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1、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,2,3.1 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,3.1.4 杂质半导体,3,3.1.1 半导体材料,根据物质导电能力(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、锗Ge、砷化镓GaAs和一些硫化物、氧化物等。,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,半导体材料多以晶体的形式存在。,4,3.1.2 半导体的共价键结构,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共
2、价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子（束缚电子）。,5,3.1.3 本征半导体,本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,在绝对0度和没有外界激发时，价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。,6,3.1.3 本征半导体,当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚成为自由电子。 这一现象称为本征激发（也称热激发）。 但常温下，通过本征激发产生的载流子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,7,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚成为自由电子（带负电），同时共
3、价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,价电子,自由电子,空穴,8,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,9,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动 电子电流(2)价电子递补空穴 空穴电流,注意： 温度愈高， 载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都是载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,
4、10,半导体的导电特性（本征半导体的导电能力很差）,掺杂性: 往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显 增强。 (可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性: 当受到光照时，导电能力明显变化 。 (可做成各种光敏元件),热敏性: 当环境温度升高时，导电能力显著增强。（可做成温度敏感元件，如热敏电阻),11,3.1.4 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。,在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电能力相当低。,在本征半导体中掺入微量的杂质元素，形成杂质半导体。杂质半导体的导电能力将大大提
5、高。,12,1. N型半导体（掺入五价元素）,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, 由本征激发形成。,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为N型半导体（电子半导体）。,施主杂质,13,2. P型半导体（掺入三价元素）,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， 由本征激发形成。,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为P型半导体(空穴半导体)。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,杂质半导体对外是否显电性？,受主杂质,14
6、,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,本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差；掺入杂质后，导电能力大大增强。,15,1. 在杂质半导体中多子的数量主要与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量主要与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,思考题：,16
7、,3.2 PN结的形成及特性,3.2.1 PN结的形成,3.2.2 PN结的单向导电性,3.2.3 PN结的反向击穿,3.2.4 PN结的电容效应,17,不论是P型半导体还是N型半导体，都只能看做是一般的导电材料，不具有半导体器件的任何特点。,半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体基片的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。,各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。,PN 结,18,载流子的漂移与扩散,漂移运动： 在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
8、引起的载流子的运动称为扩散运动。,19,3.2.1 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区即 PN 结,20,在一块本征半导体在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
9、形成空间电荷区 ,21,PN结,22,3.2.2 PN结的单向导电性,PN结加正向电压，即：P区接电源正极，N区接电源负极，又称为PN结正向偏置。PN结加反向电压，即：P区接电源负极，N区接电源正极，又称为PN结反向偏置。,23,3.2.2 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压 （正向偏置）,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向扩散电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,24,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,25,PN 结变宽,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小
10、的反向漂移电流。,IR,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向漂移电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,反向漂移电流的大小是否与温度有关？,26,PN结的伏安特性,PN结具有单向导电性，即正向导通、反向截止。,27,3. PN结V- I 特性表达式,其中,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,PN结的伏安特性,28,3.2.3 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,29,3.2.4 PN结的电容效应,1. 势垒电容CB,
11、势垒电容示意图,30,2. 扩散电容CD,扩散电容示意图,31,3.3 半导体二极管,3.3.1 半导体二极管的结构,3.3.2 二极管的伏安特性,3.3.3 二极管的参数,32,3.3.1 半导体二极管的结构,将PN结加上引线和封装，就成为一个二极管。,表示符号：,P区引出的线称为阳极（正极），用“a”表示；N区引出的线称为阴极（负极），用“k”表示。,33,1. 点接触型二极管,PN结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,34,2. 面接触型二极管,PN结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,35,3. 平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN
12、结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,36,硅管0.5V锗管0.1V,反向击穿电压VBR,正向压降VF,外加电压大于死区电压，二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.7V锗0.2V,死区电压Vth,常温下，反向电流很小,3.3.2 二极管的伏安特性,37,在工程实践中，为什么硅二极管应用得较普遍？,硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管的反向电流一般在微安(uA)级。,38,二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向
13、电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,39,3.3.3 二极管的参数,1. 最大整流电流IF,2. 反向击穿电压VBR,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,最高反向工作电压VRM,二极管反向击穿时的电压值。,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压VBR的一半或三分之二。, 选择二极管的依据,40,3. 正向压降VF,门坎电压： 硅管0
14、.5V，锗管0.1V。,导通压降: 硅管0.7V,锗管0.2V。,门坎电压Vth,温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1，正向压降VF大约减小2mV，即二极管具有负温度系数。,41,4. 反向电流IR,指二极管未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差。,5. 极间电容CJ,CJ = CD + CB,温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加。硅二极管温度每增加8，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。,42,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,3.4.1 简单二极管电路的图解分
15、析方法,43,3.4.1 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。,44,例：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，称为负载线,Q点称为电路的工作点，Q的坐标值（VD，ID）即为所求。,45,将指数模型 分段线性化，得到二极管V- I特性的简化模型。,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1. 理想模型,正向偏置时的电路模型 反向偏置时的电路模型,电源电压远大于二极管正向压降,46,如何利用二极管理想模型分析电路？,分析方法： 将二极管断开，分析二极管两端电位的高低。,若 V阳 V阴 ( 正向偏置 )，二极管导通若 V阳 V阴 ( 反向偏置 )，二极管截止,理想状况下，正向导通时，二极管可视作短路； 反向截止时，二极管可视作断路。,47,例：电路如图(a)所示，输入电压vs =18 sin t V, 二极管是理想的，试画出输出电压vO的波形。,
