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1、半导体基础和二极管半导体基础和二极管模拟电子技术基础B授课教师： 肖 烜授课单位： 北京理工大学自动化学院 电子学教研室联系电话： 68914382（办公室） 68912462（教研室）Email： 关于EDA技术和可编程模拟器件 EDA技术是目前研究的热点。 电子产品从电路设计、性能分析导最终的完成实现都可以通过计算机软件实现。 可编程模拟器件是一类新型集成电路，可以通过改变器件的配置得到需要的电路功能。方便快捷完成模拟电路的设计、验证和修改，缩短产品的研制周期，降低产品开发成本。 掌握一个基本的EDA软件：PSpice。模拟电子技术基础B概述课时分配： 第一章：2学时 第二章：6学时 第
2、三章：4学时 第四章：2学时 第五章: 2学时 第六章：1学时 第七章：5学时 第八章：4学时 第九章：4学时 第十章：2学时。共计：32学时 1.1 1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管第第1章章 半导体基础和二极管半导体基础和二极管思考思考：1-3习题：习题：1-8 1-9 1-10 难点难点难点难点: : : : 半导体中载流子的运动以及用载流子运动来说明半导体中载流子的运动以及用载流子运动来说明半导体二极管工作原理。半导体二极管工作原理。（是难点但不是重点。）（是难点但不是重点。）本章的重点和难点本章的重点和难点重点：重点：重点：重点： 从使
3、用的角度出发理解普通二极管、稳压二极从使用的角度出发理解普通二极管、稳压二极管工作原理，掌握其管工作原理，掌握其外部特性及主要参数外部特性及主要参数。1.1 1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体 半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。 把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半本征半导体。导体。 半导体有一些特殊的性质：半导体有一些特殊的性质：光敏特性、热敏特性和光敏特性、热敏特性和掺杂特性等等掺杂特性等等。 常用的半导体材料为常用的半导体材料为硅（硅（Si）和和锗（锗（Ge）
4、，），它们它们均为四价元素。均为四价元素。 在热力学温在热力学温度零度和没度零度和没有外界激发有外界激发时时, ,本征半导本征半导体不导电。体不导电。图图1.2 硅晶体中的共价键结构硅晶体中的共价键结构硅原子硅原子价电子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4二、本征半导体的结构二、本征半导体的结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴产生产生图图1-3 本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子成对出现成对出现成对消失成对消失三、本征半导体中的两种载流子三、本征半导体中的两种载流子三、本征半导体中的两种载流子三、本征半导体中的两种载流子电子和空穴电子和空穴电子和
5、空穴电子和空穴温度一定时温度一定时空穴浓度电空穴浓度电子浓度一定子浓度一定且相等。且相等。浓度随温度浓度随温度升高迅速增升高迅速增大，具有大，具有热热敏性。敏性。复合复合+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向外电场方向外电场方向外电场方向空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 在外电场作用在外电场作用下，电子和空下，电子和空穴均能参与导穴均能参与导电。电。价电子填补空穴价电子填补空穴+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体一一一一 . N . N 型半导体型半导体型半导体型半导体在四价硅或在四价硅或锗的晶体中锗的晶体中掺入少量的掺入少量的
6、五价元五价元 素素,如如磷磷,则形成则形成N型半导体。型半导体。 磷原子磷原子+4+5多余价电子多余价电子自由电子自由电子正离子正离子图图1.-4 N型半导体型半导体 N N 型半导体结构示意图型半导体结构示意图型半导体结构示意图型半导体结构示意图少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离子正离子在在N型半导体中型半导体中,电子是多数载流子电子是多数载流子, 空穴是少数载流子空穴是少数载流子但仍是电中性。但仍是电中性。+4+4+4+4+4+4+4二二. P型半导体型半导体在硅或锗的在硅或锗的晶体中掺入晶体中掺入少量的三价少量的三价元素元素,如硼如硼,则形成则形成P 型型半导体。半导体。 +4
