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1、第1章,半导体二极管及其基本电路,授课教师：季顺宁,本章主要内容,介绍半导体的基本知识； 半导体器件的核心环节PN结的形成及其特性； 简介半导体二极管的结构及主要参数； 半导体二极管的几种常用等效电路及其应用； 简介几种特殊二极管（除“稳压管”外均作为一般了解内容）,目 录,1.1 半导体的基本知识,1.3 半导体二极管,1.4 二极管基本电路及其分析方法,1.5 特殊二极管,返 回,1.2 PN结的形成及特性,1.1 半导体的基本知识,在自然界中，根据物质导电能力的差别，可将它们划分为导体、绝缘体和半导体。,如：金属,如：橡胶、陶瓷、塑料和石英等等,返回,半导体：,常见的半导体材料有：锗、硅
2、、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 其中最典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。,这种物质的导电特性处于导体和绝缘体之间。,一. 半导体的共价键结构,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,半导体的导电性能是由其原子结构决定的。,为方便起见，常表示如下：,半导体的共价键结构图,共价键共用电子对,共 价 键,正离子核,二. 本征半导体,定义：纯净的、不含其他杂质的半导体。,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚其中，不能成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,T=0K时本征半导体结构图：,温度升高后，本征半导体结构图,动画演示,自由电子,空穴,温度升高后
3、，本征半导体结构图,动画演示,这一现象称为 本征激发，也 称热激发。,电子空穴对,温度升高后，本征半导体结构图,+4,+4,+4,+4,电子空穴对,复合：与本征激发现象相反，即自由电子遇到空穴并填补空穴，从而使两者同时消失的现象。,在一定温度下，本征激发与复合这二者产生的电子空穴对数目相等，达到一种动态平衡。,温度升高后，本征半导体结构图,+4,+4,+4,+4,电子空穴对,本征半导体的导电机制,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,本征半导体中产生电流的根本原因：共价键中空穴的出现。,空穴越多，载流子数目就越多，形成的电流就越大。,自由电子带负电荷，形成电子流,两种载流子,空穴视为带正电荷
4、，形成空穴流,本征半导体的导电机制,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,三. 杂质半导体,在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如硼、镓等。,1. P型半导体,空穴,多数载流子（多子）空穴； 少数载流子（少子）自由电子。,空穴的来源： （1）本征激发产生（少量的） （2）掺入杂质元素后多余出来的（大量的）,在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如硼、镓等。,1. P型半导体,空穴,受主原子,多数载流子（多子）空穴； 少数载流子（少子）自由电子。,自由电子的来源： 只有本征激发产生（少量的）,多数载流子（
5、多子）自由电子； 少数载流子（少子）空穴。,在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，如磷，砷等。,2. N型半导体,多余的电子,自由电子的来源： （1）本征激发产生（少量的） （2）掺入杂质元素后多余出来的（大量的）,多数载流子（多子）自由电子； 少数载流子（少子）空穴。,在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，如磷，砷等。,2. N型半导体,多余的电子,施主原子,空穴的来源： 只有本征激发产生（少量的）,杂质半导体的示意表示方法,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,P型半导体,N型半导体,少子浓度只与温度有关,多子浓度主要受掺入
6、杂质浓度的影响,负离子,空穴,正离子,自由电子,杂质半导体的示意表示方法,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,P型半导体,N型半导体,负离子,空穴,正离子,自由电子,【半导体知识】小结,半导体与导体在导电机理上的区别： 导体的载流子只有一种：自由电子； 半导体的载流子有两种：自由电子和空穴。,何谓本征半导体和杂质半导体？杂质半导体分类？ 【同前面所讲！】,1.2 PN结的形成及特性,一. PN结的形成,返回,耗尽层,动画演示,PN结,势垒区,阻挡层,V0,（电位势垒）,+,-,耗尽层,动画演示,PN结,势垒区,阻挡层,V0,（电位势垒
7、）,由上可知，PN结中进行着两种载流子的运动：,多数载流子的扩散运动,少数载流子的漂移运动,空间电荷的变化趋势：【注意：此时为无外加电压状态】,到达平衡时，,空间电荷区的宽度也达到稳定,外加正向电压,二. PN结的单向导电性,前提：只有在外加电压时才会显示出来,PN结加正向电压时导通,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,外电场,P区,N区,多子空穴,多子电子,VF,空间电荷区,内电场,扩散运动,PN结加正向电压时导通,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,内电场,外电场,P区,N区,多子空穴,多子电子,VF,PN结加正向电压时导通,+,+,+,+,
