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1、模拟第1章半导体二极管及其应用1.1.1 半导体的导电特性 一、半一、半导导体：体： 导电导电性能介于性能介于导导体与体与绝缘绝缘体之体之间间的物的物质质。 单质单质半半导导体：碳体：碳(C)、硅、硅(Si)、锗锗(Ge) 化合物半化合物半导导体：磷化体：磷化镓镓、砷化、砷化镓镓、磷砷化、磷砷化镓镓等等本征半本征半导导体：体：99.9999999% 纯纯度的具有晶体度的具有晶体结结构的半构的半导导体体 “九个九九个九”物物质质按照其原子排列特点可分按照其原子排列特点可分为为：（晶体：原子、分子完全按照（晶体：原子、分子完全按照严严格的周期性重复排列的物格的周期性重复排列的物质质称称为为晶体，原
2、子呈无序排列的叫做非晶体，介于晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，介于这这两者之两者之间间的的叫做准晶体。）叫做准晶体。） 晶格：晶体中的原子在空晶格：晶体中的原子在空间间形成排列整形成排列整齐齐的点的点阵阵，称，称为为晶格。晶格。大多数半大多数半导导体器件所体器件所用主要材料是硅和用主要材料是硅和锗锗2 2化学元素周期表化学元素周期表3 3钻石结构从本征从本征Si结结构上分析其构上分析其导电导电性性硅晶体的立体硅晶体的立体结结构构共价共价键键（Covalence Bond）4 4在本征半在本征半在本征半在本征半导导导导体中，由于晶体中共价体中，由于晶体中共价体中，由于晶体中共价体中，由于晶体中
3、共价键键键键的的的的结结结结合力很合力很合力很合力很强强强强，经过经过经过经过研究研究研究研究发现发现发现发现在在在在热热热热力学温度零度（即力学温度零度（即力学温度零度（即力学温度零度（即T T = 0 K = 0 K ）时时时时，价价价价电电电电子的能量不足以子的能量不足以子的能量不足以子的能量不足以挣挣挣挣脱共价脱共价脱共价脱共价键键键键的束的束的束的束缚缚缚缚，晶体中不存在能晶体中不存在能晶体中不存在能晶体中不存在能够导电够导电够导电够导电的的的的载载载载流子，流子，流子，流子，半半半半导导导导体不能体不能体不能体不能导电导电导电导电，如同，如同，如同，如同绝缘绝缘绝缘绝缘体一体一体一
4、体一样样样样。5 5图图1.1.1 本征半本征半导导体平面体平面结结构示意构示意图图6 6本征激发和复合的过程7 7本征半本征半导导体的激体的激发发与复合与复合激激发发：半：半导导体受外界因素体受外界因素(例如温度、光照、例如温度、光照、电场电场等等)的影响，的影响， 产产生生“电电子子空穴空穴对对”的的过过程。程。复合：复合：电电子空穴子空穴对对消失的消失的过过程。程。特点：特点：a. 激激发发形成两种形成两种载载流子：自由流子：自由电电子与空穴。子与空穴。b. 自由自由电电子数子数 = 空穴数。空穴数。c. 两种两种载载流子参加流子参加导电导电。d. 导电导电性能与激性能与激发发因素因素(
5、温度、光照）有很大关系。温度、光照）有很大关系。8 8图图1.1.3 N型半型半导体体二、二、杂质杂质半半导导体体导电导电能力的可控性能力的可控性通通过扩过扩散工散工艺艺，在本征半，在本征半导导体中体中掺掺入少量合适的入少量合适的杂质杂质元素元素,得到得到杂质杂质半半导导体。体。N型半型半导导体体在本征半在本征半导导体中体中掺掺入入5价价P元素，形成元素，形成N型半型半导导体。体。特点：自由特点：自由电电子的数目子的数目远远远远大于空穴的数目，称大于空穴的数目，称为为多子；多子；空穴称空穴称为为少子。少子。9 9在本征半在本征半导导体中体中掺掺入入3价价B元素，形成元素，形成P型半型半导导体。
6、体。特点：空穴的数目特点：空穴的数目远远远远大大于自由于自由电电子的数目，称子的数目，称为为多子；自由多子；自由电电子称子称为为少子。少子。P型半型半导导体体图图1.1.4 P型半型半导体体1010在在在在杂质杂质杂质杂质半半半半导导导导体中：体中：体中：体中：杂质浓杂质浓杂质浓杂质浓度不度不度不度不应应应应破坏半破坏半破坏半破坏半导导导导体的晶体体的晶体体的晶体体的晶体结结结结构，构，构，构，多数多数多数多数载载载载流子的流子的流子的流子的浓浓浓浓度主要取决于度主要取决于度主要取决于度主要取决于掺掺掺掺入入入入杂质杂质杂质杂质的的的的浓浓浓浓度；度；度；度；而少数而少数而少数而少数载载载载流
