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1、 第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件模拟电路第一章二极管课件第一章第一章 常用常用 器器件件半导体半导体 类别类别项目项目 导体导体绝缘体绝缘体代表物质代表物质 一般最外层电子数一般最外层电子数外层电子受原子核的外层电子受原子核的束缚力束缚力 导电性导电性 金属金属惰性气体惰性气体硅、锗硅、锗 4 44=4=4小小易易大大二者之间二者之间不易不易二者之间二者之间半导体半导体模拟电路第一章二极管课件1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识纯净的晶体结构的半导体纯净的晶体结构的半导体无杂质无杂质?GeSi半导体硅和锗的最外层电子（半导体硅和锗
2、的最外层电子（价电子价电子）都是四个。）都是四个。结构特点结构特点通过一定的工艺过程，可将其制成通过一定的工艺过程，可将其制成晶体晶体。即为本征半导体即为本征半导体模拟电路第一章二极管课件 本征半导体的结构示意图本征半导体的结构示意图+4+4+4+4 形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。成稳定结构。共用电子共用电子常温下价电子常温下价电子很难脱离共价键很难脱离共价键成为成为自由电子自由电子导电能力很弱导电能力很弱模拟电路第一章二极管课件+4+4+4+4热和光的作用热和光的作用 自由电子自由电子 空穴空穴一些价电子获得足够的一些价电
3、子获得足够的能量而脱离共价键束缚能量而脱离共价键束缚电子空穴对电子空穴对本征激发本征激发 （热激发）（热激发）游离的部分自由电子游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，也可能回到空穴中去，称为称为复合复合模拟电路第一章二极管课件+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移。相当于空穴的迁移。空穴的迁移相当于正空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可电荷的移动，因此可以认为空穴是以认为空穴是载流子载流子。本征半导体的两种载流子本征半导体的两种载流子模拟电路第一章二极管课件温度越高，载流子的浓度越高，导电能力
4、越强。温度越高，载流子的浓度越高，导电能力越强。温温度度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。这是是影响半导体性能的一个重要的外部因素。这是半导体的一大特点。半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。模拟电路第一章二极管课件 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入少量合适的杂质少量合适的杂质，就会，就会使半导体的导电性能发生显著变化。使半导体的导电性能发生显著变化。1
5、.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 N 型半导体型半导体+4+4+5+4磷原子磷原子多余多余电子电子掺入少量的五价元素磷（或锑）掺入少量的五价元素磷（或锑）取代，形成共价键取代，形成共价键多出一个电子多出一个电子磷原子成为不能移动磷原子成为不能移动的正离子的正离子模拟电路第一章二极管课件+4+4+5+4N 型半导体中的型半导体中的载流子是什么？载流子是什么？1 1、由、由施主原子施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于
6、本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。Negative模拟电路第一章二极管课件+4+4+3+4空位空位硼原子硼原子空穴空穴P 型半导体型半导体掺入少量的三价元素硼（或铟）掺入少量的三价元素硼（或铟）取代，形成共价键取代，形成共价键产生一个空位产生一个空位吸引束缚电子来填补吸引束缚电子来填补硼原子成为不能移动硼原子成为不能移动的负离子的负离子Positive模拟电路第一章二极管课件(3)、杂质半导体的示意表示法、杂质半导体的示意表示法P
7、 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体型半导体多子多子和和少子少子的移动都能形成电流。但的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。模拟电路第一章二极管课件小结小结4 4、P型半导体中型半导体中空穴空穴是多子，是多子，自由电子自由电子是少子。是少子。 N型型半导体中半导体中自由电子自由电子是多子，是多子，空穴空穴是少子。是少子。模拟电路第一章二极管课件一、一、PN 结的形成结的形成利用掺杂工艺，将利用掺杂工艺，将P 型半导体和型半导体和N 型半导体制作在型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成了同一块硅片上，在
8、它们的交界面处就形成了PN 结。结。1.1.3 PN结结N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体+模拟电路第一章二极管课件+N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。扩散的结果是产生扩散的结果是产生空间电荷区。空间电荷区。模拟电路第一章二极管课件+内电场内电场E电位电位VV0最终扩散和漂移这一对相反的运动达到平衡，相当最终扩散和漂移这一对相反的运动达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。定不变。模拟电路第一章二极管课件多子的