7、+4硼原子硼原子填补空位填补空位+3负离子负离子空位空位空穴空穴空穴空穴电子电子电子是少数载流子电子是少数载流子负离子负离子空穴是多数载流子空穴是多数载流子在在P型半导中型半导中,空穴是多数载流子空穴是多数载流子,电子是少数载流子。电子是少数载流子。一、一、PN PN 结的形成结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上, ,形形成成P型半导体区域和型半导体区域和N型半导体区域型半导体区域, ,在这两个区域在这两个区域的交界处就形成了一个的交界处就形成了一个PN 结结。1.1.3 PN 1.1.3 PN 结结一、一、PN PN 结的形成结的形成多子扩散多子
8、扩散少子漂移少子漂移内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区P 区区N 区区一、一、PN PN 结的形成结的形成1.1.3 PN 1.1.3 PN 结结 由于载流子的浓度差，由于载流子的浓度差，P区的空穴向区的空穴向N区扩散，区扩散，N区的电子向区的电子向P区扩散。这种由于浓度差引起的运区扩散。这种由于浓度差引起的运动称为动称为扩散运动扩散运动。 随着扩散运动的进行，随着扩散运动的进行，N区出现正离子区，区出现正离子区，P区区出现负离子区，这个不能移动的电荷区叫出现负离子区，这个不能移动的电荷区叫空间电荷空间电荷区区。因没有载流子，也叫耗尽层、势垒区、阻挡层。因没有载流子，也叫耗尽层、势垒区、
9、阻挡层。 由空间电荷区产生的、方向为由空间电荷区产生的、方向为N区指向区指向P区的内区的内建电场阻碍了扩散运动，同时使少子产生建电场阻碍了扩散运动，同时使少子产生漂移运动漂移运动，即即N区的空穴向区的空穴向P区漂移，区漂移， P区的电子向区的电子向N区漂移。区漂移。 当漂移运动和扩散运动达到动态平衡时，扩散电当漂移运动和扩散运动达到动态平衡时，扩散电流等于漂移电流且方向相反，流等于漂移电流且方向相反，PN结中电流为零，结中电流为零，PN结宽度及电位差结宽度及电位差Uho为恒定值。为恒定值。一、一、PN PN 结的形成结的形成1.1.3 PN 1.1.3 PN 结结P 区区N 区区内电场方向内电
10、场方向室温下，内电场建立的电位差：室温下，内电场建立的电位差：硅：（硅：（0.60.8）V 锗：（锗：（0.1 0.3）VP N结结二、二、 PN 结的特性结的特性1. PN 结的单向导电性结的单向导电性 所谓所谓“单向导电性单向导电性”是指是指PN结在不同极性外加电结在不同极性外加电压作用下，其导电能力有极大差异的特性。压作用下，其导电能力有极大差异的特性。PN结结最显著的特性为单向导电性。最显著的特性为单向导电性。 正向接法（正偏）正向接法（正偏）： P区接电源正极，区接电源正极，N区接电区接电源负极；源负极； 反向接法（反偏）反向接法（反偏）： N区接电源正极，区接电源正极，P区接电区接
11、电源负极。源负极。内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RIP 区区N 区区外电场驱使外电场驱使P区的空穴进入空间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷空间电荷区空间电荷区变窄变窄 外电场和内电场方向相反，外电场和内电场方向相反，空间电空间电荷区变窄，荷区变窄，形成较大的正向电流形成较大的正向电流（1 1） 外加正向电压外加正向电压外加正向电压外加正向电压( (正偏正偏正偏正偏) )P 区区N 区区内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR（2
12、 2 2 2） 外加反向电压外加反向电压外加反向电压外加反向电压( ( ( (反偏反偏反偏反偏) ) ) )少数载流子越过少数载流子越过PN结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 PNPN结的单向导电性结的单向导电性 PN PN结正偏时的正向电流（是扩散电流）数值较结正偏时的正向电流（是扩散电流）数值较大，此时容易导电；大，此时容易导电； PN PN结反偏时的反向电流（是漂移电流）数值很结反偏时的反向电流（是漂移电流）数值很小，几乎不导电。小，几乎不导电。2. PN结的伏安特性及其表达式结的伏安特性及其表达式Is为反向饱和电流，常温时：为反向饱和电流，常温时：UT 26mV温度对反向电流的影
13、响大：温度对反向电流的影响大：PN加正向电压，且加正向电压，且UUT时，时，PN加反向电压，且加反向电压，且 U UT时，时，T 少子少子 IS I / mAU / V3. PN结的击穿特性结的击穿特性 当当PN结反向电压超过一定数值结反向电压超过一定数值UBR后，反向电流后，反向电流急剧增加，该现象称为急剧增加，该现象称为反向击穿反向击穿， UBR称为称为反向击穿反向击穿电压。电压。齐纳击穿齐纳击穿雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿：齐纳击穿：在掺杂浓度高的情况下，不大的反在掺杂浓度高的情况下，不大的反向电压可以在耗尽层产生很强的电场，直接破坏向电压可以在耗尽层产生很强的电场，直接破坏共价键，形成电
