第二章-半導(dǎo)體二極管及其基本電路21課件

3.1.1PN結(jié)的形成3.1PN結(jié)半導(dǎo)體——導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間最常用的半導(dǎo)體材料物體根據(jù)其導(dǎo)電能力（電阻率）分半導(dǎo)體絕緣體導(dǎo)體鍺硅1

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電子和空穴產(chǎn)生過程動(dòng)畫演示半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理動(dòng)畫演示N型半導(dǎo)體形成過程動(dòng)畫演示P型半導(dǎo)體的形成過程動(dòng)畫演示漂移運(yùn)動(dòng)：由電場(chǎng)作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)摻入三價(jià)元素的密度大于五價(jià)元素的密度時(shí)，可將N型轉(zhuǎn)為P型；雜質(zhì)半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)型當(dāng)摻入五價(jià)元素的密度大于三價(jià)元素的密度時(shí)，可將P型轉(zhuǎn)為N型。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++N++++++++++++++++++++++++++++++++++++以N型半導(dǎo)體為基片通過半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝3.PN結(jié)的形成使半導(dǎo)體的一邊形成N型區(qū)，另一邊形成P型區(qū)。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------(1)在濃度差的作用下，電子從

N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------(2)在濃度差的作用下，空穴從

P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------在濃度差的作用下，兩邊多子互相擴(kuò)散。在P區(qū)和N區(qū)交界面上，留下了一層不能移動(dòng)的正、負(fù)離子。小結(jié)N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------即PN結(jié)空間電荷層N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)方向N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN結(jié)一方面阻礙多子的擴(kuò)散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------另一方面加速少子的漂移N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------勢(shì)壘U0形成電位勢(shì)壘N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------當(dāng)擴(kuò)散與漂移作用平衡時(shí)a.流過PN結(jié)的凈電流為零b.PN結(jié)的厚度一定（約幾個(gè)微米）c.接觸電位一定（約零點(diǎn)幾伏）N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN結(jié)形成過程動(dòng)畫演示當(dāng)N區(qū)和P區(qū)的摻雜濃度不等時(shí)離子密度大空間電荷層較薄離子密度小空間電荷層較厚高摻雜濃度區(qū)域用N+表示++++++______PN+3.1.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?．PN結(jié)正向偏置

PN結(jié)正向偏置——當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)P型半導(dǎo)體的一端的電位高于N型半導(dǎo)體一端的電位時(shí)，稱PN結(jié)正向偏置，簡(jiǎn)稱正偏。PN結(jié)反向偏置——當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)N型半導(dǎo)體的一端的電位高于P型半導(dǎo)體一端的電位時(shí)，稱PN結(jié)反向偏置，簡(jiǎn)稱反偏。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++EPN結(jié)正向偏置內(nèi)電場(chǎng)被削弱PN結(jié)變窄PN結(jié)呈現(xiàn)低阻、導(dǎo)通狀態(tài)多子進(jìn)行擴(kuò)散------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++EPN結(jié)正偏動(dòng)畫演示內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)PN結(jié)變寬PN結(jié)呈現(xiàn)高阻、截止?fàn)顟B(tài)不利多子擴(kuò)散有利少子漂移2．PN結(jié)反向偏置

------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++E此電流稱為反向飽和電流，記為IS。因少子濃度主要與溫度有關(guān)，反向電流與反向電壓幾乎無關(guān)。------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE內(nèi)++++++EPN結(jié)反偏動(dòng)畫演示3.1.3PN結(jié)的電壓與電流關(guān)系++++++_PN_____uiIS——PN結(jié)反向飽和電流UT——熱電壓式中UT=KTqq——電子電量T——絕對(duì)溫度在室溫（T=300K)時(shí)，。K——玻耳茲曼常數(shù)其中(1)當(dāng)u=0時(shí)，i=0；(3)當(dāng)u<0，且|u|>>UT時(shí)，i–IS。討論(2)當(dāng)u>0，且u>>UT時(shí)，；

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的上述“正向?qū)?，反向阻斷”作用，說明它具有單向?qū)щ娦?，PN結(jié)的單向?qū)щ娦允撬鼧?gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。

