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1、,3 二极管及其基本电路,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。,半导体分类： 元素半导体：硅Si和锗Ge化合物半导体：砷化镓GaAs等,（半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间）,半导体特点：受外界光和热的激励时，导电能力发生显著变化；在纯净的半导体中加入微量杂质，导
2、电能力显著增加。原因是？,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,硅和锗的晶体结构,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、结构完整的半导体晶体。它在物理结构上呈单晶体形态。,空穴共价键中的空位。,自由电子带负电荷。,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。,空穴电子对的产生：由于随机热振动致使共价键被打破，产生自由电子空穴对。,空穴带正电荷。,载流子自由电子或空穴的移动，电荷的移动，实现导电，称载流子。电子和空穴是两种不同的载流子。,5,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,本征半导体中空穴的数目与电子的数目一
3、样多浓度一样,3.451012个原子中只有一个价电子打破共价键的束缚，成为自由电子。,由于随机热振动致使共价键被打破，产生自由电子空穴对。自由电子空穴对的浓度与温度的关系？,6,3.1.4 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。,7,1. 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，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成
4、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。,8,2. 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。,9,3. 杂质对半导体导电性的影响,3.1.4 杂质半导体,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:
5、,以上三个浓度基本上依次相差约106/cm3 。,4.961022/cm3,10,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,11,3.2 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结的电容效应,3.2.1 载流子的漂移与扩散,12,3.2.1 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。,13,3.2.2 PN结的形成,14,3.2.
6、2 PN结的形成,15,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 ,16,17,3.2.3 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。,(1) PN结加正向电压时,低电阻 大的正向扩散电流,18,3.2.3 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
7、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,19,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。,20,3.2.3 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）,21,3.2.4 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,22,3.2
8、.5 PN结的电容效应,(1) 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。,23,3.2.5 PN结的电容效应,(2) 势垒电容CB,end,当PN结处于反向偏置时，电场使多数载流子离开PN结，PN结变厚，有高于正常情况时的正负离子电荷。存储正负离子电荷量的大小，取决于PN结上所加反向电压值
9、的大小。 若外加反向电压有一增量V，则相应PN结耗尽区的正负离子产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为势垒电容CB。,24,3.3 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,25,3.3.1 二极管的结构,在PN结上加上引线和封装，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,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,26,（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,27,3.3.2 二极管的V-I 特性
10、,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,28,3.3.3 二极管的主要参数,end,29,3.4 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,30,3.4.1 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，且二极管电路简单。,31,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v
11、D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，称为负载线,Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点,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,将指数模型 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。,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,0.7V,0.5V,0.7V,0.5V,34,rD=200,3.4.2 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,对直流Q点(VD,ID)称为静态工作点(图解法)，反映直流时的工作
12、状态。,对小信号：vs =Vmsint 时（VmVDD）, 将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。,35,3.4.2 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,过Q点的切线可以等效成对小信号的一个微变电阻,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,（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,1.二极管V-I 特性的建模,（4）小信号模型,（a）V-I特性 （b）电路模型,37,3.4.2 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
13、）电路图 （b）vs和vO的波形,选理想模型,38,2模型分析法应用举例,（2）静态工作情况分析,选理想模型,选恒压模型,（硅二极管典型值）,选折线模型,（硅二极管典型值）,设,（a）简单二极管电路 （b）习惯画法,问题：那种模型更符合实际？,39,2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模型求解，当vI = 6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。,40,2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：,先假设断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。,则接D阳极的电位为-6V，接
14、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，假设不成立。,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。,41,42,例3.4.5 二极管的开关电路如图(P.81)，利用二极管理想模型求解：当vi1和vi2为0V或5V时，求vi1和vi2的值不同组合下，输出电压vo的值。,2模型分析法应用举例,（5）低电压稳压电路,+,-,43,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 = 0.1sinwt V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO
15、的波形。,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。,44,3.5 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,45,3.5.1 齐纳二极管（杂质浓度高）,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。,46,2. 稳压二极管主要参数,3.5.1 齐纳二极管,47,(1)稳定电压VZ；稳定电压指施加测试电流IZT时的反向击穿电压称为VZ。(2)动态电阻rZ； rZ =VZ /IZ，rZ越小，在IZ一定时，VZ越小，电压越稳定；(3)最大耗散功率PZM；稳压管损耗的最大功率，大于此功率，有可能烧坏二极管。,2. 稳压二极管主要参数,3.5.1 齐纳二极管,48,(4)最大稳定工作电流IZmax 和最小稳定工作电流IZmin；稳定电流IZ ：工作电压等于稳定电压VZ时的反向电流；最小稳定电流IZmin：稳压二极管工作于稳定电压VZ时所需的最小反向电流；最大稳定电流IZmax：稳压二极管允许通过的最大反向电流。当IZIZmin，二极管反向截止；当IZIZmax时，二极管有可能被烧坏。,2. 稳压二极管主要参数,
