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1、第二章 晶体二极管(Diode),内容： 1、简单讨论半导体的特性（熟悉常用术语） 2、二极管特性模型分析法（分段线性模型）,应用电路,整流,稳压,限幅,positive,negative,2.1 半导体物理基础知识,硅（Si） 锗（Ge） 砷化镓（GaAs）,简化模型 硅和锗的原子结构模型,价电子,硅和锗共价键结构,原子晶阵四面体结构,一 本征半导体(Intrinsic Semiconductors) 完全纯净,结构完整的半导体晶体。 T=0K（273），本征半导体中没有可移动的带电粒子（载流子），不能导电，相当于绝缘体。,1、本征激发 T（或光照）价电子获得能量挣脱共价键束缚自由电子共价键
2、中留下空位（空穴）,空穴,带正电 能移动（价电子填补空位的运动）,载流子,本征激发产生两种载流子,（自由）电子,空穴,特征：成对出现，数目相等。,复合：本征激发逆过程（电子空穴相遇释放能量成对消失）,2、热平衡载流子浓度ni T一定时，本征激发和复合达到动态平衡，此时载流子浓度ni是一定的。 ni=p0 =n0 p0 热平衡空穴浓度 n0 热平衡电子浓度 ni是温度的函数。Tni 在室温（T=300K）时，硅的 ni1.510 10cm -3，锗的ni2.410 13cm -3 硅的原子密度为4.961022 cm -3 ，ni仅为三万亿分之一。 问题：本征半导体导电能力很低。,二、杂质半导体
3、（Doped Semiconductor） 掺入一定量的杂质元素，导电能力显著增加。 1、N型半导体 掺入五价元素（磷），形成多电子、少空穴的杂质半导体。,多数载流子（多子）：电子 少数载流子（少子）：空穴,n0p0=ni2 n0=Nd+p0Nd （Ndni）,施主杂质（Donor）,二、杂质半导体（Doped Semiconductor） 掺入一定量的杂质元素，导电能力显著增加。 1、N型半导体 掺入五价元素（磷），形成多电子、少空穴的杂质半导体。,多数载流子（多子）：电子 少数载流子（少子）：空穴,n0p0=ni2 n0=Nd+p0Nd （Ndni）,施主杂质（Donor）,2、P型半导体
4、 掺入三价元素（硼），形成多空穴、少电子的杂质半导体。 多数载流子（多子）：空穴 少数载流子（少子）：电子,受主杂质（Acceptor）,p0=Na+n0Na （Nani）,结论：多子的浓度由杂质浓度决定； 少子的浓度与温度有关； 半导体器件温度特性差的根源,2、P型半导体 掺入三价元素（硼），形成多空穴、少电子的杂质半导体。 多数载流子（多子）：空穴 少数载流子（少子）：电子,受主杂质（Acceptor）,p0=Na+n0Na （Nani）,结论：多子的浓度由杂质浓度决定； 少子的浓度与温度有关； 半导体器件温度特性差的根源,三、漂移和扩散（两种导电机理） 1、漂移运动：载流子在电场的作用下
5、的定向运动。 漂移运动产生的电流漂移电流（Drift Current） 2、扩散运动：由于载流子浓度分布不均匀而产生的运动。 扩散运动产生的电流扩散电流（Diffusion Current）,小 结 关键词：载流子 目标：增加载流子（增加导电能力） 主线：本征半导体 杂质半导体,P型：多空穴p0Na N型：多电子n0Nd,ni=p0 =n0,扩散运动 载流子的运动 实现导电 漂移运动,2.2 PN结（半导体器件最基本单元） 一、PN结形成,PN结的形成 (a)初始状态; (b)平衡状态; (c)电位分布,一边是P型半导体，一边是N型半导体，交界面处形成的特殊结构PN结 载流子浓度差很大多子扩散
6、运动（ID）交界面处形成空间电荷区（PN结）内电场阻止多子扩散运动，少子产生漂移运动（IT方向与ID相反）达到动态平衡（ID = IT）总电流为零PN结宽度一定,内建电位差VB,热电压 室温,硅 VB=0.50.7V 锗VB 0.20.3V TVB(负温度系数) -2.5mV/,二、PN结的伏安特性 PN结在不同的运用状态下表现的特性不同，掌握这些特性是理解和使用晶体二极管、三极管的重要依据。 1、正向特性（正向偏置）,外电压与内电场方向相反PN结电位差PN结宽度总电场破坏原来的平衡扩散加剧，漂移减弱形成较大的正向电流,2、反向特性（反向偏置）,外电压与内电场方向相同PN结电位差PN结宽度总电
7、场破坏原来的平衡阻止扩散，加剧漂移形成非常小的反向电流（不计）IS：反向饱和电流，几乎与外加电压大小无关 硅 IS（10 -910 -16）A 锗 IS（10 -6 10 -8）A IS是温度敏感的参数 T IS,PN反向运用,3、伏安特性,根据理论分析,二极管的电流与端电压存在如下关系:,正偏且 （或V100mV）上式简化为：,反偏且 时，,PN结的伏安特性,工程上定义：导通电压， 用VD(on)表示， 认为V VD(on)时，PN结正向导通，I有明显数值， 而VVD(on)时，I很小，PN结截止。,硅PN结：VD(on)=0.7V 锗PN结：VD(on)=0.25V,4、温度特性 T少子I
8、S正向电流 等价为：T VD(on） (2.5mV/) 最高工作温度： 硅为（150200） 锗为（75100）,三、PN结的击穿特性 当反向电压超过V（BR）后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义V（BR）为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。 1、雪崩击穿 轻掺杂的PN结，加反向电压耗尽区较宽少子漂移通过耗尽区时被加速动能增大当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高动能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞将其撞出共价键产生新的电子、空穴对新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对载流子数目倍增反向电流剧增 碰撞电离,2、齐