由于常溫下少數(shù)載流子的數(shù)量不多，故反向電流很小，而且當(dāng)外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，反向電流幾乎不隨外加電壓的變化而變化，因此反向電流又稱為反向飽和電流。反向飽和電流由于很小一般可以忽略，從這一點(diǎn)來看，PN結(jié)對(duì)反向電流呈高阻狀態(tài)，也就是所謂的反向阻斷作用。

值得注意的是，由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇，導(dǎo)致電子—空穴對(duì)增多，因而反向電流將隨溫度的升高而成倍增長(zhǎng)。反向電流是造成電路噪聲的主要原因之一，因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須考慮溫度補(bǔ)償問題。

PN結(jié)中反向電流的討論2.半導(dǎo)體受溫度和光照影響，產(chǎn)生本征激發(fā)現(xiàn)象而出現(xiàn)電子、空穴對(duì)；同時(shí)，其它價(jià)電子又不斷地“轉(zhuǎn)移跳進(jìn)”本征激發(fā)出現(xiàn)的空穴中，產(chǎn)生價(jià)電子與空穴的復(fù)合。在一定溫度下，電子、空穴對(duì)的激發(fā)和復(fù)合最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體中的載流子濃度一定，即反向電流的數(shù)值基本不發(fā)生變化。1.半導(dǎo)體中少子的濃度雖然很低，但少子對(duì)溫度非常敏感，因此溫度對(duì)半導(dǎo)體器件的性能影響很大。而多子因濃度基本上等于雜質(zhì)原子的摻雜濃度，所以說多子的數(shù)量基本上不受溫度的影響。4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦允侵福篜N結(jié)的正向電阻很小，因此正向偏置時(shí)多子構(gòu)成的擴(kuò)散電流極易通過PN結(jié)；同時(shí)PN結(jié)的反向電阻很大，因此反向偏置時(shí)基本上可以認(rèn)為電流無法通過PN結(jié)。3.空間電荷區(qū)的電阻率很高，是指其內(nèi)電場(chǎng)阻礙多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的作用，由于這種阻礙作用，使得擴(kuò)散電流難以通過空間電荷區(qū)，即空間電荷區(qū)對(duì)擴(kuò)散電流呈現(xiàn)高阻作用。學(xué)習(xí)與歸納思考題1.半導(dǎo)體中的載流子濃度主要與哪些因素有關(guān)？2.擴(kuò)散電流與漂移電流的主要區(qū)別是什么？1.2

半導(dǎo)體二極管1.2.1

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型平面型點(diǎn)接觸型引線觸絲外殼N型鍺片N型硅陽極引線PN結(jié)陰極引線金銻合金底座鋁合金小球半導(dǎo)體二極管的外型和符號(hào)正極負(fù)極符號(hào)外型負(fù)極正極把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個(gè)電極，即可構(gòu)成一個(gè)二極管。二極管是電子技術(shù)中最基本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管、開關(guān)管、穩(wěn)壓管和整流管等。硅高頻檢波管開關(guān)管穩(wěn)壓管整流管發(fā)光二極管電子工程實(shí)際中，二極管應(yīng)用得非常廣泛，上圖所示即為各類二極管的部分產(chǎn)品實(shí)物圖。半導(dǎo)體二極管的類型(1)按使用的半導(dǎo)體材料不同分為(2)按結(jié)構(gòu)形式不同分為硅管鍺管點(diǎn)接觸型平面型1.2.2

半導(dǎo)體二極管的伏安特性硅管00.8反向特性正向特性擊穿特性00.8反向特性鍺管正向特性u(píng)DiD(1)

近似呈現(xiàn)為指數(shù)曲線，即(2)

有死區(qū)（iD≈0的區(qū)域)1．正向特性死區(qū)電壓約為硅管0.5V鍺管0.1VOiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D(3)導(dǎo)通后（即uD大于死區(qū)電壓后）管壓降uD

約為硅管0.6~0.8V鍺管0.2~0.3V通常近似取uD

硅管0.7V鍺管0.2VOiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D即uD略有升高，

iD急劇增大。2．反向特性

IS=硅管小于0.1微安鍺管幾十到幾百微安OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D(1)當(dāng)時(shí)，。(2)

