第一章二極管及其基本電路

1第1章半導(dǎo)體二極管及其基本電路§1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)一、半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。導(dǎo)體：導(dǎo)電的物質(zhì)。絕緣體：幾乎不導(dǎo)電的物質(zhì)。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。2、半導(dǎo)體的特點(diǎn)1、什么是半導(dǎo)體:熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化。摻雜性：在純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變。2GeSi+4電子器件中，用的最多的半導(dǎo)體材料是硅和鍺。通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體?！?.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)3二、本征半導(dǎo)體—完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。本征半導(dǎo)體§1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)原子結(jié)構(gòu)簡化模型硅晶體的空間排列硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)

Si

Si

Si

Si共價(jià)健半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)4載流子：運(yùn)載電荷的粒子。本征激發(fā)：

價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。自由電子空穴＋在T=0K和無外界激發(fā)時(shí)，沒有載流子，不導(dǎo)電?！?.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)二、本征半導(dǎo)體—完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。本征半導(dǎo)體空穴：共價(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)?？昭ǖ囊苿?dòng)：相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)。本征半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的。自由電子空穴＋§1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)6結(jié)論：(1)半導(dǎo)體有兩種載流子——（負(fù)）電子、（正）空穴(2)自由電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生，同時(shí)又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，

半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。(3)載流子的數(shù)量受溫度影響較大，溫度高數(shù)量就多。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。(4)載流子的數(shù)量少，故導(dǎo)電性能很差。(5)當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，載流子定向運(yùn)動(dòng)（漂移運(yùn)動(dòng)），在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：

①自由電子作定向運(yùn)動(dòng)

電子電流

②價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流§1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)三、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(jià)或五價(jià)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(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體?！綪ositive】【Negative】8

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴1.P型半導(dǎo)體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價(jià)元素（如硼）自由電子：少子（少數(shù)載流子）主要由雜質(zhì)原子提供空穴：多子（多數(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(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。三、雜質(zhì)半導(dǎo)體92.N型半導(dǎo)體失去一個(gè)電子變?yōu)檎x子摻入五價(jià)元素（如磷）

摻雜后電子數(shù)目大量增加，電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。自由電子:多子空穴:少子主要由雜質(zhì)原子提供由熱激發(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)。

Si

Si

Si

Si多余電子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮觩p+磷原子三、雜質(zhì)半導(dǎo)體10雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體少子濃度——只與溫度有關(guān)多子濃度——主要受摻入雜質(zhì)濃度的影響負(fù)離子空穴正離子自由電子注意：半導(dǎo)體中的正負(fù)電荷數(shù)是相等的，其作用相互抵消，因此對(duì)外保持電中性。三、雜質(zhì)半導(dǎo)體11四、PN結(jié)的形成及特性1.載流子的漂移與擴(kuò)散載流子的運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)——濃度差產(chǎn)生的載流子移動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)——在電場作用下，載流子的移動(dòng)2.PN結(jié)的形成12PN結(jié)形成的物理過程：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(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

擴(kuò)散>

漂移否是寬????????PN結(jié)的形成過程可分成4步：13耗盡層PN結(jié)勢壘區(qū)阻擋層V0（電位勢壘）2.PN結(jié)的形成+-＋－內(nèi)電場143.PN結(jié)的單向?qū)щ娦远x：加正向電壓，稱加正向偏置電壓，簡稱正偏。加反向電壓，稱加反向偏置電壓，簡稱反偏。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r(shí)才會(huì)顯示出來PN結(jié)加正向電壓：P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)PN結(jié)加反向電壓：P區(qū)接負(fù)，N區(qū)接正15⑴PN結(jié)加正向電壓:P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－外電場P區(qū)N區(qū)多子空穴多子電子VF空間電荷區(qū)內(nèi)電場3.PN結(jié)的單向?qū)щ娦宰儽?6－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++變?。瓋?nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)IFVFI：擴(kuò)散電流內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流I。小結(jié)3.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓臥N結(jié)加正向電壓:P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)17內(nèi)外電場方向相反，故勢壘降低，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。PN結(jié)加正向電壓時(shí)，正向電阻較小，處于導(dǎo)通狀態(tài)。3.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓臥N結(jié)加正向電壓:P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)18⑵PN結(jié)加反向電壓：P區(qū)接負(fù)，N區(qū)接正－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++空間電荷區(qū)＋－內(nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)少子電子少子空穴VR漂移運(yùn)動(dòng)3.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?++++++++++++++＋－內(nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)VR變厚IRI：漂移電流反向電流溫度一定時(shí)，反向電流IR趨于恒定值，稱為反向飽和電流IS。3.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓芇N結(jié)加反向電壓：P區(qū)接負(fù)，N區(qū)接正20－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－內(nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)VR變厚IRI：漂移電流小結(jié)內(nèi)電場被加強(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IR。3.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓芇N結(jié)加反向電壓：P區(qū)接負(fù)，N區(qū)接正21內(nèi)外電場方向相同，故勢壘升高，有利于漂移運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。PN

