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1、2.1 半导体基础知识,2.2 PN结 问题：1）什么是PN结？2）PN结的特点？(结合特性曲线),2.3 半导体二极管 问题：1）二极管D的符号，特性？ 2）二极管电路的等效模型？ 3）二极管电路的分析步骤？,2.4 稳压二极管（自主学习）,2.5 其他类型二极管（自主学习）,问题：1）稳压管的特点、原理？ 2）稳压管电路的分析方法，并与普通二极管的比较？ 3）发光二极管LED的特性？（与普通二极管比较） 4）LED的驱动条件？ * 5）光电二极管的应用？,2 半导体基础及二极管(P14),2.3 半导体二极管 问题：1）二极管D的符号，特性？ 2）二极管电路的等效模型？ 3）二极管电路的分
2、析步骤？,2.4 稳压二极管（自学）,2.5 其他类型二极管（自学）,问题：1）稳压管的特点、原理？ 2）稳压管电路的分析方法，并与普通二极管的比较？ 3）发光二极管LED的特性？（与普通二极管比较） 4）LED的驱动条件？ * 5）光电二极管的应用？ * 6）变容二极管、肖特基二极管的特点？,2 半导体基础及二极管,基本要求: 1) 了解PN结的形成过程、相关概念 2) 掌握Pn结的基本特性 3) 熟悉二极管的V-I特性及其等效模型 4) 掌握二极管(包括稳压管)基本电路的分析方法 5) 了解发光二极管的应用,作业：2(2.1.2)、3(1.3)任一，4c(2.1.4c)，6(2.1.6)、
3、7(1.7)，9(2.2.2)、10(2.3)、12(2.5) (至少一题仿真，可以全交仿真作业，但是必须配有解题分析过程）,2 半导体基础及二极管,2.1.1 本征半导体,2.1.2 杂质半导体,2.1.3 载流子的漂移运动和扩散运动 问题：1）什么是多子、少子？ 2）多子、少子产生的原因？ 3）载流子的运动方式有几种？与多子、少子的关系？,2.1 半导体基础知识,典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,导电能力(电阻率),导体 半导体 绝缘体,半导体的导电性能在不同条件下有着显著的差异,热敏性 光敏性 掺杂性,主要特性, 热敏电阻 光电二极管和光电三极管及光敏电阻 二极管、三极
4、管、场效应管,2.1.1 本征半导体,半导体材料是一种晶体材料,+4,价电子,1.本征半导体的晶体结构,呈电中性,半导体的导电性取决于价电子。,硅和锗的原子结构及简化模型,2.1.1 本征半导体,硅和锗的晶体结构,邻近原子之间以共价键相连，每个原子最外层形成拥有8个共有电子的稳定结构,1.本征半导体的晶体结构,在绝对0度及没有外界激发时，本征半导体相当于绝缘体。,本征半导体化学成分纯净的、结构完整的半导体晶体。,2.1.1 本征半导体,当本征半导体受热或光照时，会？,空穴共价键中的电 子挣脱束缚成为自由电 子后，在共价键中留下 的空位。半导体的特点, 电子空穴对,由本征激发(热激发)而产生的自
5、由电子和空穴对。 本征半导体中电子空穴数量相等，室温下数量少，导电性差。, 电子空穴的移动,2.本征半导体的两种载流子,2.1.1 本征半导体,半导体中有2种载流子电子和空穴，空穴可视为带正电的 离子，所带电量与电子相等，符号相反；空穴的移 动方向与电子的相反，表示了电流的方向,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，是虚拟的。, 电子空穴的复合、 移动,2.本征半导体的两种载流子,2.1.1 本征半导体,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。 杂质半导体掺入杂质的本征半导体。,N型半导体掺入五价杂
6、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。,2.1.2 杂质半导体,1. N型半导体,五价杂质原子中多余的一个价电子无共价键束缚而很容易形成自由电子。,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, 由热激发产生。,提供自由电子的五价杂质原子(施主杂质)因带正电荷而成为正离子,2.1.2 杂质半导体,2、 P型半导体,三价杂质原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由杂质提供；自由电子是少数载流子， 由热激发产生。,空穴很容易俘获电子(受主杂质)，使杂质原子成为负离子。,2.1.2
7、杂质半导体,2.1.3 载流子的漂移运动和扩散运动,漂移运动,载流子在电场作用下的定向运动。,空穴的移动方向与电场方向一致；,自由电子的移动方向与电场方向相反。,扩散运动,因载流子的浓度差而引起的载流子运动。载流子从浓度 高的区域向浓度低的区域的运动。,2.2 PN结,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 问题：1）什么是PN结？ 2）PN结的特点？(结合特性曲线) 3)什么是PN结的反向击穿？ 4）PN结的等效电路？, PN结的形成过程,PN结P型和N型半导体结合面离子薄层形成的空间电荷区。 其中由于缺少多子又
8、称耗尽层；还称势垒区。,2.2.1 PN结的形成,什么是PN结？,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,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散并复合 ,由杂质离子形成空间电荷区 ,PN结的形成过程,2.2.1 PN结的形成,2.2.2 PN结单向导电性,通过对PN结外加电压来讨论,1. 外加正向电压,PN结正偏时的导电情况,特性： 低电阻 大的正向扩散电流,P区的电位高于N区的正偏,P区的电位低于N区的电位反偏,2. 外加反向电压时,PN结反偏时的导电情况,特性： 高电阻 很小的反向漂移电流,在一定的温度下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少