當(dāng)時(shí)，反向電流急劇增大，擊穿的類型根據(jù)擊穿可逆性分為電擊穿熱擊穿二極管發(fā)生反向擊穿。OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D降低反向電壓，二極管仍能正常工作。PN結(jié)被燒壞，造成二極管永久性的損壞。二極管發(fā)生反向擊穿后，如果a.功耗PD(=|UDID|)不大b.PN結(jié)的溫度小于允許的最高結(jié)溫硅管150∽200oC鍺管75∽100oC熱擊穿電擊穿a.齊納擊穿

(3)

產(chǎn)生擊穿的機(jī)理半導(dǎo)體的摻雜濃度高擊穿電壓低于4V擊穿電壓具有負(fù)的溫度系數(shù)空間電荷層中有較強(qiáng)的電場(chǎng)電場(chǎng)將PN結(jié)中的價(jià)電子從共價(jià)鍵中激發(fā)出來擊穿的機(jī)理?xiàng)l件擊穿的特點(diǎn)半導(dǎo)體的摻雜濃度低擊穿電壓高于6V擊穿電壓具有正的溫度系數(shù)空間電荷區(qū)中就有較強(qiáng)的電場(chǎng)電場(chǎng)使PN結(jié)中的少子“碰撞電離”共價(jià)鍵中的價(jià)電子擊穿的機(jī)理?xiàng)l件擊穿的的特點(diǎn)b.雪崩擊穿1.2.3

溫度對(duì)半導(dǎo)體二極管特性的影響1.當(dāng)溫度上升時(shí)，死區(qū)電壓、正向管壓降降低?！鱱D/△T=–（2~2.5）mV/°C2.

溫度升高，反向飽和電流增大。即溫度每升高1°C，管壓降降低（2~2.5）mV。即平均溫度每升高10°C，反向飽和電流增大一倍。1.2.4

半導(dǎo)體二極管的主要電參數(shù)1.額定整流電流IF2.反向擊穿電壓U(BR)管子長(zhǎng)期運(yùn)行所允許通過的電流平均值。

二極管能承受的最高反向電壓。OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D4.反向電流IR3.最高允許反向工作電壓UR為了確保管子安全工作，所允許的最高反向電壓。室溫下加上規(guī)定的反向電壓時(shí)測(cè)得的電流。

OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)DUR=（1/2~2/3）U(BR)5.正向電壓降UF6.最高工作頻率fM指通過一定的直流測(cè)試電流時(shí)的管壓降。

fM與結(jié)電容有關(guān)，當(dāng)工作頻率超過fM時(shí)，二極管的單向?qū)щ娦宰儔?。OiD正向特性擊穿電壓死區(qū)電壓U(BR)反向特性u(píng)D二極管的幾種常用的模型(2)電路符號(hào)(1)伏安特性1.理想二極管–+uDiDuDiDO理想特性實(shí)際特性

(2)電路模型(1)伏安特性2.恒壓模型uDiDOuF–+uDiDuF(2)電路模型(1)伏安特性3.折線模型uDiDOuthrD–+uDiDuthrD(2)電路模型(1)伏安特性4.小信號(hào)動(dòng)態(tài)模型–+udidrduDiDOUDrdIDQ動(dòng)態(tài)電阻

思考題1.在什么條件下，半導(dǎo)體二極管的管壓降近似為常數(shù)？2.根據(jù)二極管的伏安特性，給出幾種二極管的電路分析模型。3.3二極管的應(yīng)用舉例注意：分析實(shí)際電路時(shí)為簡(jiǎn)單化，通常把二極管進(jìn)行理想化處理，即正偏時(shí)視其為“短路”，截止時(shí)視其為“開路”。UD=0UD=∞正向?qū)〞r(shí)相當(dāng)一個(gè)閉合的開關(guān)+－+－+－D+－D+－+－DPN+－反向阻斷時(shí)相當(dāng)一個(gè)打開的開關(guān)+－DPN(1)二極管的開關(guān)作用(2)二極管的整流作用