8、+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,变薄,内电场,外电场,P区,N区,多子空穴,多子电子,IF,VF,正向电流,I：扩散电流,PN结加正向电压时导通,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,变薄,内电场,外电场,P区,N区,IF,VF,I：扩散电流,PN结加正向电压时导通,动画演示,外加反向电压,PN结加反向电压时截止,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,空间电荷区,内电场,外电场,P区,N区,少子电子,少子空穴,VR,漂移运动,PN结加反向电压时截止,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,内电场,外电场,P区,N区,V
9、R,IR,I：漂移电流,反向电流,PN结加反向电压时截止,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,内电场,外电场,P区,N区,VR,IR,I：漂移电流,PN结加反向电压时截止,动画演示,归纳：,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。,在于它的耗尽层的存在，且其宽度随外加电压而变化。,这就是PN结的单向导电性。,PN结V-I特性的表达式（以硅二极管PN结为例）,【可参见教材P37图2.2.5】,式中：,IF,IR,(A),PN结V-I特性的表达式（以硅二极管PN结为例）,【
10、可参见教材P37图2.2.5】,IF,IR,(A),PN结V-I特性的表达式（以硅二极管PN结为例）,【可参见教材P37图2.2.5】,IF,IR,(A),PN结的反向击穿：,反向击穿电压,反向击穿,电击穿,热击穿,雪崩击穿,齐纳击穿,1.3 半导体二极管,一.半导体二极管的结构,二极管的几种常见外形,返回,二极管的几种常见结构,【可参见教材P39图2.3.1】,二极管的符号,(a)点接触型,(b)面接触型,(c)集成电路中的平面型,a,k,【Anode】,【Cathode】,几种常见二极管实物图,触发二极管,开关二极管,半导体二极管的型号,二.二极管的V-I特性,它的大小与二极管的材料及温度
11、等因素有关。,关于死区电压,二.二极管的V-I特性,关于死区电压,与温度的关系,IF：最大整流电流,三.二极管的参数,指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。,VBR：反向击穿电压,指管子反向击穿时的电压值。,一般手册上给出的最大反向工作电压约为VBR的一半。,三.二极管的参数,低频或中频信号时二极管极间电容作用不予考虑；高频信号时才考虑作用。,1.4 二极管基本电路及其分析方法,理想模型,正偏时，管压降为0V，即vD=0V； 反偏时，认为R=，电流为0。,适用,当电源电压远比二极管的管压降大时可用,返回,恒压降模型,恒压降模型,iD,vD,VON,VON,vD,iD,当二极管导通后，
12、认为其管压降vD=VON。,对硅而言，常取vD=VON=0.7V。,适用,只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才正确。 应用较广泛。,折线模型,折线模型,iD,vD,Vth,Vth,vD,iD,当二极管正向vD大于Vth后其电流iD与vD成线性关系，直线斜率为1/rD。,截止时反向电流为0,Vth为二极管的门槛电压，约为0.5V。,折线模型,折线模型,iD,vD,Vth,Vth,vD,iD,小信号模型（也称二极管的微变等效电路）,【可参见教材P47图2.4.4】,求rd？,小信号模型（也称二极管的微变等效电路）,模型分析法应用举例,（1）二极管电路的静态工作情况分析,设简单二极管基本电
13、路如图a所示，R=10k，图b是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值： （1）VDD=10V;（2）VDD=1V。在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。,例1：,（a）简单二极管电路,（b）习惯画法,恒压降模型,当VDD=10V时,折线模型,二者相比较: ID间相差0.001mA,VD间相差0.01V,恒压降模型,当VDD=1V时,折线模型,二者相比较: ID间相差0.019mA,VD间相差0.19V,例题表明：,在电源电压远大于二极管管压降的情况下，利用恒压降模型就能得到比较合理的结果； 当电源电压较低时，需要采用折线模型才能得到更合理的结果。,（2）限幅电
14、路,一限幅电路如图所示，R=1k，VREF=3V。 （1）vI=0V，4V，6V时，求相应的输出电压vO的值; （2）当vi6sintV时，绘出相应当输出电压vO的波形。,例2：, 当vI=4V时, 当vI=6V时,A,B,（2）当vi=6sintV时，求vO的波形,先画出电压传输特性曲线：,绘制输出电压vO的波形：,方法：按照输入电压的波形通过传输特性用描点法可以画出。,（3）开关电路,一二极管开关电路如图所示。当vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值不同组合情况下，输出电压vO的值。设二极管是理想的。,例3：,解：,逻辑与,（4）低电压稳压电路,在下图的低电压稳压电路中，直流电源电压VI的正常值为10V，R=10k，若
