模電半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路

模電半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第1章緒論第2章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路第3章半導(dǎo)體三極管及其放大電路基礎(chǔ)第4章多級放大電路及模擬集成電路基礎(chǔ)第5章信號運算電路第6章負反饋放大電路第7章信號處理與產(chǎn)生電路第8章場效應(yīng)管及其放大電路第9章功率放大電路第10章集成運算放大器第11章直流電源2第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路2.1PN結(jié)的基本知識2.2半導(dǎo)體二極管2.3二極管應(yīng)用電路2.4特殊二極管2半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.1PN結(jié)的基本知識2.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體2.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.1.4PN結(jié)電容半導(dǎo)體:導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間 典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。導(dǎo)電的重要特點1、其能力容易受環(huán)境因素影響（溫度、光照等）2、摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力原子結(jié)構(gòu)簡化模型4第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五圖2.1.1本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)2.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性2.1PN結(jié)的基本知識1.本征半導(dǎo)體

—完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在T=0K和無外界激發(fā)時，沒有載流子，不導(dǎo)電原子結(jié)構(gòu)簡化模型5第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五溫度光照自由電子空穴本征激發(fā)空穴—

共價鍵中的空位空穴的移動——空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。由熱激發(fā)或光照而產(chǎn)生自由電子和空穴對。溫度

載流子濃度＋2.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性2.1PN結(jié)的基本知識2.本征激發(fā)復(fù)合－本征激發(fā)的逆過程載流子:自由移動帶電粒子6第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五圖2.1.3N型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體2.1PN結(jié)的基本知識圖2.1.4P型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)1.N型半導(dǎo)體摻入少量的五價元素磷P2.P型半導(dǎo)體摻入少量的三價元素硼B(yǎng)自由電子是多數(shù)載流子（簡稱多子）空穴是少數(shù)載流子（簡稱少子）空穴是多數(shù)載流子自由電子為少數(shù)載流子。空間電荷7第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響8第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五本征半導(dǎo)體、本征激發(fā)本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子空穴N型半導(dǎo)體、施主雜質(zhì)(5價)P型半導(dǎo)體、受主雜質(zhì)(3價)多數(shù)載流子、少數(shù)載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體復(fù)合*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點1： 其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響 溫度↑→載流子濃度↑→導(dǎo)電能力↑*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點2：摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力9第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五1.濃度差多子的擴散運動2.擴散空間電荷區(qū)內(nèi)電場3.內(nèi)電場少子的漂移運動

阻止多子的擴散4、擴散與漂移達到動態(tài)平衡載流子的運動：擴散運動——濃度差產(chǎn)生的載流子移動漂移運動——在電場作用下，載流子的移動P區(qū)N區(qū)擴散：空穴電子漂移：電子空穴形成過程可分成4步(動畫)內(nèi)電場2.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成10第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五PN結(jié)形成的物理過程：因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)對于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。擴散>

漂移否是寬11第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r才…擴散與漂移的動態(tài)平衡將…定義：加正向電壓，簡稱正偏加反向電壓，簡稱反偏擴散>漂移大的正向擴散電流（多子）低電阻正向?qū)ㄆ?gt;擴散很小的反向漂移電流（少子）高電阻反向截止12第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

圖2.1.6外加正向電壓時的PN結(jié)圖2.1.7外加反向電壓時的PN結(jié)2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?3第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五圖2.1.8PN結(jié)伏安特性3.PN結(jié)的伏安特性正向特性反向特性反向擊穿特性倍增效應(yīng)雪崩擊穿齊納擊穿2.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?4第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五圖2.1.10擴散電容效應(yīng)(1)勢壘電容CB(2)擴散電容CD

2.1.4PN結(jié)電容2.1PN結(jié)的基本知識用來描述勢壘區(qū)的空間電荷隨外加電壓變化而變化的電容效應(yīng)多數(shù)載流子的擴散運動是形成擴散電容的主要因素圖2.1.9勢壘電容與外加電壓關(guān)系15第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.2半導(dǎo)體二極管2.2.1二極管的結(jié)構(gòu)2.2.2二極管的伏安特性2.2.3二極管的主要參數(shù)2.2.4二極管模型PN結(jié)加上引線和封裝二極管按結(jié)構(gòu)分類點接觸型面接觸型平面型16第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五點接觸型面接觸型平面型

2.2.1二極管的結(jié)構(gòu)17第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五圖2.2.2硅二極管的2CP10的伏安特性圖2.2.3鍺二極管2AP15的伏安特性

2.2.2二極管的伏安特性2.2半導(dǎo)體二極管正向特性反向特性反向擊穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）注意1.死區(qū)電壓（門坎電壓）2.反向飽和電流 硅：0.1A；鍺：10A3.PN結(jié)方程（近似）18第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五圖2.2.4溫度對二極管特性曲線的影響示意圖溫度對二極管特性的影響19第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五1.最大整流電流IF

2.最高反向工作電壓VRM

3.反向電流IR

4.極間電容Cd5.最高工作頻率fM

2.2.3二極管的主要參數(shù)2.2半導(dǎo)體二極管圖2.2.3鍺二極管2AP15的伏安特性20第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五圖2.2.5理想模型（a）伏安特性曲線（b）代表符號（c）正向偏置時的電路模型（d）反向偏置時的電路模型

2.2.4二極管模型2.2半導(dǎo)體二極管21第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

圖2.2.6恒壓降模型圖2.2.7折線模型(a)伏安特性曲線(b)代表符號(a)伏安特性曲線(b)代表符號22第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五圖2.2.8小信號模型(a)伏安特性曲線(b)代表符號23第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.3二極管應(yīng)用電路2.3.1整流電路2.3.2限幅電路2.3.3鉗位電路24第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

2.3.1整流電路

（a）（b）圖2.3.1單向半波整流電路（a）電路圖（b）vI和vO的波形2.3二極管應(yīng)用電路25第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

（a）（b）圖2.3.2單向全整流電路（a）電路圖（b）v2和vo的波形26第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

（a） （b） （c）圖2.3.3二極管限幅電路

（a）電路圖（b）vi＞VB時的等效電路（c）vi＜VB時的等效電路

2.3.2限幅電路2.3二極管應(yīng)用電路27第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五圖2.3.4二極管限幅電路波形圖28第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五

圖2.3.5二極管鉗位電路

(a）電路圖（b）輸入電壓波形（c）電容兩端電壓波形（d）輸出電壓波形(a)(c)

2.3.3鉗位電路2.3二極管應(yīng)用電路29第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五2.4特殊二極管2.4.1穩(wěn)壓二極管2.4.2光電二極管2.4.3發(fā)光二極管2.4.4激光二極管30第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期五1.穩(wěn)壓管及其穩(wěn)壓作用2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓VZ

(2)穩(wěn)定電流IZ

(3)動態(tài)電阻rZ

（a） （b）圖2.4.1穩(wěn)壓管電路符號與伏安特性

（a）電路符號（b）伏安特性(4)額定功耗PZ

(5)穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)K