14、子共价键，形成电子-空穴对，导致电流急剧增加。空穴对，导致电流急剧增加。硅材料一般在硅材料一般在4V以下以下。3. PN结的击穿特性 雪崩击穿：雪崩击穿：掺杂浓度低，当反向电压比较大掺杂浓度低，当反向电压比较大时，耗尽层中的少子加快漂移速度，撞击共价时，耗尽层中的少子加快漂移速度，撞击共价键，形成电子键，形成电子-空穴对，新的电子和空穴在电空穴对，新的电子和空穴在电场的作用下加速运动，撞出新的价电子。载流场的作用下加速运动，撞出新的价电子。载流子雪崩式倍增，导致电流急剧增加。一般在子雪崩式倍增，导致电流急剧增加。一般在7V以上以上。在在4 7V之间，两者都有，其温度特性较好。之间，两者都有，其
15、温度特性较好。3. PN结的击穿特性1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 二极管的结构和符号二极管的结构和符号 将将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，由半导体二极管，由P区引出的电极为区引出的电极为阳极阳极，N区引出的区引出的电极为电极为阴极。阴极。点接触型二极管点接触型二极管 阳极引线金属丝N型锗外壳阴极引线PN结二极管的符号二极管的符号阳极阴极 阳极引线SiO2保护层P型硅型硅阴极引线 面接触型二极管面接触型二极管N型硅型硅1. 2. 2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性0I / mAU / V正向特性正向特性反
16、向击反向击穿特性穿特性反向特性反向特性Uth 二极管和二极管和二极管和二极管和PNPN结一样具有单向结一样具有单向结一样具有单向结一样具有单向导电性。导电性。导电性。导电性。 UBR二极管和二极管和二极管和二极管和PNPN结的比较：结的比较：结的比较：结的比较： 和PN结相比，二极管具有半导体体电阻和引线电阻，外加电压相同时，二极管的电流比PN结的电流小。因存在表面漏电流，二极管的反向电流比PN结大。其中：其中：Is为反向饱和电流；为反向饱和电流； UT为温度电压当量。为温度电压当量。 常温下常温下UT=26mV。（端电压与电流关系）（端电压与电流关系） 在近似分析时，通常用在近似分析时，通常
17、用在近似分析时，通常用在近似分析时，通常用PNPN结的电流方程描结的电流方程描结的电流方程描结的电流方程描述二极管的伏安特性。述二极管的伏安特性。述二极管的伏安特性。述二极管的伏安特性。1. 2. 2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性一、正向特性一、正向特性一、正向特性一、正向特性 阈值电压阈值电压Uth:使二极管开始导通的使二极管开始导通的临界电压。临界电压。常温时：硅管常温时：硅管Uth 0.5V 锗管锗管Uth 0.2V 正向导通，电流不大时导通电压：正向导通，电流不大时导通电压： 硅硅(0.60.8)V (一般取一般取0.7V） 锗锗(0.1 0.3)V (一般取一般取0.3V）0I
18、/ mAU / V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性反向特性反向特性Uth1. 2. 2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性三、击穿特性三、击穿特性三、击穿特性三、击穿特性 当二极管承受的反向当二极管承受的反向电压超过击穿电压电压超过击穿电压UBR后，反向电流急剧增加。后，反向电流急剧增加。0I / mAU / V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性反向特性反向特性Uth二、反向特性二、反向特性二、反向特性二、反向特性 加反向电压时，反向电流很小。加反向电压时，反向电流很小。（与电压基本无关）（与电压基本无关）1. 2. 2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性材材料料阈值电压阈值电压Ut
19、h （V）导通电压导通电压（V）反向饱和电流反向饱和电流（ A）硅硅0.50.6 0.80.1锗锗0.10.10.3几十几十两种不同材料构成的二极管的比较两种不同材料构成的二极管的比较两种不同材料构成的二极管的比较两种不同材料构成的二极管的比较: :1. 2. 2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 环境温度升高，二环境温度升高，二极管的正向特性曲线极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲将左移，反向特性曲线下移。线下移。0I / mAU / VUONUBR 8020温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响 在室温附近，温度在室温附近，温度每升高每升高1，正向压，正向压降减小降减小22.
