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1、2 半导体二极管及其基本电路,2.1 半导体的基本知识,2.3 半导体二极管,2.4 二极管基本电路及其分析方法,2.5 特殊二极管,2.2 PN结的形成及特性,2,教学内容： 本章首先简单介绍半导体的基本知识，着 重讨论半导体器件的核心环节-PN结，并重点 讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特 性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分 析方法与应用；在此基础上对齐纳二极管、变 容二极管和光电子器件的特性与应用也给予了 简要的介绍。,3,教学要求： 本章需要重点掌握二极管模型及其电 路分析，特别要注意器件模型的使用范围 和条件。对于半导体器件，主要着眼于在 电路中的使用，关于器件内部的物理
2、过程 只要求有一定的了解。,4,2.1 半导体的基本知识,2.1.1 半导体材料,2.1.2 半导体的共价键结构,2.1.3 本征半导体,2.1.4 杂质半导体,半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,导电的 重要特点,1、其能力容易受环境因素影响 （温度、光照等）,2、掺杂可以显著提高导电能力,5,2.1.2 半导体的共价键结构,原子结构 简化模型, 完全纯净、结构完整的半导体晶体。,2.1.3 本征半导体,在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电,两个价电子的 共价键,正离子核,6,2.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,温度,光照,
3、自由电子,空穴,本征激发,空穴 共价键中的空位,空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,由热激发或光照而产生 自由电子和空穴对。,温度 载流子浓度,7,*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度载流子浓度导电能力,2.1.4 杂质半导体,N型半导体 掺入五价杂质元素（如磷）,P型半导体 掺入三价杂质元素（如硼）,自由电子 多子 空穴 少子,空穴 多子 自由电子 少子,9,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:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,杂质对半导体导电性的影响,10,本征半导体、本征激发,本节中的有
4、关概念,自由电子 空穴,N型半导体、施主杂质(5价) P型半导体、受主杂质(3价),多数载流子、少数载流子,杂质半导体,复合,*半导体导电特点1： 其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度载流子浓度导电能力,*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力,11,2.2 PN结的形成及特性,2.2.1 PN结的形成,2.2.2 PN结的单向导电性 *,2.2.3 PN结的反向击穿,2.2.4 PN结的电容效应,12,2.2.1 PN结的形成,1. 浓度差多子的扩散运动,2. 扩散空间电荷区内电场,3. 内电场少子的漂移运动 阻止多子的扩散,4、扩散与漂移达到动态平衡,载流子的运动：,扩散运动浓度
5、差产生的载流子移动,漂移运动在电场作用下，载流子的移动,P区,N区,形成过程可分成4步 (动画),13,PN结形成的物理过程：,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,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。,14,2.2.2 PN结的单向导电性,只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将,定义：,加正向电压，简称正偏,加反向电压，简称反偏,扩散 漂移 大的正向扩散电流（多子） 低电阻 正向导通,
6、漂移 扩散 很小的反向漂移电流（少子） 高电阻 反向截止,15,2.2.2 PN结的单向导电性, PN结特性描述,2、PN结方程,陡峭电阻小正向导通,1、PN结的伏安特性,特性平坦反向截止 一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的,非线性,其中,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,近似 估算,正向：,反向：,16,2.2.3 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,17,2.2.4 PN结的电容效应,(1) 势垒电容CB,势垒电容示意图,扩
7、散电容示意图,(2) 扩散电容CD,18,2.3 半导体二极管,2.3.1 半导体二极管的结构,2.3.2 二极管的伏安特性,2.3.3 二极管的参数,PN结加上引线和封装 二极管,按结构 分类,点接触型,面接触型,平面型,19,半导体二极管图片,点接触型,面接触型,平面型,20,半导体二极管图片,21,22,23,2.3.2 二极管的伏安特性,3. PN结方程（近似）,正向特性,反向特性,反向击穿特性,Vth = 0.5V（硅） Vth = 0.1V（锗）,注 意,1. 死区电压（门坎电压）,2. 反向饱和电流硅：0.1A；锗：10A,24,2.3.3 二极管的参数,(1) 最大整流电流IF
8、,(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM,(3) 反向电流IR,(4) 正向压降VF,(5) 极间电容CB,25,2.4 二极管基本电路及其分析方法,2.4.1 二极管V- I 特性的建模,2.4.2 模型分析法应用举例,4、应用电路分析举例,2、二极管状态判断,1、二极管电路的分析概述,3、等效电路（模型）分析法,讲课思路：,26,1、二极管电路的分析概述,应用电路举例,例2.4.2（习题2.4.12）,习题2.4.5,整流限幅,习题2.4.6,初步分析依据二极管的单向导电性,D导通：vO = vI - vD,D截止：vO = 0,D导通：vO = vD,D截止：vO = vI,