結(jié)加反向電壓時(shí)，反向電阻較大，處于截止?fàn)顟B(tài)。3.PN結(jié)的單向?qū)щ娦寓芇N結(jié)加反向電壓：P區(qū)接負(fù)，N區(qū)接正22歸納：

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

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。在于它的耗盡層的存在，且其寬度隨外加電壓而變化。關(guān)鍵這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?3⑶PN結(jié)V-I特性：PN結(jié)方程PN結(jié)的伏安特性其中：IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量常溫下（T=300K）近似估算正向：反向：vD—PN結(jié)兩端的外加電壓n

—發(fā)射系數(shù)陡峭電阻小正向?qū)ǚ蔷€性特性平坦反向截止一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的iD/mAVBRvD/ViD=-IS＋－＋－IFIR(μA)反向擊穿電壓反向擊穿電擊穿熱擊穿雪崩擊穿齊納擊穿可逆不可逆

4.PN結(jié)的反向擊穿25

5.PN結(jié)的電容效應(yīng)

(1)勢壘電容CB(2)擴(kuò)散電容CDPN結(jié)在反偏時(shí)主要考慮勢壘電容。PN結(jié)在正偏時(shí)主要考慮擴(kuò)散電容。26§1.2半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用電路一、二極管的結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上引線和封裝→

二極管按材料分硅管鍺管按用途分普通管整流管……陰極陽極符號(hào)D按結(jié)構(gòu)分類點(diǎn)接觸型面接觸型平面型§1.2二極管陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型二極管的結(jié)構(gòu)示意圖§1.2二極管29半導(dǎo)體二極管圖片§1.2二極管30國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管?！?.2二極管圖1.2.3鍺二極管的V-I特性二、二極管的V-I特性反向擊穿特性反向特性正向特性vDiDiD=f(vD)§1.2二極管圖1.2.2硅二極管的V-I特性

VthV（BR）vD/ViD/mAiD/μA兩點(diǎn)說明：①關(guān)于死區(qū)電壓二、二極管的V-I特性兩點(diǎn)注意：①關(guān)于死區(qū)電壓②與溫度的關(guān)系在環(huán)境溫度升高時(shí)，二極管的正向特性曲線將左移，反向特性曲線下移。二極管的特性對(duì)溫度很敏感。導(dǎo)通電壓：VD=0.7V（硅）VD=0.2V（鍺）

反向飽和電流：硅：0.1A；鍺：10A33§3.3二極管三、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和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(5)反向恢復(fù)時(shí)間TRR(4)極間電容CjPN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：34四、二極管的基本電路及其分析方法§1.2二極管理想二極管符號(hào)a.理想模型iDvD＋－vDiD

正偏時(shí)，管壓降為0V，即vD=0V；適用當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時(shí)可用1.二極管V-I特性的建模

反偏時(shí)，認(rèn)為R=∞，電流為0。35b.恒壓降模型恒壓降模型

當(dāng)二極管導(dǎo)通后，認(rèn)為其管壓降vD=VON。常取vD硅=VON=0.7V

vD鍺=VON=0.2V適用

只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或大于1mA時(shí)才正確。1.

二極管V-I特性的建模應(yīng)用較廣泛。36iDvDVthVth＋－vDiDc.折線模型折線模型

當(dāng)二極管正向vD大于Vth后其電流iD與vD成線性關(guān)系，直線斜率為1/rD。

截止時(shí)反向電流為0Vth為二極管的門檻電壓，硅管約為0.5V，鍺管約為0.1V。1.

二極管V-I特性的建模斜率1rDrD的確定：假設(shè)當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為1mA時(shí)，管壓降vD=0.7V，則有：vD=Vth+iDrD適用電源電壓較低時(shí)的情況37c.折線模型a.理想模型b.恒壓降模型正偏：反偏：vDvD二極管的導(dǎo)通壓降。硅管0.7V；鍺管0.2V。vth二極管的門坎電壓。硅管0.5V；鍺管0.1V。1.

二極管V-I特性的建模38d.

小信號(hào)模型1.

二極管V-I特性的建?！鱲DvDVDD微變電阻△iDvs=Vmsin

t（Vm<<VDD）△vD由對(duì)vD求微分，得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)：(在Q點(diǎn)上)(記??！)d.

小信號(hào)模型1.