將交流電變成單方向脈動(dòng)直流電的過程稱為整流。利用二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路。二極管半波整流電路二極管全波整流電路橋式整流電路簡(jiǎn)化圖B220V~RLDIN4001B220V~RLD1D2二極管橋式整流電路D4B220V~RLD1D2D3B220V~RL(3)二極管的限幅作用+－DuS10KΩ

IN4148+－u0iD圖示為一限幅電路。電源uS是一個(gè)周期性的矩形脈沖，高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。分析uS+5V-5Vt0當(dāng)輸入電壓ui=－5V時(shí)，二極管反偏截止，此時(shí)電路可視為開路，輸出電壓u0=0V；當(dāng)輸入電壓ui=+5V時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)二極管管壓降近似為零，故輸出電壓u0≈+5V。顯然輸出電壓u0限幅在0~+5V之間。u0半導(dǎo)體二極管工作在擊穿區(qū)，是否一定被損壞？為什么？

你會(huì)做嗎？何謂死區(qū)電壓？硅管和鍺管死區(qū)電壓的典型值各為多少？為何會(huì)出現(xiàn)死區(qū)電壓？

把一個(gè)1.5V的干電池直接正向聯(lián)接到二極管的兩端，會(huì)出現(xiàn)什么問題？二極管的伏安特性曲線上分為幾個(gè)區(qū)？能否說明二極管工作在各個(gè)區(qū)時(shí)的電壓、電流情況？

檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果為什么二極管的反向電流很小且具有飽和性？當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)又會(huì)明顯增大

？二極管電路分析1.靜態(tài)分析例1：求VDD=10V時(shí)，二極管的電流ID、電壓VD

值。解：1.理想模型正向偏置時(shí)：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時(shí)：電流為0，電阻為∞。2.恒壓降模型3.實(shí)際模型當(dāng)iD≥1mA時(shí)，vD=0.7V。2.限幅電路VRVmvit0Vi>VR時(shí)，二極管導(dǎo)通，vo=vi。Vi<VR時(shí)，二極管截止，vo=VR。例2：理想二極管電路中

vi=VmsinωtV，求輸出波形v0。解：3.開關(guān)電路利用二極管的單向?qū)щ娦钥勺鳛殡娮娱_關(guān)vI1vI2二極管工作狀態(tài)D1D2v00V0V導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通截止截止0V5V5V0V5V5V0V0V0V5V例3：求vI1和vI2不同值組合時(shí)的v0值（二極管為理想模型）。解：例4：判別二極管是導(dǎo)通還是截止。+9V-+1V-

+2.5V-

+12.5V-

+14V-+1V-截止-9V+-1V+

+2.5V-

+12.5V-

+14V-+1V-截止解：+18V-+2V-

+2.5V-

+12.5V-

+14V-+1V-導(dǎo)通首先分析二極管開路時(shí)，管子兩端的電位差，從而判斷二極管兩端加的是正向電壓還是反向電壓。

若是反向電壓，則說明二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；若是正向電壓，但正向電壓小于二極管的死區(qū)電壓，

則說明二極管仍然處于截止?fàn)顟B(tài)；只有當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，二極管才能導(dǎo)通。

正半周：D1、D3導(dǎo)通D2、D4截止

負(fù)半周D2、D4導(dǎo)通D1、D3截止例5：求整流電路的輸出波形。解：例6：實(shí)際模型求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V時(shí)，輸出v0的值。(2).Vi=6sinωtV時(shí)，輸出v0的波形。解：(1).

vI=4V時(shí)，D導(dǎo)通。vI=0V時(shí)，D截止。v0=vI

vI=6V時(shí)，D導(dǎo)通。(2).Vi=6sinωtV（理想模型）

3Vvit06V

折線模型例7：理想二極管電路中vi=VmsinωtV，求輸出波形v0。V1vit0VmV2Vi>V1時(shí)，D1導(dǎo)通、D2截止，Vo=V1。Vi<V2時(shí)，D2導(dǎo)通、D1截止，Vo=V2。V2<Vi<V1時(shí)，D1、D2均截止，Vo=Vi。例8：畫出理想二極管電路的傳輸特性（Vo~VI）。

