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1、第一章 晶体二极管,1.1 半导体物理基本知识,1.2 结,1.3 晶体二极管电路的分析方法,1.4 晶体二极管的应用,1.5 其它二极管,1.1 半导体物理基础知识,在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,一. 本征半导体（Intrinsic Semiconductor),本征半导体化学成分纯净的
2、半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子,空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,动画演示,与本征激发相反的现象复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温300K时：,电子空穴对,自由电子 带负电荷 电子流,动画演示,总电流,空穴 带
3、正电荷 空穴流,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。,导电机制,二. 杂质半导体(Doped Semiconductor),在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,1. N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,2. P型半导体,杂质半导体的示意图,多子电子
4、,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关,多子浓度与温度无关,思考：多子浓度与何相关？,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,1.2 PN结,一. 动态平衡下的PN结形成,动画演示,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流0,二. PN结的伏安特性,1. 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,2. 加反向电压（反偏）电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。
5、 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流I R,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,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。 PN结具有单向导电性,动画演示1,动画演示2,3. PN结的伏安特性,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF（多子扩散）,IR（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,自学：PN结的击穿特性 （
6、P18） 思考：温度升高时，曲线有何变化？,根据理论分析：,u 为PN结两端的电压降,i 为流过PN结的电流,IS 为反向饱和电流,UT =kT/q 称为温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023 q 为电子电荷量1.6109 T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K） 则有UT=26 mV。,当 u0 uUT时,当 u|U T |时,三. PN结的电容特性,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,1. 势垒电容CB,变容二极管 振荡电路、调频电路,2. 扩散电容CD,当外加正向电压 不同时，PN结两侧堆积的
7、少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,1.3 晶体二极管电路的分析方法,二极管 = PN结 + 管壳 + 引线,结构,符号,一、晶体二极管模型,1. 二极管结构,(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,(3) 平面型二极管,用于集成电路制造工艺中 PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路,2. 晶体二极管型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,3. 晶体二极管的V-A特性曲线,硅：0.5 V
8、 锗： 0.1 V,(1) 正向特性,导通压降,(2) 反向特性,死区 电压,实验曲线,硅：0.7 V 锗：0.3V,二. 晶体二极管电路的分析计算,例：,二极管的模型,串联电压源模型,U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。,理想二极管模型,正偏,反偏,简化电路模型折线法,线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰当的元件进行等效，建立相应的模型。,（1）理想二极管模型：相当于一个理想开关，正偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大，电流为零。,（2）理想二极管串联恒压降模型：二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。该模型提供了合理的
9、近似，用途广泛。注意：二极管电流近似等于或大于1mA正确。,（3）折线模型：修正恒压降模型，认为二极管的管压降不是恒定的，而随二极管的电流增加而增加，模型中用一个电池和电阻 rD来作进一步的近似，此电池的电压选定为二极管的门限电压Uth，约为0.5V，rD的值为200欧姆。由于二极管的分散性，Uth、rD的值不是固定的。,小信号电路模型,如果二极管在它的V-I特性的某一小范围内工作，例如静态工作点Q（此时uD=UQ、iD=IQ）附近工作，则可把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是所求的小信号模型的微变电阻rj。,晶体二极管模型不同，采用的分析方法也有所不同， 对一般的二极管电路我们可以有以
10、下分析方法： 利用伏安特性方程和电路方程联立求解； 利用伏安特性曲线求解的图解分析法；（自学） 简化分析法：利用二极管简化模型分析电路； 微变等效电路分析法：将电路中的二极管用微变 等效电路模型代替后来分析电路，常用于交流信 号电路中。,晶体二极管电路分析方法,二极管的近似分析计算举例,例1：,串联电压源模型,测量值 9.32mA,相对误差,理想二极管模型,相对误差,0.7V,思考：如果二极管等效电路中的电阻不能忽略？,例2：二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为ui。 (1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电
11、压uo,解：（1）采用理想模型分析。,采用理想二极管串联电压源模型分析。,（2）如果ui为幅度4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：采用理想二极管 模型分析。波形如图所示。,思考：若UREF=0V，ui为正弦波， 示意性画出输出波形图。P30,采用串联电压源模型分析，波形如图所示。,思 考： 1. 电路中出现多个二极管，怎样分析？自学P28例2 2. 电路中交直流并存，如何分析？自学P28例2 3. 自学整流电路，掌握半波整流、全波整流和桥式整 流电路特点、工作原理、输出波形特征。,练习1 试求左图硅二极管
12、电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压 UO 值。,练习2 试分析右图所示硅二极管电路 (1) 画出电压传输特性曲线； (2) 已知 ui10sin t (V)，画出 ui 和 uo 的波形。,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数,稳定电压,三、稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,正向同二极管,反偏电压UZ 反向击穿, UZ ,稳压二极管的主要 参数,(1) 稳定电压UZ ,(2) 动态电阻rZ ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =U /I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,(3) 最小稳定工作 电流IZmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。,超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏 。,(4) 最大稳定工作电流IZmax,稳压原理：,(1) 当输入电压变化时,(2) 当负载电流变化时,1.2 其它二极管,一、肖特基表面势垒二极管 二、光电二极管 1. 发光二极管 2. 光敏二极管 3. 光电偶合器,原理、特点、电路符号、应用场合等,