9、左图,中图,显然，vO 与 vI 的关系由D的状态决定,而且，D处于反向截止时最简单！,27,分析思路,分析任务：求vD、iD 目的1: 确定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2: 判断二极管D是否安全。 首先，判断D的状态？ 若D反向截止，则相当于开路（ iD 0，ROFF ）； 若D正向导通，则？ 正向导通分析方法： 图解法 等效电路（模型）法 将非线性 线性 先静态（直流），后动态（交流） 静态： vI =0（正弦波过0点） 动态： vI 0,1、二极管电路的分析概述,28,2、二极管状态判断,例1: 2CP1（硅），IF=16mA， VBR=40V。求VD、ID。,(a
10、),(b),(c),(d),正偏,正偏,反偏,反偏,iD IF ？,D反向截止,D反向击穿,二极管状态判断方法,假设D截止(开路)， 求D两端开路电压,D正向导通？,D正向导通！,29,习题2.4.4 试判断图题2.4.4中二极管导通还是截止， 为什么?,图题2.4.4(a),例2:,习题2.4.3 电路如下图所示， 判断D的状态,2、二极管状态判断,30,3、等效电路（模型）分析法,（2.4.1 二极管V- I 特性的建模）,(1) 理想模型,(3) 折线模型,(2) 恒压降模型,VD = 0.7V（硅） VD = 0.2V（锗）,Vth = 0.5V（硅） Vth = 0.1V（锗）,31
11、,3、等效电路（模型）分析法,(4) 小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效为:,微变电阻,根据 得Q点处的微变电导,常温下（T=300K）,32,4、应用电路分析举例,例2.4.1 求VD、ID。,（R=10k）,（a）VDD=10V 时,（b）VDD=1V 时,VDD,理想模型,恒压模型,折线模型,理想模型,恒压模型,折线模型,33,二极管应用举例,（1） 二极管整流电路,34,（2）二极管限幅电路,35,D1 钳位作用 D2隔离作用,(3) 开关电路,36,例2.4.3 一二极管开关电路如图所示。当V1和V2为0V或5V时，求V1和V2的值不同组合情况下，输
12、出电压0的值。设二极管是理想的。,37,解：(1)当V1=0V, V2=5V时,D1为正向偏置， V0=0V,此时 D2的阴极电位为5V，阳极为0V， 处于反向偏置，故D2截止。 (2)以此类推，将V1和V2 的其余三种组合及 输出电压列于下表：,38,由上表可见，在输入电压V1和V2中，只 要有一个为0V，则输出为 0V;只有当两输入 电压均为5V时，输出才为5V，这种关系在数 字电路中称为“与”逻辑。 注意：即判断电路中的二极管处于导 通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，然后观察阴、阳两极间是正向电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。,39,（4）低电压稳压电路 稳压
13、电源是电子电路中常见的组成部分。 利用二极管正向压降基本恒定的特点，可以构 成低电压稳压电路。,40,例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流 电源电压 V的正常值为10V，R=10k,当 V变 化1V时，问相应的硅二极管电压(输出电压) 的变化如何？,41,解：(1)当V的正常值为10V时，利用二极管 恒压降模型有 VD0.7V， 由此可得二极管的电流为,此电流值可证实二极管的管压降为0.7V的 假设。 (2)在此Q点上，,42,(3)按题意，V有1V的波动，它可视为峰- 峰值为2V的交流信号，该信号作用于由R和rd组 成得分压器上。显然，相应的二极管的信号电 压可按分压比来计算，即 Vd(峰
14、-峰值),由此可知，二极管电压Vd的变化为2.79mV。,43,4、应用电路分析举例,例2.4.4 求vD、iD。,VI = 10V， vi = 1Vsint,解题步骤:,(1) 静态分析 (令vi=0）,由恒压降模型得,VD0.7V; ID 0.93mA,(2) 动态分析 (令VI=0）,由小信号模型得,44,分析方法小结,2.4 二极管基本电路及其分析方法,假设D截止（开路） 求D两端开路电压,VD 0.7V,状态,等效电路,条件,将不同状态的等效电路（模型）代入原电路中，分析vI和vO 的关系,画出电压波形和电压传输特性,特殊情况：求vD（波动）,小信号模型和叠加原理,恒压降模型,45,
15、2.5 特殊二极管,2.5.1 稳压二极管（齐纳）,2.5.2 变容二极管,2.5.3 光电子器件,1. 光电二极管,2. 发光二极管,3. 激光二极管,反向击穿状态,反向截止，利用势垒电容,反向截止，少子漂移电流,特殊材料，正向导通发光,必须掌握“齐纳二极管”，其它了解。 请自学！,46,2.5.1 稳压二极管,1. 符号及稳压特性,(a)符号,(b) 伏安特性,47,(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)
16、稳定电压温度系数VZ,2. 稳压二极管主要参数,2.5.1 稳压二极管,48,2.5.1 稳压二极管,3. 稳压电路,正常稳压时 VO =VZ,# 稳压条件是什么？,# 不加R可以吗？,自动调整过程：,49,例： 如图所示是一个简单的并联稳压电路。 R为限流电阻，求 R 上的电压值VR和电流值。,R,50,解：假定输入电压在（7-10V）内变化。,R,51,习题与预习,习题 2.4.1 2.4.3 2.5.4 预习 3.1 半导体BJT,52,一、判断下列说法是否正确，用“”和“”表示判断结果填入空内。 （1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（ ） （2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（ ） （3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ）,自 测 题,解：（1） （2） （3）,53,解：（1）A （