解：①VI<25V，D1、D2均截止。②VI>25V

，D1導(dǎo)通，D2截止。③VI>137.5V，D1、D2均導(dǎo)通。VO=25VVO=100VVI25V75V100V25V50V100V125VVO50V75V150V0137.5例9：畫出理想二極管電路的傳輸特性（Vo~VI）。當(dāng)VI<0時(shí)D1導(dǎo)通D2截止當(dāng)VI>0時(shí)D1截止D2導(dǎo)通0VIVO-5V+5V+5V-5V+2.5V-2.5V已知二極管D的正向?qū)ü軌航礦D=0.6V，C為隔直電容，vi(t)為小信號(hào)交流信號(hào)源。試求二極管的靜態(tài)工作電流IDQ，以及二極管的直流導(dǎo)通電阻R直。求在室溫300K時(shí)，D的小信號(hào)交流等效電阻r交。CR1KE1.5V+VD－+vi(t)－解：例10：例11：

二極管限幅電路:已知電路的輸入波形為vi,二極管的VD

為0.6伏，試畫出其輸出波形。解：Vi>3.6V時(shí)，二極管導(dǎo)通，vo=3.6V。Vi<3.6V時(shí)，二極管截止，vo=Vi。3.4

特種二極管3.4.1

硅穩(wěn)壓二極管特點(diǎn)a.正向特性與普通管類似穩(wěn)壓管通常工作于反向電擊穿狀態(tài)伏安特性–+iZuZuZQBAOUZiZIZUZIZ符號(hào)b.反向擊穿特性很陡1.硅穩(wěn)壓管的主要電參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)動(dòng)態(tài)電阻(3)最大允許工作電流IZM(4)最大允許功率耗散PZM(5)溫度系數(shù)uZQBAOUZiZIZUZIZ溫度每變化1C時(shí)UZ的相對(duì)變化率。即UZ>6V管子出現(xiàn)雪崩擊穿，αU為正；UZ<4V

出現(xiàn)齊納擊穿，αU

為負(fù);4V<UZ

<

6V，αU可能為正，也可能為負(fù)。溫度系數(shù)

定義：具有溫度補(bǔ)償?shù)墓璺€(wěn)壓管把一只αU為正的管子與另一只αU為負(fù)的管子串聯(lián)將兩只αU

為正的穩(wěn)壓管串聯(lián)(1)DZ1DZ2(2)2.硅穩(wěn)壓管的等效電路反向擊穿時(shí)端電壓表達(dá)式反向正向理想二極管uZQOUZiZIZUZ0等效電路D1D3D2rZUZ03.硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路R——限流電阻DZIZRLUOUIRIIO+_+_(1)

穩(wěn)壓原理

a.UI不穩(wěn)定

UI↑→UO↑→UZ↑

→IZ↑→I↑→IR↑

UO↓DZIZRLUOUIRIIO+_+_b.RL改變

RL↓

→UO↓

→UZ↓→IR↓→IZ↓→I↓UO↑DZIZRLUOUIRIIO+_+_(2)限流電阻計(jì)算輸出電壓穩(wěn)定的條件（保證穩(wěn)壓管被擊穿）DZIZRLUOUIRIIO+_+_≥IZ(min)≤IZ≤IZM穩(wěn)壓管正常工作的條件DZIZRLUOUIRIIO+_+_UO=UZ

圖中

IZ=I－IO

DZIZRLUOUIRIIO+_+_DZIZRLUOUIRIIO+_+_此時(shí)當(dāng)IO為最小值IO(min)時(shí)，IZ值最大。當(dāng)UI為最大值UI(max)時(shí)，I值最大；IZ=I－IO

由式知由此可得為保證管子安全工作,應(yīng)使DZIZRLUOUIRIIO+_+_≤≥DZIZRLUOUIRIIO+_+_IZ=I－IO

由式此時(shí)當(dāng)IO為最大值IO(max)時(shí)，IZ值最小。當(dāng)UI為最小值UI(min)時(shí)，I值最??；知由此可得為保證電路正常工作，應(yīng)使DZIZRLUOUIRIIO+_+_≥≤得由式及≥≤≤≤3.4.2