7、子的流子的流子的流子的浓浓浓浓度主要取决于温度。度主要取决于温度。度主要取决于温度。度主要取决于温度。杂质杂质杂质杂质半半半半导导导导体的体的体的体的优优优优点：点：点：点：掺掺掺掺入不同性入不同性入不同性入不同性质质质质、不同、不同、不同、不同浓浓浓浓度的度的度的度的杂质杂质杂质杂质，可控制它的，可控制它的，可控制它的，可控制它的导电导电导电导电性能。另外光照、温度等外界因素也可以改性能。另外光照、温度等外界因素也可以改性能。另外光照、温度等外界因素也可以改性能。另外光照、温度等外界因素也可以改变变变变其其其其导导导导电电电电性能。性能。性能。性能。这这这这就是就是就是就是为为为为什么什么什
8、么什么选选选选半半半半导导导导体作体作体作体作为为为为制作晶体管材制作晶体管材制作晶体管材制作晶体管材料的原因。料的原因。料的原因。料的原因。总结总结总结总结1111 硅多用于制造敏感元件，例如光敏电阻、热敏电阻等，可以把非电物理量（例如光照强度、温度）转换为电量（例如电阻、电压、电流）。光敏电阻的应用举例傻瓜相机1212小小 结结 本本讲讲主要介主要介绍绍了下列半了下列半导导体的基本概念：体的基本概念： 本征半本征半导导体体 激激发发、复合、空穴、复合、空穴、载载流子流子 杂质杂质半半导导体体 P P型半型半导导体和体和N N型半型半导导体体13131.1.2 PNPN结结及其及其单单向向导
9、电导电性性一、 PN结的形成二、 PN结的单向导电性1414一、 PN结的形成 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 多子的扩散运动由由杂质杂质离子离子形成空间电荷区 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。对于 P型半导体和N型 半导体结合面， 离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区，由于缺少 多子，所以也称 耗尽层。 图01.06 PN结的形成过程 （动画1-1） PN 结形成的过程可参阅右图1616二、
10、PN结的单向导电性 如果外加电压使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； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 1717、 PN结结加正向加正向电压时电压时的的导电导电情况情况 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结导通呈现低阻性。 PN结加正向电压时的导电情况如下图所示。 （动画1-2）PN结加正向电压时的导电情况1818 、 PN结结加反向加反向电压时电压时的的导电导电情况情况 外加的反向电压有一部分降落
11、在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结截止呈现高电阻性。 PN结加反向电压时的导电情况如下页图所示。PN结加反向电压时的导电情况 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少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。 1919 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结具有单向导电特性。 （动画1
12、-3）PN结加反向电压时的导电情况2020PN结单结单向向导电导电性的特点性的特点1.正向正向导导通、反向截止；通、反向截止；2.正向正向电电阻小、反向阻小、反向电电阻大；阻大；3.正向正向电电流大、反向流大、反向电电流小；流小； 导导通通电压电压Von硅材料硅材料为为0.60.8V左右；左右；锗锗材料材料为为0.20.3V左右。左右。21211.2 半导体二极管二极管的结构类型二极管的伏安特性1.2.3 二极管的参数1.2.4 二极管的应用2222二极管实物照片1.2.1 二极管的结构类型二极管形成二极管形成 在在PN结结上加上引上加上引线线和封装，和封装，就成就成为为一个二极管一个二极管2
13、323(1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，只允许流过几十毫安电流，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型 二极管按材料分：硅二极管和锗二极管。按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如下所示。二极管分二极管分类类2424(c)平面型(3) 平面型二极管 往往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。电流较大。(2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。电流可达几安到几十安。(b)面接触型(d)二极管的符号k k阴极阴极阳极阳极a a(4) 二极管的符号二极管的结构示意图2525303020201010I I/mA
