模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章二極管及其基本電路

3.1半導(dǎo)體的基本知識

半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用

雜質(zhì)半導(dǎo)體目前一頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.1.1半導(dǎo)體材料

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。目前二頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)目前三頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.1.3本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(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)。由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對目前四頁\總數(shù)六十頁\編于八點電子-空穴對

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。空穴的移動——空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次填充空穴來實現(xiàn)的。目前五頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。目前六頁\總數(shù)六十頁\編于八點1.N型半導(dǎo)體

因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價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雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。目前七頁\總數(shù)六十頁\編于八點2.P型半導(dǎo)體

因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

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。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。目前八頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

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:3以上三個濃度基本上依次相差約106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

4.96×1022/cm3

目前九頁\總數(shù)六十頁\編于八點

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)目前十頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.2PN結(jié)的形成及特性

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的反向擊穿

PN結(jié)的電容效應(yīng)

載流子的漂移與擴散目前十一頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.2.1載流子的漂移與擴散漂移運動：由電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。目前十二頁\總數(shù)六十頁\編于八點

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴散不同的雜質(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

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(dá)到動態(tài)平衡。多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)3.2.2PN結(jié)的形成目前十三頁\總數(shù)六十頁\編于八點目前十四頁\總數(shù)六十頁\編于八點

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。目前十五頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當(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。

(1)PN結(jié)加正向電壓時

低電阻

大的正向擴散電流目前十六頁\總數(shù)六十頁\編于八點

(2)PN結(jié)加反向電壓時

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)，這個電流也稱為反向飽和電流。目前十七頁\總數(shù)六十頁\編于八點

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；

PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。目前十八頁\總數(shù)六十頁\編于八點

(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）目前十九頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.2.4PN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，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——可逆目前二十頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴散電容CD擴散電容示意圖外加電壓變化擴散到對方區(qū)域在靠近PN結(jié)附近累積的載流子濃度發(fā)生變化等效于電容充放電目前二十一頁\總數(shù)六十頁\編于八點

(2)勢壘電容CB外加電壓變化離子層厚薄變化等效于電容充放電目前二十二頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.3二極管

二極管的結(jié)構(gòu)

二極管的伏安特性

二極管的主要參數(shù)目前二十三頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.3.1二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型兩大類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。目前二十四頁\總數(shù)六十頁\編于八點（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號

(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)面接觸型目前二十五頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.3.2二極管的V-I特性二極管的V-I特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性目前二十六頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.3.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR(3)反向電流IR(6)極間電容Cd（CB、CD）(7)反向恢復(fù)時間TRR(4)

正向壓降VF(5)動態(tài)電阻rd目前二十七頁\總數(shù)六十頁\編于八點

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR———和最大反向工作電壓VRM

二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。

為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。

(3)反向電流IR

在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。目前二十八頁\總數(shù)六十頁\編于八點

(4)正向壓降VF(5)動態(tài)電阻rd

在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.5～0.8V；鍺二極管約0.1～0.3V。

反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然，rd與工作電流的大小有關(guān)，即

rd=VF/IF目前二十九頁\總數(shù)六十頁\編于八點半導(dǎo)體二極管圖片目前三十頁\總數(shù)六十頁\編于八點半導(dǎo)體二極管圖片目前三十一頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.4

二極管的基本電路及其分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管電路的簡化模型分析方法目前三十二頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。目前三十三頁\總數(shù)六十頁\編于八點例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點目前三十四頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模

將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型

（a）V-I特性（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目前三十五頁\總數(shù)六十頁\編于八點（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型=0.5vvD=Vth+rDiD目前三十六頁\總數(shù)六十頁\編于八點（4）小信號模型vs=0時,Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時（Vm<<VDD）,將Q點附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。目前三十七頁\總數(shù)六十頁\編于八點

過Q點的切線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)常溫下（T=300K）則（a）V-I特性（b）電路模型

特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。

目前三十八頁\總數(shù)六十頁\編于八點2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vO的波形目前三十九頁\總數(shù)六十頁\編于八點目前四十頁\總數(shù)六十頁\編于八點（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）

當(dāng)VDD=10V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)VDD=1V時,分析方法同上（a）簡單二極管電路（b）習(xí)慣畫法

目前四十一頁\總數(shù)六十頁\編于八點（3）限幅電路

電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI=6sintV時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。

目前四十二頁\總數(shù)六十頁\編于八點

雙向限幅電路目前四十三頁\總數(shù)六十頁\編于八點

例：

電路如圖，二極管為硅二極管，VD=0.7V，vs=VmsintV，且Vm>>VD

，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。

vs的負(fù)半周，D導(dǎo)通，C充電，但無放電回路，最后（穩(wěn)態(tài)）VC=Vm-VD=Vm–0.7V（Vm是振幅值）此后輸出電壓為vO=vs+VC=vs+Vm-

0.7V

將輸入波形的底部鉗位在了-0.7V的直流電平上。若顛倒二極管的方向，vO的波形將怎樣變化？目前四十四頁\總數(shù)六十頁\編于八點在開關(guān)電路中，判斷二極管是導(dǎo)通的還是截止的方法如下：

對于單只二極管而言，首先將二極管斷開，進行計算VP、VN的電壓值，若VP＞VN，則二極管是導(dǎo)通的；若VP＜VN，則二極管是截止的。

對于并聯(lián)二極管而言，首先將二極管斷開，分別進行計算VPi、VNi的電壓值，max(VPi、VNi)并且大于0，則正向電壓值大的二極管先導(dǎo)通，余下的被鉗位。

導(dǎo)通管的壓降看做常值（硅0.7V，鍺0.2V）或0V（理想二極管）；截止管所在支路看做斷開，電路中所有二極管判明后，進一步計算所要求的各物理量。（4）開關(guān)電路目前四十五頁\總數(shù)六十頁\編于八點電路如圖所示，求AO的電壓值解：

先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點為0V。

則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。例:目前四十六頁\總數(shù)六十頁\編于八點例：理想二極管，求VAO解：(c)

VPN1=12V,VPN2=－3V,則D1導(dǎo)通，D2截止。VAO=0V。

(d)

VPN1=12V,VPN2=18V,則D2先導(dǎo)通，D2導(dǎo)通以后，VAO=－6V，此時D1處于截止?fàn)顟B(tài)。目前四十七頁\總數(shù)六十頁\編于八點例：判斷D導(dǎo)通還是截止？解：目前四十八頁\總數(shù)六十頁\編于八點例：理想模型輸入電壓為0V或5V求輸入值的不同組合下，輸出電壓值。目前四十九頁\總數(shù)六十頁\編于八點(5）小信號工作情況分析圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。

直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。目前五十頁\總數(shù)六十頁\編于八點例：VI正常值為10V，R=10KΩ，求VI變化±1V時，相應(yīng)的輸出電壓的變動。解：目前五十一頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.5特殊二極管

齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)

變?nèi)荻O管

肖特基二極管

光電子器件目前五十二頁\總數(shù)六十頁\編于八點3.5.1齊納二極管1.符號及穩(wěn)壓特性

利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。(a)符號(b)伏安特性(c)應(yīng)用電路(b)(a)(c)目前五十三頁\總數(shù)六十頁\編于八點(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動態(tài)電阻rZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax