模擬電子技術(shù)華中理工版第二章學(xué)習(xí)課件

2半導(dǎo)體二極管及其基本電路重點(diǎn)：晶體二極管的原理、伏安特性及電流方程。難點(diǎn)：1.兩種載流子2.PN結(jié)的形成3.單向?qū)щ娦?.載流子的運(yùn)動(dòng)重點(diǎn)難點(diǎn)2半導(dǎo)體二極管及其基本電路2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)2.3半導(dǎo)體二極管2.4二極管基本電路及其分析方法2.5特殊二極管2.2PN結(jié)的形成及特性2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

2.1.1半導(dǎo)體材料

2.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

2.1.3本征半導(dǎo)體

2.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體二、半導(dǎo)體的特點(diǎn)1、光敏性和熱敏性:2、摻雜性：2.1.3本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?，F(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。1.載流子、自由電子和空穴+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子

2.1.3本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)?？昭ā矁r(jià)鍵中的空位。電子空穴對(duì)——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)。空穴的移動(dòng)——空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次填充空穴來實(shí)現(xiàn)的?？昭ǖ囊苿?dòng)溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。

1.N型半導(dǎo)體因五價(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)。

2.P型半導(dǎo)體因三價(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)空穴。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?？昭ê苋菀追@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)。本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體

本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子、空穴N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子、少數(shù)載流子施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)

2.2.1PN結(jié)的形成圖2.2.1PN結(jié)的形成PN結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散,稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流成為擴(kuò)散電流內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子向?qū)Ψ降臄U(kuò)散即阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)同時(shí)促進(jìn)少子向?qū)Ψ狡萍创龠M(jìn)了漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)=漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡3

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

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

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)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。－－－－++++RE（1）PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變窄PN+_內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。I擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)〉漂移運(yùn)動(dòng)（2）PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。REI≈0－－－－++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)〈漂移運(yùn)動(dòng)

2.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?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，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)

高電阻很小的反向漂移電流

在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)的伏安特性

2.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(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）

2.2.3

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電擊穿——可逆2.3半導(dǎo)體二極管

2.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

2.3.2二極管的伏安特性

2.3.3二極管的參數(shù)

2.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(3)平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4)二極管的代表符號(hào)半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片

2.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性

2.3.3二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)極間電容Cd

二極管電路分析定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

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

若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。

2.4.2應(yīng)用舉例二極管的應(yīng)用應(yīng)用一、箝制電位的作用：將電路某點(diǎn)的電位箝制在某一數(shù)值。例1：已知：DA和DB為硅二極管，求下列情況下輸出端電位VF的值。（1）電路如圖，求：UABV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例2：

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，二極管起箝位作用。D6V12V3kBAUAB+–例3:電路如圖所示，設(shè)二極管

D1，D2，D3

的正向壓降忽略不計(jì)，求輸出電壓

uO。兩個(gè)二極管的陰極接在一起取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。V1陽=－6V，V2陽=0V，V1陰=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例4:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB

在這里，D2起箝位作用，D1起隔離作用。

BD16V12V3kAD2UAB+–應(yīng)用二、隔離的作用：二極管截止時(shí)相當(dāng)于開路，可用來隔斷電路或信號(hào)之間的聯(lián)系。ui>2V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=2V

ui<2V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：

US=2V，二極管是理想的，試畫出uo

波形。2V例5：ui3V參考點(diǎn)二極管陰極電位為2VDUSRuoui++––應(yīng)用三、限幅的作用：將輸出電壓的幅值限制在某一數(shù)值。思考：當(dāng)Us分別為2V、4V，而ui分別為3V、3sinωtV時(shí)，uo的波形又將如何？RLuiuouiuott（1）單相半波整流

利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娮儞Q為脈動(dòng)的直流電。特點(diǎn)：只利用了半個(gè)周期。應(yīng)用四、整流的作用定義：交流直流整流逆變本課小結(jié)二極管的應(yīng)用應(yīng)用一、箝制電位作用應(yīng)用二、隔離作用二極管的特性：單向?qū)щ娦哉驅(qū)ǎ聪蚪刂?。?yīng)用三、限幅作用應(yīng)用四、整流作用2.5特殊體二極管

2.5.1穩(wěn)壓二極管

2.5.2變?nèi)荻O管

2.5.3光電子器件1.光電二極管2.發(fā)光二極管3.激光二極管2.5.1穩(wěn)壓二極管1.符號(hào)及穩(wěn)壓特性(a)符號(hào)(b)伏安特性利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。(1)穩(wěn)定電壓VZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。(2)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)2.5.1穩(wěn)壓二極管(1)當(dāng)輸入電壓變化時(shí)如何穩(wěn)壓根據(jù)電路圖可知

輸入電壓VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，從而使IZ增加，IR增加，使VR增加，從而使輸出電壓VO減小。這一穩(wěn)壓過程可概括如下：這里VO減小應(yīng)理解為，由于輸入電壓VI的增加，在穩(wěn)壓二極管的調(diào)節(jié)下，使VO的增加沒有那么大而已。VO還是要增加一點(diǎn)的，這是一個(gè)有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓圖10.02硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路(2)當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)如何穩(wěn)壓

負(fù)載電流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，從而使VZ=VO減小，IZ減小。IZ的減小必然使IR減小，VR減小，從而使輸出電壓VO增加。這一穩(wěn)壓過程可概括如下：

IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑2.5.1穩(wěn)壓二極管3.穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時(shí)VO=VZIZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以嗎？#上述電路VI為正弦波，且幅值大于VZ，VO的波形是怎樣的？特殊類型的二極管變?nèi)荻O管利用結(jié)勢(shì)壘電容CT隨外電壓U的變化而變化的特點(diǎn)制成的二極管。符號(hào)：注意：使用時(shí)，應(yīng)加反向電壓光電二極管定義：有光照射時(shí)，將有電流產(chǎn)生的二極管類型：PIN型、PN型、雪崩型結(jié)構(gòu)：和普通的二極管基本相同工作原理：利用光電導(dǎo)效應(yīng)工作，PN結(jié)工作在反偏態(tài)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，束縛電子獲得光能變成自由電子，形成光生電子—空穴對(duì)，在外電場(chǎng)的作用下形成光生電流DEDDRLUDIP注意：應(yīng)在反壓狀態(tài)工作發(fā)光二極管