14、/mAU UD D/V/V0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 20 1020 102 24 4- -I I/O O正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向特性反向特性+ +- -U UD DI I1.2.2 二极管的伏安特性及等效电路一、二极管的伏安特性一、二极管的伏安特性图图1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性2626当正向当正向电压电压超超过过死区死区电压电压后，后，二极管二极管导导通通,电电流与流与电压电压关系近似指数关系。关系近似指数关系。硅二极管硅二极管硅二极管硅二极管为为为为0.7 V0.7 V左右左右左右左右锗锗锗锗二极管二极管二极管二极管为为为为0
15、.2 V0.2 V左右左右左右左右死区死区死区死区电压电压电压电压正向特性正向特性正向特性正向特性0.5 1.0 1.50.5 1.0 1.5101020203030U U/V/VI I/mA/mA0 0 二极管正向特性曲线硅二极管硅二极管硅二极管硅二极管为为为为0.5 V0.5 V左右左右左右左右锗锗锗锗二极管二极管二极管二极管为为为为0.1 V0.1 V左右左右左右左右死区死区电压电压：导导通通压压降：降： 正向特性正向特性正向特性正向特性2727I IS S反向特性反向特性反向特性反向特性U UBRBR结论结论：二极管具有：二极管具有单单向向导电导电性，正向性，正向导导通，反向截止。通，
16、反向截止。二极管方程：二极管方程：反向反向反向反向饱饱饱饱和和和和电电电电流流流流反向反向反向反向击击击击穿穿穿穿电压电压电压电压若若若若| |U U| | U UT T则则则则 I I - - I IS S 式中：式中： IS为为反向反向饱饱和和电电流流 UT 是温度是温度电压电压当量，当量， 常温下常温下UT近似近似为为26mV。 反向特性反向特性反向特性反向特性-2-2-4-4- -I I/ /AAI I/mA/mAU U/V/V-20 -10-20 -100 0若若若若U U U UT T 则则则则反偏反偏时时，反向，反向电电流流值值很小，很小，反向反向电电阻很大，阻很大，反向反向电压
17、电压超超过过UBR则则被被击击穿。穿。2828思考思考题题 是否允是否允许许将将1.5V的干的干电电池以正向接法接至二极管的两端？池以正向接法接至二极管的两端？为为什么？什么？答：不允答：不允许许。这这将将导导致二极管致二极管烧烧毁毁或或电电池短路池短路损损坏。坏。 由由PN结结伏安特性式伏安特性式计计算可知：当算可知：当 UD=1.5V 时时， ID IS1.141025（A）这时这时，即使，即使IS很小，例如很小，例如 nA 数量数量级级（10-9 A），），有：有： ID 10-9 1.141025 = 1.141016 （A）根据根据计计算，干算，干电电池池输输出功率将达到：出功率将达
18、到： P = UI = 1.5V 1.141016 （A）=1.711016 （W）= 1.71 亿亿亿亿 （W） 这显这显然是不可能的。后果必然是：或者然是不可能的。后果必然是：或者烧烧毁毁二极管，或者使二极管，或者使电电池短路池短路损损坏。因此坏。因此应应禁止将二极管直接与禁止将二极管直接与电电池相池相连连。2929（1）理想模型）理想模型图图1.2.3（a） 二极管的理想等效模型二极管的理想等效模型二、二极管的等效电路一、由伏安特性一、由伏安特性线线性化得到的等效模型性化得到的等效模型电电路路(a) uD 0，二极管，二极管导导通；通；u D 0.7 V，二极管，二极管导导通；通；uD
19、0.7 V，二极管截止。，二极管截止。31311.2.3 二极管的参数 (1) 最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VR 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。 为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VR一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。 (3) 反向电流IR (4) 正向压降VF 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。 在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在
