模电二极管及其基本电路教材

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1、第三章 二极管及其基本电路 3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性 3.3 二极管 3.4 二极管的基本电路及其分析方法 3.5 特殊二极管 2 3.1 PN结 图1.1表示的是由二极管、 灯泡、 限流电 阻、 开关及电源等组成的简单电路。 3.1.1 半导体的基础知识 3 按图 (a)所示, 闭合开关 S, 灯泡发光, 说明电路导 通 若二极管管脚调换位置, 如 图 (b)所示, 闭合开关S, 灯泡 不发光。 由以上演示结果可知: 二极管具有单向导 电性。 4 1. 半导体的特性 自然界中的各种物质,按导电能力划分为:导体、绝缘体 、半导体。 (1)半导体导电特性处于导体和绝缘

2、体之间，如锗、硅、 砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 (2)当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 称热敏特性和光敏特性。 (3)往纯净的半导体中掺入某些杂质(其它化学元素)，会 使它的导电能力明显改变。 半导体为什么有此性质呢？ 3.1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 半导体的共价键结构 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它 们的最外层电子（价电子）都是四个。 Ge Si 硅与锗的原子结构简化模型 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 3.1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 硅和锗是四价元素，它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中 的价电子

3、为这些原子所共有并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。 (a) 硅晶体的空间排列 共价键共用电子对 +4表 示除 去价 电子 后的 原子 (b) 共价键结构平面示意图 +4+4 +4 +4 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称 为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为 自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所 以本征半导体的导电能力很弱。 形成共价键后，每个原子 的最外层电子是八个，构成 稳定结构。 共价键有很强的结合力，使 原子规则排列，形成晶体。 3.1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 +4+4 +4+4 3.1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 三、本

4、征半导体、空穴及其导电作用 本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体 。 半导体的重要物理特性是它的电导率，电导率与材料内单位 体积中所含的电荷载流子的数目有关。 电荷载流子的浓度愈高，其导电率愈高。 载流子的浓度取决于材料的基本性质、温度值及杂质的存在 。 在绝对 0度（T = 0K）和没有外界激发时，价电子完全被共 价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流 子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。 9 光照或受热时， 可见：本征激发同时产生电子空穴对。 + 4 + 4 + 4 + 4 自由电子 空穴 激发价电子成为自由电子， 这一现象称为本征激发或 热激发。 3.1 3.

5、1 半导体的基本知识半导体的基本知识 +4+4 +4 +4 自由电子 空穴 束缚电子 由于共价键中出现了空位，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这 样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空 穴是载流子。 11 光照或受热激发使半导体导电能力增强的现象称为 本征激发或热激发。 可见：本征激发同时产生电子空穴对。 自由电子带负电的粒子 空穴带正电的粒子 自由电子、空穴统称为载流子。 3. 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半 导体的导电性能发生显著变化。 为何呢？ 1、N 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑)。 12 +4

6、+4 +5+4 多余电子 自由电子 施主原子 硅原子 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 整块N 型半导体示意图 。 可见： a) N 型半导体中自由电子很 多(多数载流子)，空穴很少( 少数载流子) ； b) 导电性能显著增加。 不能移动的正离子 1. N型半导体 磷（P） 杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入杂质越多，多子 浓度越高，导电性越强，实现 导电性可控。 多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多 了？少了？为什么？ 14 2、P 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼(或铟)。 +4+4 +3+4 空穴 受主原子

7、 整块P 型半导体示意图 。 硅原子 可见： a) P 型半导体中自由电子很少 (少子)，空穴很多(多子)； b) 导电性能显著增加。 不能移动的负离子 硼（B） 多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强， 在杂质半导体中，温度变化时 ，载流子的数目变化吗？少子与 多子变化的数目相同吗？少子与 多子浓度的变化相同吗？ 16 1. 1. 在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 （a. a. 掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。 2. 2. 在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 （a. a. 掺杂浓度、掺杂浓度、

8、b.b.温度）有关。温度）有关。 a a b b 4. 4. 在外加电压的作用下，在外加电压的作用下，P P 型半导体中的电流型半导体中的电流 主要是主要是 ，N N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 。 （a. a. 电子电流、电子电流、b.b.空穴电流）空穴电流） b b a a 17 由于在型半导体和型半导体交界面两侧存在着空穴和自由电子 两种载流子浓度差，即P区的空穴浓度远大于N区的空穴浓度，N区 的电子浓度远大于P区的电子浓度，因此会产生载流子从高浓度区 向低浓度区的运动，这种运动称为扩散。 3.1.2 PN结的形成及单向导电特性 一. PN 结的形成 物质因浓度差而产生