20、5mV；温；温度每升高度每升高10 ，反向，反向电流增加约电流增加约1倍。倍。1. 2. 3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.最大整流电流最大整流电流最大整流电流最大整流电流I IF F：二极管长期运行允许通过的最大二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。正向平均电流。2. 2. 最高反向工作峰值电压最高反向工作峰值电压最高反向工作峰值电压最高反向工作峰值电压U UR R：二极管工作时允许外加二极管工作时允许外加的最大反向电压。通常为击穿电压的最大反向电压。通常为击穿电压U(BR)的一半。的一半。3. 3. 反向电流反向电流反向电流反向电流I IR R：二极管未击穿时的反向电流，值越小，
21、：二极管未击穿时的反向电流，值越小， 二极管的单向导电性越好二极管的单向导电性越好。 二极管的二极管的二极管的二极管的应用范围很广，它可用于整流、检波、应用范围很广，它可用于整流、检波、应用范围很广，它可用于整流、检波、应用范围很广，它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。等。等。等。1. 2. 3 二极管的主要参数二极管的主要参数4. 4. 最高工作频率最高工作频率最高工作频率最高工作频率f fMM：上限工作频率。超过此值（由于：上限工作频率
22、。超过此值（由于结电容的作用）二极管的单向导电性将受到影响。结电容的作用）二极管的单向导电性将受到影响。1.2.4 半导体二极管的型号及选择半导体二极管的型号及选择一、国产半导体器件型号命名方法一、国产半导体器件型号命名方法一、国产半导体器件型号命名方法一、国产半导体器件型号命名方法第一部分第一部分 第二部分第二部分 第三部分第三部分 第四部分第四部分 第五部分第五部分 数字表示器件的电极数数字表示器件的电极数拼音字母表示器件的材料和极性拼音字母表示器件的材料和极性拼音字母表示器件的类别拼音字母表示器件的类别数字表示序号数字表示序号拼音表示拼音表示规格号规格号2CP10: N型硅材料型硅材料
23、小信号小信号 二极管。二极管。二、选用二极管的一般原则二、选用二极管的一般原则 1. 要求导通后正向压降小的选锗管；要求反向电要求导通后正向压降小的选锗管；要求反向电流小选硅流小选硅管。管。 2. 工作电流大时选面接触型；工作频率高时选点工作电流大时选面接触型；工作频率高时选点接触型。接触型。 3. 反向击穿电压高时选硅管。反向击穿电压高时选硅管。 4. 要求耐高温时选硅管。要求耐高温时选硅管。1.2.5 二极管的等效电路二极管的等效电路 一、理想二极管等效模型一、理想二极管等效模型一、理想二极管等效模型一、理想二极管等效模型I/ mAU / V模型：模型：正偏时压降为零；正偏时压降为零；反偏
24、时电流为零。反偏时电流为零。 二极管具有非线性的伏安特性，为便于分析，在一定二极管具有非线性的伏安特性，为便于分析，在一定条件下，对其进行线性化处理，建立二极管的条件下，对其进行线性化处理，建立二极管的“线性模型线性模型”。根据二极管的不同工作状态及分析精度的要求，可选。根据二极管的不同工作状态及分析精度的要求，可选择不同的模型择不同的模型1.2.5二极管的等效电路二极管的等效电路二、理想二极管恒压源模型二、理想二极管恒压源模型二、理想二极管恒压源模型二、理想二极管恒压源模型模型：模型：Uon 只有正偏电压超过导通电压，二只有正偏电压超过导通电压，二极管才导通，其两端电压为常数；否极管才导通，
25、其两端电压为常数；否则二极管不导通，电流为零。则二极管不导通，电流为零。Uon是二极管的导通电压是二极管的导通电压I/ mAU/ VUon0 在直流信号上，再叠加微小变化的在直流信号上，再叠加微小变化的交流信号，可以用伏安特性在交流信号，可以用伏安特性在Q处的切处的切线近似表示实际的这段曲线。线近似表示实际的这段曲线。 此切线斜率的倒数为二极管在此切线斜率的倒数为二极管在Q处处的动态等效电阻。的动态等效电阻。三、微变信号模型（交流模型）三、微变信号模型（交流模型）三、微变信号模型（交流模型）三、微变信号模型（交流模型）UDQIDI/ mAU/ VUDIDQQU+-IDrd（动态电阻与直流工作（
26、动态电阻与直流工作 点位置有关）点位置有关）1.2.6半导体二极管应用举例半导体二极管应用举例1. 1. 串联限幅电路串联限幅电路串联限幅电路串联限幅电路二极管与负载电阻串联。二极管与负载电阻串联。ui正半周且数值大于导通电压，正半周且数值大于导通电压，管导通管导通,ui负半周或数值小于导通电压，负半周或数值小于导通电压，管截止管截止, uo 02. 2. 并联限幅电路并联限幅电路并联限幅电路并联限幅电路二极管与负载电阻并联二极管与负载电阻并联ui正半周且数值大于导通电压，二极管导通正半周且数值大于导通电压，二极管导通， uo onui负半周或数值小于导通电压，二极管截止，负半周或数值小于导通