20、中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。3232(5)*最高工作最高工作频频率率fM ：如何用万用表的：如何用万用表的“ ”档来辨档来辨别别一只一只二极管的阳极、阴极以及二极管的好坏二极管的阳极、阴极以及二极管的好坏？思考思考题题3333半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3434 例例例例1.2.11.2.1已知已知已知已知u uI I = = U Ummsin sin t t ，画出，画出，画出，画出u uOO和和和和u uD D的波形的波形的波形的波形VDVDR R+ +- -+ +- -u uI Iu uOO+ +- -u uD Di iOOU
21、 Ummttu uo oO Ottu uD DO Ou uI I0 0 时时时时二极管二极管二极管二极管导导导导通，通，通，通，u uOO = = u uI I u uD D = 0 = 0u uI I 0 0 时时时时二极管截止，二极管截止，二极管截止，二极管截止，u uD D = = u uI I u uOO = 0 = 0-U-Ummi io oU Ummttu uI IO O1.2.4二极管的应用（整流、限幅、开关）（1）二极管整流）二极管整流电电路路3535V VVDVDV VS SV VVDVDV VS S正向偏置，相当于开关正向偏置，相当于开关正向偏置，相当于开关正向偏置，相当于
22、开关闭闭闭闭合。合。合。合。反向偏置，相当于开关断开。反向偏置，相当于开关断开。反向偏置，相当于开关断开。反向偏置，相当于开关断开。（2） 二极管开关二极管开关电电路路3636（3）二极管限幅二极管限幅电电路路ID+vo-R 10K +vi 例例1.2.2 电电路路图图VREF 例例1.2.2 如如图图1.2.10 所示所示电电路。路。试试画出画出VREF分分别为别为0、5V时时的波的波形。其中形。其中vi=10sin tV。3737（1）稳压稳压二极管的伏安特性二极管的伏安特性 稳稳定定电压电压VZ 稳稳定定电电流流IZ（ IZmin 、IZmax ） 额额定功耗定功耗PZM 动态电动态电阻
23、阻rZ 温度系数温度系数 图图1.3.1 稳压稳压管的管的 伏安特性伏安特性（2）稳压稳压二极管的主要参数二极管的主要参数 利用二极管反向利用二极管反向击击穿特穿特性性实现稳压实现稳压。稳压稳压二极管二极管稳稳压时压时工作在反向工作在反向电击电击穿状穿状态态。其伏安特性如其伏安特性如图图1.3.1所示。所示。1.3 .1稳压二极管1.3 特殊用途二极管38381.稳稳定定电压电压UZ ：稳压稳压管工作在反向管工作在反向击击穿区穿区2. 时时的工作的工作电压电压。2. 稳稳定定电电流流IZ ：稳压稳压管正常工作管正常工作时时的参考的参考电电流。流。3. 动态动态内阻内阻rZ ：稳压稳压管两端管两
24、端电压电压和和电电流的流的变变化量之比。化量之比。 rZ= U / I4. 电压电压的温度系数的温度系数U：稳压稳压管管电电流不流不变时变时，环环境温度境温度对稳对稳定定电压电压的影响。的影响。5. 额额定功耗定功耗PZ ：电电流流流流过稳压过稳压管管时时消耗的功率。消耗的功率。3939使用使用稳压稳压管管组组成成稳压电稳压电路路时时的注意事的注意事项项：U UOOR RL LVDVDZ ZR RU UI II IR RI IOOI IZ Z+ + +- - - 稳压管电路1.稳压稳压管必管必须须工作在工作在反向反向击击穿区穿区。2.稳压稳压管管应应与与负载负载RL并并联联。3.必必须须串串联
25、联一一电电阻阻进进行限流，以保行限流，以保护稳护稳压压管。管。工作原理：当工作原理：当输输入入电压电压或或负载电负载电流流变变化化时时，通，通过该电过该电阻阻上上电压电压降的降的变变化，取出化，取出误误差信号以差信号以调节稳压调节稳压管的工作管的工作电电流，从而起到流，从而起到稳压稳压作用。作用。4040图图1.3.2 稳压稳压管管稳压电稳压电路路 例例131* 在在图图1211所示所示稳压稳压管管稳压电稳压电路中，已知路中，已知稳压稳压管的管的稳稳定定电压电压Uz=6V，最小，最小稳稳定定电电流流Izm=5mA，最大，最大稳稳定定电电流流IZmax=25mA；负载电负载电阻阻RL=600。求