9、子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,2.2.2 PN结单向导电性,综上所述 PN结正偏时，呈现低电阻，具有 较大的正向扩散电流； PN结反偏时，呈现高电阻，具有 很小的反向漂移电流。 结论： PN结具有单向导电性。,2.2.2 PN结单向导电性,PN结反偏时，在一定电压范围内，电流为很小的反向饱和电流，当反向电压超过某值后，反向电流急剧增加。,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 快速增加的现象,热击穿PN结烧毁，不可逆,雪崩击穿 反向电场使电子加 速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。,齐纳击穿 反向电场太强， 将电子
10、强行拉出 共价键,电击穿PN 结未损坏，断电即恢复， 可利用。,2.2.3 PN结的反向击穿,电容效应-电压变化引起电荷变化，C=Q/V。 PN结两端加上电压，引起电荷变化，即电容效应。,(1) 势垒电容CB由阻挡层内部空间电荷引起，势垒区的空间电荷随外加电压变化而产生的电容效应。,势垒电容示意图,2.2.4 PN结的电容效应,扩散电容CD外加电压的作用下扩散到P区或N区的少子在扩散过程中的积累,高频时PN结等效为：,结电容包括CB和CD； 正偏时r小C大(CD)；反偏时，r大C小(CB) 结面积小结电容小，工作频率高,2.2.4 PN结的电容效应,2.3.1 二极管的结构,2.3.2 二极管
11、的伏安特性,2.3.3 二极管的主要参数,2.3 半导体二极管,2.3 半导体二极管,2.3.4 二极管的等效模型,2.3.5 二极管应用电路,2.3.1 二极管的结构,(1) 点接触型二极管,构成：,PN 结 + 引线 + 管壳 二极管,分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,特点： PN结面积小，结电容 小，用于高频检波、 变频和小电流整流,符号：,阳极(+),阴极(-),(3) 平面型二极管,(2) 面接触型二极管,(2)面接触型,特点： PN结面积大，用于 低频大电流整流,特点： 在集成电路制造艺中采用， PN 结面积可大可小，用于 高频整流和开关电
12、路,2.3.1 二极管的结构,2.3.2 二极管的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性,开启/门坎/死区电压,0.5V,0.1V,实质同PN结特性,2.3.3 二极管的主要参数,(1) 最大整流电流IF最大正向平均电流,(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM=VBR / 2,(3) 反向电流IR越小单向导电性越好,(4) 正向压降VF,(5) 极间电容CB,势垒电容CB,扩散电容CD,正偏时r小C大(CD)；反偏时，r大C小(CB),二极管是非线性器件，一般用线性器件来等效模拟分析。常用的二极管等效模型有： 理想模型；恒压降模型；折线模型。,理想模型-用理想二极管(理想电子开
13、关。正向导通：正向电阻为0，正向压降为0；反向截止：反向电阻为 ，反向电流为0)代替实际二极管。,2.3.4 二极管的等效模型,正偏导通vD=0；,反偏截止iD=0,二极管是非线性器件，一般用线性器件来等效模拟分析。常用的二极管等效模型有： 理想模型；恒压降模型；折线模型。,恒压降模型-考虑二极管的正向导通电压为恒定不变的，用理想二极管+二极管的恒定正向压降Von代替实际二极管，即在理想模型上串联一个恒压源Von。,vD=Von=0.60.7V/0.20.3V,Von,Von,2.3.4 二极管的等效模型,二极管是非线性器件，一般用线性器件来等效模拟分析。常用的二极管等效模型有： 理想模型；恒
14、压降模型；折线模型。,折线模型-考虑二极管的正向导通电压为线性可变的，相当于用理想二极管+二极管的门槛电压Vth+等效电阻rd=V/I代替实际二极管，即在理想模型上串联一个恒压源Vth，再串联rd。,rd,vD=0.5/0.1+iDrd,Vth,2.3.4 二极管的等效模型,* 小信号模型(交流信号）,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成一个微变电阻,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,2.3.4 二极管的等效模型,理想模型,折线模型,恒压降模型,适用于电源大,正偏导通vD=0；,vD=0.7V/0.2V,vD=0.5/0.1+iDrd,适用于电源
15、较小,适用于电源较小,反偏截止iD=0,2.3.4 二极管的等效模型, 整流（P25） （交流变直流）,2.3.5 二极管应用电路,分析方法：假设二极管D断开，分别讨论其正偏、反偏时工作情况。,仿真,结论：半波整流。(书上波形基于哪种模型？),问题：仿真波形接近哪种模型？,双向限幅电路：如下图，设vi(t)=3sint , 利用恒压降模型，画出输出波形。(P25),解：恒压降模型电路为：,思考？D1、D2 支路各串联电池，vo如何变化？,V+,0.7,-0.7,假设D1、D2断开，D1阴极0.7V，D2阳极-0.7V， vi0.7V,D1导通，vo=0.7V；,VD,vi-0.7V,D2导通,
16、vo=-0.7V；,-0.7Vvi0.7V, D1、D2均截止,vo=vi。,限幅电路,仿真,2.3.5 二极管应用电路,低电压稳压电路多只二极管串接用于34V以下稳压 利用二极管的恒压模型的正向压降特性，vD0.7V,2.3.5 二极管应用电路,开关电路（即理想模型）,分析原则：假设D断开，分析D的阳阴 (+,)极间是正向电压 还是负向电压，若是正向，则D导通，反之D截止,例2.1.1 (P26) 假设D是理想的，求vi1=0V， vi2=5V的不同组合 时，vo的值,解： 当vi1=0V， vi2=5V时，D1正偏导通，vo=0V，D2反偏截止； 同理，可得下表, 理想模型,2.3.5 二极管应用电路,0 V,0 V,正偏 导通,正偏 导通,0 V,0 V,5 V,正偏 导通,反偏 截止,0 V,5 V,0
