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1、2-1 第三章 半导体二极管及其基本电路 半导体的基本知识 PN结的形成及特性 半导体二极管（diode） 二极管基本电路及其分析方法 特殊二极管 2-2 3.13.1 半导体的基本知识 半导体的基本知识 导体导体容易传导电流的称为导体。如金 属。 绝缘体绝缘体几乎不传导电流的称为绝缘体 。如橡胶，陶瓷。 半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之 间，并且受到外界光和热的刺 激或加入微量的杂质时，导电 能力将发生显著变化的物质称 为半导体。如硅(Si )，锗(Ge ) 。 2-3 一、本征半导体 本征半导体本征半导体 完全纯净的，结构完整的半 导体晶体称为本征半导体。 +4+4 +4 +4 +
2、4 共价键共价键 束缚电子束缚电子 图 半导体的原子结构示意图 （a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型 2-4 +4+4 +4 +4 +4 自由电子自由电子 空穴空穴 挣脱共价键的束缚自由活动的电子 空穴空穴 自由电子自由电子 束缚电子成为自由电子后，在共 价键中所留的空位。 2-5 二、杂质半导体 杂质半导体 电子半导体 (Negative) 空穴半导体 (Positive ) 加+5价元素磷(P) 、砷(As )、锑(Sb) 加+3价元素硼 (B )、铝(Al )、铟 (In)、镓(Ga ) 2-6 元素周 期表 2-7 1、电子半导体(Negative) N型半导体 +5价元素磷(P
3、)、砷(As )、锑(Sb)等在硅晶体中 给出一个多余电子，故叫施主原子。 电子数目 = 空穴数 + 正离子数 （主要来自杂质）（主要来自本征半导体） （全部来自杂质） 多数载流子：电子 少数载流子：空穴 2-8 2、空穴半导体(Positive ) P 型半导体 +3价元素硼(B )、铝(Al )、铟(In )、镓(Ga )等在 硅晶体中接受一个电子，故叫受主原子。 空穴数目 = 电子数 + 负离子数 （主要来自杂质）（主要来自本征半导体） （全部来自杂质） 多数载流子：空穴 少数载流子：电子 2-9 3.2 PN结的形成及特性 一、PN结 1952年第一个PN结形成。 PNPN 内电场 P
4、N结 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, 分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形 成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由 于缺少多子，所以也称耗尽层。 2-11 二、PN结的单向导电性 PN结的单向导电性是其基本特性 1、外加正向电压 外加电场方向与内电场 方向相反相反 PN 内电场 外电场 IF 2-12 2、外加反向电压外加电
5、场方向与内电场 方向相同相同 PN 内电场 外电场 IS IS很小，就可以看作PN结在外加反向偏 置时呈现出很大的阻值。 2-13 3、PN结的反向击穿 PN结的外加反向电压增大到一定的数值时 ，反向电流会突然增加，这个现象称为PN结 的反向击穿。 反向击穿 热击穿 电击穿可利用的，可逆的 有害的，易烧坏PN结 根据产生击穿的原因可分为： 雪崩击穿 齐纳击穿 外加电场作用产生碰撞电离碰撞电离， 形成倍增效应。 在杂质浓度特别大的PN结中 ，外加电场直接破坏共价键， 产生电子空穴对。 2-14 4、PN结的VI特性 PN结的 V-I 特性如图所示 vD iD IS VBR 反向饱和电流反向饱和电
6、流 反向击穿反向击穿 电压电压 注:VD为PN结的外加电压, VT为温度的电压 当量,约为0.026V, IS为反向饱和电流。 e=2.71828 5、PN 结的电容效应 1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化 ，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同， 其等效电容称为势垒电容Cb。 2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电容Cd。 结电容： 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高 到一定程度，则失去单向导电性！ 2-16 问题 为什么将自然界导电性能中等的半导体材
7、料 制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺 杂，改善导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子 还是少子是影响温度稳定性的主要因素？ 为什么半导体器件有最高工作频率？ 2-17 3.3半导体二极管（diode） 半导体二极管就是一个PN结。 一、半导体二极管的结构 结构不同结构不同 点接触型 面接触型 ：适用于高频检波和 数字电路开关。 ：适用于整流 掺杂质浓度掺杂质浓度 不同不同 对称PN型 P+N型 PN+型 2-18 按材料分按材料分: :有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极 管等。 按用途分按用途分: :有整流、稳压、开关、发光、光电 、变容、阻尼等二极管。 按封装形式分按封装形式
8、分: :有塑封及金属封等二极管。 按功率分按功率分: :有大功率、中功率及小功率等二极 管 点接触型：结面 积小，结电容小 ，故结允许的电 流小，最高工作 频率高。 面接触型：结面 积大，结电容大 ，故结允许的电 流大，最高工作 频率低。 平面型：结面积可 小、可大，小的工 作频率高，大的结 允许的电流大。 2-20 二极管外形 2-21 常见二极管外形 2-22 2-23 二、二极管的VI特性 图 二极管伏安特性曲线 二极管两端加正向电压时,就产生 正向电流,当正向电压较小时,正向 电流极小（几乎为零）,这一部分 称为死区,相应的A(A)点的电压称 为死区电压或门槛电压(也称阈值 电压),硅