9、纳击穿 重掺杂的PN结耗尽区很窄不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场反向电压大到一定值强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键产生大量电子、空穴对使反向电流急剧增大场致激发 一般来说，对硅材料的PN结，V（BR）6V时为雪崩击穿； V（BR） 6V时为齐纳击穿； V（BR）在6V左右时，两种击穿都有。 3、V（BR）的温度特性 雪崩击穿电压是正温度系数 TV(BR) 齐纳击穿电压是负温度系数 TV (BR) 击穿电压6V左右时，相应温度系数趋近零,4、稳压二极管（稳压管 ） 主要参数如下: (1)稳定电压VZ (2)稳定电流IZ 最小稳定电流IZmin 最大稳定电流IZmax,
10、四、PN结的电容特性 电容特性：电荷量随电压变化的特性。,1、势垒电容CT PN结两端电压变化空间电荷数变化,2、扩散电容CD 扩散过程中，载流子积累的数量，随外加电压而变化。,P区少子浓度分布曲线,势垒电容和扩散电容都是非线性电容,3、PN结电容 由于CT和CD均等效地并接在PN结上，因而，PN结上的总电容Cj为两者之和，即 Cj= CT + CD 正偏时以CD为主， Cj CD ，其值通常为几十至几千pF； 反偏时以CT为主， Cj CT，其值通常为几至几十pF。 因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。,变容二极管符号,4、变容二极管（变容管） PN结反偏时，呈高阻状态
11、，近似开路，PN结为较理想的电容器,小结 关键词：PN结 主线：PN结的特性 结论：1、PN结是非线性电阻器件单向导电 2、PN结反向击穿稳压管稳压 3、PN结的结电容变容管非线性电容器（高频电路中应用）,2.3 晶体二极管电路的分析方法 晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的，其结构示意图和电路符号分别如图(a),(b)所示。符号中，接到P型区的引线称为正极(或阳极)，接到N型区的引线称为负极(或阴极)。,一、晶体二极管模型 1、数学模型 2、曲线模型,3、简化电路模型 （1）折线模型(A1BC) （2）恒压模型（A2BC） （3）理想模型(A3B0C),二极管特性的折线近似及电路模型
12、,恒压模型 理想模型,4、小信号电路模型 Q（Quiescent point）静态工作点,二极管电阻的几何意义(a)直流电阻RD； (b)交流电阻rj,交流电阻 rj ：二极管在工作点附近电压微变量与电流微变量之比,即,Q,小信号电路模型交流小电阻 用来计算叠加在直流（Q点）上的微小交流电压或电流的响应。,二极管的直流电阻,与静态工作点有关,与静态工作点有关,交流电阻的求法： （1）图解法：Q点切线斜率的倒数。 （2）rj的数值可以从二极管的伏安特性表达式中得出,二、二极管主要参数 1、最大整流电流IF IF指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过此值。 2
13、、最大反向工作电压VRM VRM指二极管工作时所允许加的最大反向电压，超过此值容易发生反向击穿。通常取V(BR)的一半作为VRM 。 3、反向电流IR IR是二极管未击穿时的反向电流，IR愈小，二极管的单向导电性愈好，IR对温度非常敏感。,三、二极管电路分析方法 KVL: D的伏安特性,1、图解分析法（Graphical Analysis） 利用二极管曲线模型，特性曲线与管外电路方程（负载线）的交点Q，即为所求静态工作点（IQ，VQ）,2、简化分析法 利用简化电路模型 当 时,D导通,电路模型如右图,通常RRD，RD可忽略, D为恒压模型,3、小信号分析法(小信号工作状态),电路如图(a),小
14、信号等效电路：只考虑交流信号作用,满足小信号模型成立条件。,小结 关键词：二极管模型 目标：二极管电路分析 主线： 曲线模型图解分析法（在特性曲线上作负载线） 简化电路模型简化分析法（估算） 工作条件：小信号工作 信号源信号（交流信号）相对于偏置（直流）是微变量对信号源（交流信号）的作用二极管用小信号模型小信号分析法,2.4 晶体二极管的应用 一、整流（利用单向导电性） 将交流电变为单极性电压，称为整流。图为二极管半波整流电路。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波，正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，vo=vi；负半周时，二极管截止(相当开关打开)， vo =0。,二、稳压电路 利用稳压二极
15、管可以构成稳压电路和限幅电路。 稳压电路如图所示。图中VI为有波动的输入电压，并满足VI VZ。R为限流电阻，RL为负载。,三、限幅电路 限幅电路是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路。限幅电路的传输特性如图。,下门限（Lower Threshold） 上门限（Upper Threshold）,1、利用二极管的正向导通特性实现限幅,当vIV+VD(on)=2.7V时，D导通，vo=2.7V，即将vO的最大电压限制在2.7V上；当vI 2.7V时，D截止，二极管支路开路， vo = vI。图(b)画出了输入正弦波时，该电路的输出波形。可见，上限幅电路将输入信号中高出2.7V的部分削平了。,上限幅电路,2、利用二极管反向击穿特性实现限幅,