9、的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。 扩散运动 P区空穴 浓度远高 于N区。 N区自由电 子浓度远高 于P区。 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场。 3.1.2 PN结的形成及单向导电特性 一. PN 结的形成 PN 结的形成 因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态 平衡，就形成了PN结。 漂移运动 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内 电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、 自由电子从P区向N 区运动。 20 PN结 变薄 二. PN 结的单向

10、导电性 1. PN 结正向偏置(加正向电压)P 区加正, N 区加负电压 内电场 外电场 + _ RE + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + I 当内外电场相互抵消时,PN相当于短接:正向电流IE/R 内电场被削弱，扩散 运动加强形成较大的 电流。 21 2、PN 结反向偏置(加反向电压) P区加负、N 区加正电压。 内电场 外电场 PN结变厚 I0 内外电场相互加强,PN相当于断开: 反向电流I0 - + RE + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 内电场被加强，扩散受抑 制。

11、漂移加强，形成较小 的反向漂移电流0。 呈现 高电阻， PN结截止。 22 综上所述，PN结具有单向导电特性 即PN结正偏时导通，呈现很小的电阻，可形 成较大的正向电流；PN结反偏时截止，呈现 很大的电阻，反向电流近似为零。 需要指出的是，反向电压超过一定数值后， 反向电流将急剧增加，发生反向击穿现象， 单向导电性被破坏。 23 24 3.2 半导体二极管 一、基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。 二极管结构两层半导体，一个PN结。 二、图形符号 PN 阴极阳极 D 25 26 27 三、伏安特性 死区电压: 硅管0.5V, 锗管0.1V 。 导通压降: 硅管0.7V, 锗管

12、0.3V。 反向击穿 电压VBR 理想二极管：死区电压=0 ；导通正向压降=0； 反向饱和电流=0 ；反向击穿电压=。 反向饱和电流IS 一定电压范围内一定电压范围内 保持保持IS0 vD iD +vD- E iD V RmA +vD- E iD V RmA 击穿使二极 管永久损坏 28 其中iD、 vD 的关系为： vD PN结两端的电压降 iD流过PN结的电流 IS 为反向饱和电流 VT =kT/q 称为温度的电压当量 其中k为玻耳兹曼常数：1.381023 J/K q 为电子电荷量1.6109 C T 为热力学温度,单位为K 对于常温(相当T=300 K)时：则有VT=0.026V 29

13、 30 31 32 RD 0 UD = 0.7V(硅管) 0.3V(锗管) 0(E较大时) 相当于短接 称为导通 E 0.5V(硅管)、 0.2V(锗管)时： I 0，处在死区,尚未导通。实际中这种情况要避免 。 E 0.7V(硅管)、 0.3V(锗管)时： E R D I RD UD 五、二极管特点总结 1、当二极管上加正向电压时： (即PN结正向偏置) 33 2、当二极管上加反向电压时 (即PN结反向偏置) PN结或二极管具有 单向导电性 E 击穿电压时： RD , I 0 UD E 二极管相当于断开，称为截止。 E 击穿电压时： RD 0， UD 0 二极管相当于短接，坏了。这种情况要避

14、免。 E R D RD UD I 34 RL uiuo ui uo t t 二极管半波整流电路如图所示。画出输出电压 uo 的波形。 例1 35 6.半导体二极管、三极管的型号(国家标准) 2AP9 用数字代表同类器件的不同规格。 代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。 代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge， C为N型 Si， D为P型Si。 2代表二极管，3代表三极管。 用字母表示材料, A锗PNP管、B锗NPN管、C硅 PNP管、D硅NPN管 用字母表示器件的种类, X低频小功率管、D低频大功 率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管 用数字表示同种器件型号的序号

15、 用字母表示同一型号中的不同规格 三极管 3DG110B 36 二极管总结二极管总结 1. 1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时，）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小 ，正向电流较大。，正向电流较大。 2. 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时，）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大 ，反向电流很小。，反向电流很小。 3. 3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向 导电性。导电性。 4. 4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流 愈大。愈大。 3.43.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法 一、简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采 用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而 图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V -I特性曲线。 在电子技术