9、管约为0.5V,锗管约为0.1V, 如图中OA(OA)段。 当正向电压超过门槛电压时,正向 电流就会急剧地增大,二极管呈现 很小电阻而处于导通状态。这时 硅管的正向导通压降约为 0.60.7V,锗管约为0.20.3V,如图 中AB(AB)段。 二极管两端加上反向电压时,在开 始很大范围内,二极管相当于非常 大的电阻,反向电流很小,且不随反 向电压而变化。此时的电流称之为 反向饱和电流IR,见图中OC（OC ）段。 二极管反向电压加到一定数值时, 反向电流急剧增大,这种现象称为 反向击穿。此时对应的电压称为 反向击穿电压,用UBR表示,如图中 CD(CD)段。 2-24 U I 导通压降: 硅
10、管0.60.7V,锗 管0.20.3V。 反向击穿电 压U(BR) 死区电压 硅管 0.5V,锗管0.2V 。 UI E +- 反向漏电流 （很小，A级） 2-25 三、二极管的参数 1、最大整流电流IF：指二极管长期运行时允许 通过的最大正向平均电流。 2、最高反向工作电压：VBD= VBR （VBR为反向击穿电压。） 3、极间电容：在高频时要考虑极间电容。 势垒电容CB在反向偏置时较大 扩散电容CD在正向偏置时较大 4、最高工作频率：指二极管能保持单向导电 性的最大频率。超过了这个频率二极管就失 去了单向导电性。 小知识:二极管的简易测试 将万用表置于R100或R1k()挡（R1挡电流太大
11、,用 R10k()挡电压太高,都易损坏管子）。如图所示 图 万用表简易测试二极管示意图 (a)电阻小；(b)电阻大 2-27 3.4 二极管基本电路及其分析方法 一、四种建模 1、理想模型 正向偏置时，管压降为0V， 反向偏置时，电阻为无穷大 。 iD vD iD + vD 2、恒压降模型 正向偏置时，管压降为恒定, 一般为0.7V， 反向偏置时 ，电阻为无穷大。 iD + vD iD vD 适用：电源电压适用：电源电压二极管压降二极管压降 适用：适用：i i D D 1mA1mA 2-28 3、折线模型 认为二极管的压降随着 电流的增加而增加。可用 一个电池和一个电阻近似 。电池压降为二极管
12、的门 坎电压。 iD vD iD + vD VthrD 适用：需考虑到适用：需考虑到r r D D 变化时，输入电压不高变化时，输入电压不高 2-29 4、小信号模型 在静态工作点Q附近 工作时，可以将二极管 V-I特性看作一条直线， 其斜率的倒数就是二极 管小信号模型的微变电 阻。 vD iD iD vD + vD _ iD rd ID Q 适用：二极管仅在适用：二极管仅在 V-IV-I特性的某一小特性的某一小 范围内工作范围内工作 2-30 二、分析方法应用 例1 电路如图所示，分别用理想模型，恒压降模 型和折线模型来求电路的ID和VD。 VDD +10V 10K R 解 首先标出参考方向
13、 + vD _ ID 1)理想模型 VD=0V, ID=VDD/R=1mA 2)恒压降模型 VD=0.7V, ID=(VDD-VD)/R=0.93mA 3）折线模型 2-31 例2 设二极管是理想的，分析图中各二极管的 导通或截止情况，并求AO两端的电压UAO。 + VD - D 15V R=3K 12V A + O - 解 分析方法：先将要分析 的二极管断开，求VD VD=(-15V)-(-12V)=-3VVD2 管压降大的管子优先导通, 二极管D1先导通从而导致二极管D2截止 VAO=0V VD1=5V0 所以二极管D1导通 VD2=5V-3V=2V0 所以二极管D2导通 2-33 例 设
14、二极管是理想的，分析图中各二极管的 导通或截止情况。 解 分析方法：先将要分析 的二极管断开，求VD _ + +15V 10V 18K O 25K140K 10K 2K 5K 因为VBVA所以D截止. 2-34 图 二极管半波整流电路 (a)电路；(b)输出波形 三、晶体二极管应用电路举例 1. 整流电路 2-35 2. 门电路 图 二极管门电路 3. 二极管限幅电路 图 二极管限幅电路 (a)电路; (b)波形 2-37 3.5特殊二极管 一、稳压二极管 二极管可分为：普通二极、稳压管、变容管、 光电管、发光管、隧道管、微波管、恒流管等。 稳压管又称为齐纳二极管，它的杂质浓度较 大，空间电荷
15、区很窄，容易形成强电场。产 生反向击穿时反向电流急增。稳压管的稳压 作用在于，电流增量很大，只引起很小的电 压变化。 图中的VZ表示反向击穿电压 ，即稳压管的稳定电压。稳 压管的稳压作用在于，电流 增量IZ很大，只引起很小的 电压变化VZ。曲线愈陡， 动态电阻rz=VZ/IZ愈小， 稳压管的稳压性能愈好。一 般地说，VZ为8V左右的稳压 管的动态电阻较小，低于这 个电压的，rZ随齐纳电压的 下降迅速增加，因而低压稳 压管的稳压性能较差。稳压 管的稳定电压VZ，低的为3V ，高的可达300V，它的正向 压降约为0.6V。 2-39 二、变容二极管 二极管结电容的大小除了与本身结构和工 艺有关外，
16、还与外加电压有关。结电容随反向 电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称 为变容二极管。 图a为变容二极管的代表符号，图b是变容 二极管的特性曲线。不同型号的管子，其电容 最大值可能是5300pF。最大电容与最小电容之 比约为5:1。变容二极管在高频技术中应用较多 。 2-40 图 变容二极管 （a）图形符号;（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度 ） 三、光电二极管 光电二极管是光电子系统的电子器件。它可用来作为光的测 量，可将光信号转换为电信号。 光电二极管的结构与PN结二极管类似，管壳上的一个玻璃窗 口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行， 它的反向电流随光照强度的增加而上升。图a是光电二极管的代 表符号，图b是它的等效电路，而图c则是它的特性曲线