27、电压，二极管截止， uo ui1.2.6半导体二极管应用举例半导体二极管应用举例3. 3. 双向限幅电路双向限幅电路双向限幅电路双向限幅电路二极管反向并联在输出端二极管反向并联在输出端限制了输出信号的正负幅值限制了输出信号的正负幅值uo on1.2.6半导体二极管应用举例半导体二极管应用举例 总结：二极管有两种工作状态：导通和截止。如果导通，二极管两极的电压等于开启电压，如果截止，二极管电流为零，电阻无穷大。（正常工作状态下） 此结论不适用微变等效模型。1.2.6半导体二极管应用举例 稳压二极管是一种用硅材料制成的面接触型半导体二极管，简称稳压管。 稳压管在反向击穿时，在一定电流范围内，端稳压
28、管在反向击穿时，在一定电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性。电压几乎不变，表现出稳压特性。1.2.7 1.2.7 稳压二极管稳压二极管DZ阳极阳极阴极阴极符号符号符号符号0正向特性正向特性反向击穿区反向击穿区IFUFUZIminIZmax伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性一、稳压管的伏安特性一、稳压管的伏安特性一、稳压管的伏安特性一、稳压管的伏安特性 稳压管工作在反稳压管工作在反向击穿区。由于其向击穿区。由于其曲线很陡，稳压特曲线很陡，稳压特性好性好。1.2.7 1.2.7 稳压二极管稳压二极管01.1.稳定电压稳定电压UZ电流为规定值时稳压管两电流为规定值时稳压管两端的电压值。端的电压值
29、。2.2.最小稳定电流最小稳定电流 Imin 稳压正常工作时的最小电流稳压正常工作时的最小电流3.3.最大稳定电流最大稳定电流 Izmax 稳压正常工作时的最大电流稳压正常工作时的最大电流4.4.最大允许耗散功率最大允许耗散功率PZM PZM =UZ IzmaxiUZ IZ UZIminIZmax二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数u05. 5. 动态电阻动态电阻 rZ（r rz z越小稳压管的稳压特性越好。越小稳压管的稳压特性越好。）6. 6. 温度系数温度系数 温度每变化温度每变化1C，稳定电压，稳定电压UZ的相对变化量。的相对变化量。 iUZ
30、IZ UZIminIZmax rZ = IZ UZ二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数u u三、稳压管正常工作的条件三、稳压管正常工作的条件三、稳压管正常工作的条件三、稳压管正常工作的条件（1）工作在反向击穿状态。）工作在反向击穿状态。 （2）稳压管中的工作电）稳压管中的工作电 流在流在最小稳定电流与最大稳定电流最小稳定电流与最大稳定电流之间。之间。0iUZ IZ UZIminIZmaxu u三、稳压管应用电路三、稳压管应用电路三、稳压管应用电路三、稳压管应用电路Uo z限流电阻限流电阻限流电阻限流电阻R R必必必必不可少。不可少。不可少。不可少。1
31、.2.8 1.2.8 其他类型二极管其他类型二极管 一、一、发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管 当外加正向电压使其正向电流足够大时，二当外加正向电压使其正向电流足够大时，二极管开始发光。发光二极管也具有单向导电性，极管开始发光。发光二极管也具有单向导电性，它的开启电压比普通二极管大。具有不同种类它的开启电压比普通二极管大。具有不同种类型（可见光、不可见光、激光等）。型（可见光、不可见光、激光等）。 可见光发光二极管颜色与材料有关，颜色可见光发光二极管颜色与材料有关，颜色不同，开启电压不同不同，开启电压不同, ,一般红色的在一般红色的在1.61.8V1.61.8V之间，绿色的为之间，绿色的
32、为2V2V左右。左右。二、光电二极管二、光电二极管二、光电二极管二、光电二极管 光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管为远红外线接收管。是一种光能与为远红外线接收管。是一种光能与电能进行转换的器件，将接收到的光的变化转换电能进行转换的器件，将接收到的光的变化转换成电流的变化。成电流的变化。1.2.8 1.2.8 其他类型二极管其他类型二极管 本章小结本章小结1.半导体二极管半导体二极管2.稳压管稳压管第一章基本要求第一章基本要求1. 1.普通二极管、稳压管的外部特性和主要参数。普通二极管、稳压管的外部特性和主要参数。普通二极管、稳压管的外部特性和主要参数。普通二极管、稳压管的外部特性和主要参数。2.普通二极管、稳压管的基本应用。普通二极管、稳压管的基本应用。普通二极管、稳压管的基本应用。普通二极管、稳压管的基本应用。重点掌握：重点掌握：