26、解限流。求解限流电电阻阻R的取的取值值范范围围。（3）稳压稳压二极管构成的二极管构成的稳压电稳压电路路4141解：从解：从图图1.2.11所示所示电电路可知，路可知，R上上电电流流IR等于等于稳压稳压管中管中电电流流IDZ 和和负载电负载电流流IL之和，即之和，即 :IDZ=525mA限流限流电电阻阻R的取的取值值范范围为围为114227。4242例例 电电路如路如图图所示，已知所示，已知UImax= 15V， UImin= 10VIZmax= 50mA， IZmin= 5mA，RLmax= 1k，RLmin= 600UZ= 6V, 对应对应UZ= 0.3V。求求rZ ，选择选择限流限流电电阻
27、阻RU UOOR RL LVDVDZ ZR RU UI II IR RI IOOI IZ Z+ + +- - -+ +- -U UZ Z4343解：解：解：解：I IZ Z = =I IR R - - I IOO= =U UI I - - U UZ ZR R-U UZ ZR RL LI IZmax Zmax U UImax Imax - - U UZ ZR R- -U UZ ZR RLmaxLmaxI IZminZmin U UImin Imin - - U UZ ZR R- -U UZ ZR RLminLminr rZ Z = = I IZ Z U UZ Z= 6.7= 6.71515 -
28、6- 65050 + +6 61 1kk=161=161R R R R1010 - 6- 65 5 + +6 60.60.6kk=267=267 I IZ Z = = I IZmaxZmax - - I IZminZmin = 45 mA = 45 mAU UOOR RL LVDVDZ ZR RU UI II IR RI IOOI IZ Z+ + +- - -+ +- -U UZ Z4444 例例:设计设计如如图图所示所示稳压稳压管管稳压稳压电电路，已知路，已知VO=6V， 输输入入电压电压VI 波波动动 10%， RLmin=1k 。稳压稳压管管稳压电稳压电路路解：解：（1）选择选择DZ ：
29、查查手册，手册，选择选择DZ 为为2CW13，VZ =(56.5V) ， IZmax=38mA, IZmin=5mA4545（2）选择选择限流限流电电阻阻R：4646其它其它类类型二极管型二极管发发光二极管光二极管LED发发光二极管包括可光二极管包括可见见光、不可光、不可见见光、激光等不同光、激光等不同类类型，型，这这里只里只对对可可见见光光发发光二极管做一光二极管做一简单简单介介绍绍。发发光二极管的光二极管的发发光光颜颜色决定于所用材料，目前有色决定于所用材料，目前有红红、绿绿、黄、橙等可、黄、橙等可以制成各种形状，如以制成各种形状，如长长方形，方形，圆圆形。形。开启开启电压电压比普通二极管
30、的大，比普通二极管的大，工作工作电压电压一般在一般在1.52.5V之之间间，工作，工作电电流流在在530mA之之间间，电电流越大，流越大，发发光越光越强强。发发光二极管的开启光二极管的开启电压电压图1.3.3 发光二极管红红光：光：1.61.8V绿绿光：光： 1.82.0V黄光：黄光： 1.61.8V蓝蓝光：光： 2.22.5V白光：白光： 2.22.5V 发发光二极管因其光二极管因其驱动电压驱动电压低、功耗小、寿命低、功耗小、寿命长长、可、可靠性高等靠性高等优优点广泛用于点广泛用于显显示示电电路之中。路之中。 4747 外加反向外加反向电压电压，无光照，无光照时时的反向的反向电电流称之流称之
31、为为暗暗电电流；有流；有光照光照时时的反向的反向电电流称之流称之为为光光电电流，光照越流，光照越强强，光，光电电流越大。流越大。 光光电电二极管（二极管（利用利用PN结结的光敏特性，将光能的光敏特性，将光能转换转换成成电电能）能）图1.3.5光电二极管的外形和符号广泛用于遥控、广泛用于遥控、报报警及光警及光电传电传感器之中感器之中4848例例电电路如路如图图1215所示，已知所示，已知发发光二极管的光二极管的导导通通电压电压UD = 1.6 V，正向，正向电电流流为为520mA时时才能才能发发光。光。试问试问： (1)开关开关处处于何种位置于何种位置时发时发光二极管可能光二极管可能发发光光? (2)为为使使发发光二极管光二极管发发光，光，电电路中路中R的取的取值值范范围为围为多少多少? 4949解：解：(1)当开关断开当开关断开时发时发光二极管有可能光二极管有可能发发光。当开关光。当开关闭闭合合时发时发光二极管的端光二极管的端电压为电压为零，因而不可能零，因而不可能发发光。光。(2)因因为为IDmin = 5mA，IDmax = 20mA5050
