二极管与电路剖析

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1、3.1 半导体的基本知识 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 3.2 PN结的形成及特性 1 3.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用 3.1.4 杂质半导体 2 3.1.1 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分 导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 3 3.1.2 半导体的共价键结构 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 4 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用 本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单 晶体

2、形态。 空穴共价键中的空位。 电子空穴对由热激发而 产生的自由电子和空穴对。 空穴的移动空穴的运动 是靠相邻共价键中的价电子 依次填充空穴来实现的。 由于随机热振动致使共价键被打破而产生 空穴电子对 5 3.1.4 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质 ，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂 质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导 体称为杂质半导体。 N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的 半导体。 P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的 半导体。 6 1. N型半导体 3.1.4 杂质半导体 因五价杂质原子中 只有四个价电子能与周 围四个半导体原子中的 价电子形成共价键，而

3、 多余的一个价电子因无 共价键束缚而很容易形 成自由电子。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子 提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子， 因此五价杂质原子也称为施主杂质。 7 2. P型半导体 3.1.4 杂质半导体 因三价杂质原子 在与硅原子形成共价 键时，缺少一个价电 子而在共价键中留下 一个空穴。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自 由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。 8 3. 杂质对半导体导电性的影响 3.1.4 杂质半导体

4、掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影 响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm3 1 本征硅的原子浓度:3 以上三个浓度基本上依次相差约106/cm3 。 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 4.961022/cm3 9 本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质 end 10 3.2 PN结的形成及特性 3.2.2 PN结的形成 3.2.3 PN结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿 3.2.5 PN结的

5、电容效应 3.2.1 载流子的漂移与扩散 11 3.2.1 载流子的漂移与扩散 漂移运动： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动 。 扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散 运动。 12 3.2.2 PN结的形成 13 3.2.2 PN结的形成 14 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 15 对于P型半导体和N型半导体结合

6、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。 16 3.2.3 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加 正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时 低电阻 大的正向扩散电流 17 3.2.3 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加 正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (2) PN结加反向电压时 高电阻 很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激 发决定的少子浓度是一定的，故少子 形成的漂移电流是恒定的，基本上与 所加反向电压

7、的大小无关，这个电流 也称为反向饱和电流。 18 PN结加正向电压时，呈现低电阻 ，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻 ，具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：PN结具有单 向导电性。 19 3.2.3 PN结的单向导电性 (3) PN结V-I 特性表达式 其中 PN结的伏安特性 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 且在常温下（T=300K） 20 3.2.4 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压 增加到一定数值时，反 向电流突然快速增加， 此现象称为PN结的反向 击穿。 热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆 21 3.2.5 PN结的电容效应 (1)

8、 扩散电容CD 扩散电容示意图 当PN结处于正向偏置时，扩 散运动使多数载流子穿过PN结，在 对方区域PN结附近有高于正常情况 时的电荷累积。存储电荷量的大小 ，取决于PN结上所加正向电压值的 大小。离结越远，由于空穴与电子 的复合，浓度将随之减小。 若外加正向电压有一增量V ，则相应的空穴（电子）扩散运动 在结的附近产生一电荷增量Q，二 者之比Q/V为扩散电容CD。 22 3.2.5 PN结的电容效应 (2) 势垒电容CB end 23 3.3 二极管 3.3.1 二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的主要参数 24 3.3.1 二极管的结构 在PN结上加上引线和封

9、装，就成为一个二极 管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大 类。 (1) 点接触型二极管 (a)点接触型 二极管的结构示意图 PN结面积小，结 电容小，用于检波和 变频等高频电路。 25 （a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号 (2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于 工频大电流整流电路。 (b)面接触型 26 3.3.2 二极管的V-I 特性 二极管的V-I 特性曲线可用下式表示 锗二极管2AP15的V-I 特性 硅二极管2CP10的V-I 特性 27 3.3.3 二极管的主要参数 (1) 最大整流电流IF (2) 反向击穿电压VBR (3) 反向电流IR (4) 极

10、间电容Cd（CB、 CD ） (5) 反向恢复时间TRR end 28 3.4 二极管的基本电路及其分析方法 3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法 29 3.4.1 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。 30 例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD 和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。 解：由电路的KVL方程，可得 即 是一条斜率为-1/R的直线，称为负载

11、线 Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点 31 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法 1.二极管V-I 特性的建模 将指数模型 分段线性化，得到二极 管特性的等效模型。 （1）理想模型 （a）V-I特性 （b）代表符号 （c）正向偏置时的电路模型 （d）反向偏置时的电路模型 32 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法 1.二极管V-I 特性的建模 （2）恒压降模型 （a）V-I特性 （b）电路模型 （3）折线模型 （a）V-I特性 （b）电路模型 33 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法 1.二极管V-I 特性的建模（4）小信号模型 vs =0 时, Q点称为静

12、态工作点 ，反映直流时的工作状态。 vs =Vmsint 时（VmVT 。 （a）V-I特性 （b）电路模型 36 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法 2模型分析法应用举例 （1）整流电路 （a）电路图 （b）vs和vO的波形 37 2模型分析法应用举例 （2）静态工作情况分析 理想模型 （R=10k） 当VDD=10V 时， 恒压模型 （硅二极管典型值） 折线模型 （硅二极管典型值） 设 当VDD=1V 时， （自看） （a）简单二极管电路 （b）习惯画法 38 2模型分析法应用举例 （3）限幅电路 电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型 和恒压降

13、模型求解，当vI = 6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。 39 2模型分析法应用举例 （4）开关电路 电路如图所示，求AO的电压值 解： 先断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。 则接D阳极的电位为-6V，接阴 极的电位为-12V。 阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。 导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。 所以，AO的电压值为-6V。 40 end 2模型分析法应用举例 （6）小信号工作情况分析 图示电路中，VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sint V 。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形

14、。 直流通路、交流通路、静态、动态等 概念，在放大电路的分析中非常重要。 41 3.5 特殊二极管 3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管) 3.5.2 变容二极管 3.5.3 肖特基二极管 3.5.4 光电子器件 42 3.5.1 齐纳二极管 1. 符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时 工作在反向电击穿状态。 43 (1) 稳定电压VZ (2) 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作 电流IZ下，所对应的反向工作 电压。 rZ =VZ /IZ (3)最大耗散功率 PZM (4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin (5)稳定电压温度系数VZ 2. 稳压二极管主要参数 3.5.1 齐纳二极管 44 3. 稳压电路 正常稳压时 VO =VZ 3.5.1 齐纳二极管 45 3.5.2 变容二极管 （a）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度） 46 3.5.3 肖特基二极管 （a）符号 （b）正向V-I特性 47 3.5.4 光电子器件 1. 光电二极管 （a）符号 （b）电路模型 （c）特性曲线 48 3.5.4 光电子器件 2. 发光二极管 符号 光电传输系统 49 3.5.4 光电子器件 3. 激光二极管 （a）物理结构 （b）符号 end 50