小時(shí)應(yīng)實(shí)測(cè)伏安特性，用圖解法求ID。QIDV＝5V時(shí)，V=10V時(shí)，uD=V-iDR

二、交流微變等效電路2.若輸入電壓的有效值為5mV，則上述各種情況下二極管中的交流電流各為多少？(1)V＝2V，ID≈2.6mA(2)V＝5V，ID≈8.6mA(3)V＝10V，ID≈50mA在伏安特性上，Q點(diǎn)越高，二極管的動(dòng)態(tài)電阻越小！2.符號(hào)

3.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓為使IZ＜IZM，使用時(shí)必須要加限流電阻原理：穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。1.結(jié)構(gòu)

由一個(gè)PN結(jié)組成的特殊二極管

DZ一、穩(wěn)壓二極管1.6特殊二極管進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流6、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＝Δ