二極管V-I特性的建模（a）V-I特性（b）電路模型

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

。

常溫下（T=300K）402．模型分析法應(yīng)用舉例二極管主要應(yīng)用：整流、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。?）整流電路：二極管半波整流(理想模型)vsvottRvsvo+-+-412．模型分析法應(yīng)用舉例（2）限幅電路：

一限幅電路如圖所示，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。①當(dāng)vI=0V、4V、6V時(shí)，求相應(yīng)的輸出電壓vO的值；②當(dāng)vI=6sinωt(V)時(shí)，分別對(duì)于理想模型和恒壓降模型繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。當(dāng)VI=0V時(shí)當(dāng)VI=4V時(shí)當(dāng)VI=6V時(shí)a.理想模型D截止

vO

=vI=0

D導(dǎo)通

vO

=vREF=3VD導(dǎo)通

vO

=vREF=3V硅管：VD=Von=0.7VD截止

vO

=vI=0

D導(dǎo)通

vO

=3.7VD導(dǎo)通

vO

=3.7Vb.恒壓降模型42②vI=6sinωt(V)時(shí)2．模型分析法應(yīng)用舉例（2）限幅電路：a.理想模型vI

to6b.恒壓降模型

to633.72．模型分析法應(yīng)用舉例（3）開關(guān)電路：電路如圖，求：VAB例1：

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。二極管起鉗位作用D6V12V3k

BAVAB+–V陽

=－6VV陰

=－12VV陽>V陰

二極管導(dǎo)通恒壓降模型：VAB=－6.3Ｖ或VAB=－6.7V理想模型：VAB=－6V靜態(tài)工作情況分析二極管電路分析：先判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止恒壓降二極管：硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V若

V陽

>V陰或

VD為正，二極管導(dǎo)通若

V陽

<V陰或

VD為負(fù)，二極管截止

理想二極管：正向?qū)〞r(shí)管壓降為零反向截止時(shí)相當(dāng)于開路

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VD的正負(fù)。2．模型分析法應(yīng)用舉例+VCC5VRD1D20VD1D20V導(dǎo)通導(dǎo)通0V0V5V導(dǎo)通截止0V5V0V截止導(dǎo)通0V5V5V截止截止5V2．模型分析法應(yīng)用舉例例2:（3）開關(guān)電路：000010100111§1.3特殊二極管

穩(wěn)壓二極管（齊納）、變?nèi)荻O管、肖特基二極管、光電子器件（光電二極管、發(fā)光二極管、激光二極管）等。

一、齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)1.符號(hào)及穩(wěn)壓特性VZ——反向擊穿電壓，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ

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。rZ=

VZ/

IZ(4)最大耗散功率

PM(3)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)溫度系數(shù)——CTV(10-4/℃)2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

保證穩(wěn)壓管擊穿所對(duì)應(yīng)的電流，若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。

穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PM=VZIZmax

。超過Izmax穩(wěn)壓管會(huì)因功耗過大而燒壞。穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。

一、齊納(穩(wěn)壓)二極管3.穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時(shí)VO=VZR-----限流電阻

一、齊納(穩(wěn)壓)二極管IZ(min)<IZ<

IZ(max)保證穩(wěn)壓管正常工作：VO=VZ

IZ=IR－IL

穩(wěn)壓管工作時(shí)電量關(guān)系：IL為最小值IL(min)VI為最大值VI(max)IZ值最大:

IZ值最小:

IL為最大值IL(max)當(dāng)VI為最小值VI(min)輸出電壓穩(wěn)定的條件（保證穩(wěn)壓管被擊穿）49IZ=IR－IL

IL為最小值IL(min)VI為最大值VI(max)IZ值最大:

IZ值最小:

IL為最大值IL(max)當(dāng)VI為最小值VI(min)≤≥≤≤50穩(wěn)壓管正常工作的兩個(gè)條件：a.必須工作在反向擊穿狀態(tài)（利用其正向特性除外）；b.流過管子的電流必須介于穩(wěn)定電流和最大電流之間。4.使用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時(shí)，需注意幾點(diǎn)：

一、齊納(穩(wěn)壓)二極管（1）應(yīng)使外加電源的正極接管子的N區(qū)，電源的負(fù)極接P區(qū)，以保證穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)【?。。　?。（2）穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻RL并聯(lián)，由于穩(wěn)壓管兩端電壓的變化量很小，因而使輸出電壓比較穩(wěn)定。（3）必須限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ，不要超過規(guī)定值，以免因過熱而燒壞管子。51穩(wěn)壓管的一種實(shí)物圖黑頭一側(cè)為陰極，即k端

一、齊納(穩(wěn)壓)二極管

已知vi

=10sintV,VZ=5.5V（穩(wěn)壓值），正向壓降為0.7V，試畫