9、扩散运动多子的扩散运动空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内内电电场场阻阻止止多多子子扩扩散散 达达到到平平衡衡，空空间间电电荷荷区区宽宽度度固固定定不不变变 模拟电路第一章二极管课件二、二、 PN结的单向导电性结的单向导电性+REPN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变变薄薄PN+_外加电源将使扩散运外加电源将使扩散运动源源不断的进行，动源源不断的进行，形成正向电流，形成正向电流，PN结结导通导通模拟电路第一章二极管课件PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑
10、制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。PN结截止结截止RE模拟电路第一章二极管课件 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；向扩散电流； 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。模拟电路第一章二极管课件三、三、PN结结VCR方程方程PN结两端的外电压结两端的外电压u与流过与流过PN结的电流结的电流i之间的关系之间的关系UT: 温度电压当量，温度电压当量， = kT/q，一般取值为，一般取值为26mv； k为玻耳曼常数
11、为玻耳曼常数 T为热力学温度为热力学温度 q为电子电荷量为电子电荷量模拟电路第一章二极管课件ABC模拟电路第一章二极管课件四、四、PN结的电容效应结的电容效应1. 势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2. 扩散电容扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和流子的浓度及其梯度均有变化，也有
12、电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！程度，则失去单向导电性！模拟电路第一章二极管课件NP+-1.2 半导体二极管半导体二极管外壳封装外壳封装阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线模拟电路第一章二极管课件1.2.1 半导体二极管的结构类型半导体二极管的结构类型按按结结构构分分类类点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型(1) (1) 点接触型二极管点接触型二极管阳极引线阳极引线阴极引线阴极引线PNPN结面积小结面积小不能通过
13、较大的电流不能通过较大的电流结电容小结电容小工作频率高工作频率高 适用于适用于高频电路高频电路和小功率整流和小功率整流模拟电路第一章二极管课件阳极引线阳极引线阴极引线阴极引线(2) (2) 面接触型二极管面接触型二极管PNPN结面积大结面积大能通过较大的电流能通过较大的电流结电容大结电容大能在低频下工作能在低频下工作一般仅作为一般仅作为整流管使用整流管使用合金法合金法模拟电路第一章二极管课件PNPN结面积可大可小结面积可大可小阳极引线阳极引线阴极引线阴极引线视结面积的大小视结面积的大小用于大功率整流用于大功率整流和开关电路中和开关电路中二极管的电路符号二极管的电路符号阳极阳极阴极阴极二端无源元
14、件二端无源元件(3) (3) 平面型二极管平面型二极管扩散法扩散法+-ui模拟电路第一章二极管课件半导体二极管图片模拟电路第一章二极管课件1.2.2 1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线uiPN结结二极管二极管近似分析时：近似分析时：(1) (1) 二极管和二极管和PNPN结伏安特性的区别结伏安特性的区别二极管存在半导体二极管存在半导体体电阻体电阻和和引线电阻引线电阻二极管表面二极管表面 漏电流漏电流单向导电性单向导电性模拟电路第一章二极管课件ui几点说明几点说明二极管的正向特性二极管的正向特性阳极阳极阴极阴极+-uu00uUonUon开启开启电压电压正向电流为零正
15、向电流为零uUon开始出现正向电流，并按指数规律增长。开始出现正向电流，并按指数规律增长。模拟电路第一章二极管课件二极管的反向特性二极管的反向特性阳极阳极阴极阴极+-uu0U(BR) u0反向电流很小反向电流很小u U(BR) 反向电流急剧增加反向电流急剧增加uiIS 反向反向饱和电流饱和电流U(BR) 反向反向击穿电压击穿电压基本不随反向电压的变化而变化基本不随反向电压的变化而变化二极管发生击穿二极管发生击穿模拟电路第一章二极管课件(2) (2) 不同材料二极管伏安特性的区别不同材料二极管伏安特性的区别u/Vi锗材料锗材料硅材料硅材料硅材料硅材料PN结平衡时结平衡时的耗尽层电势比锗的耗尽层电
16、势比锗材料的大材料的大0.51.0硅管硅管0.60.8V导通压降导通压降硅管硅管0.1A反向饱和电流反向饱和电流-10A锗管锗管0.10.3V锗管锗管 几十几十A模拟电路第一章二极管课件(3) (3) 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ui808020正向区：正向区：温度升温度升高，曲线左移高，曲线左移反向区：反向区：温度升温度升高，曲线下移高，曲线下移模拟电路第一章二极管课件1.2.3 1.2.3 半导体二极管的参数半导体二极管的参数二极管长期使用时，允许流过二极管的二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流最大正向平均电流。二极管工作时允许外加的最大反向电压二极管
17、工作时允许外加的最大反向电压(1)(1)最大整流电流最大整流电流 IF与与PNPN结结面积和散热条件有关结结面积和散热条件有关(2)(2)最高反向工作电压最高反向工作电压UR通常为击穿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IR二极管未被击穿时的反向电流二极管未被击穿时的反向电流一般是指最大反向工作电压下的反向电流值。一般是指最大反向工作电压下的反向电流值。反向电流越小越好反向电流越小越好。uiIRUR模拟电路第一章二极管课件1.2.4 1.2.4 二极管的等效电路二极管的等效电路二极管是二极管是非线性非线性器件，器件， 由二极管构成电路是由二极管构成电路是非线性电
18、路非线性电路。分析困难分析困难用用线性元件构成的电路线性元件构成的电路来来近似模拟二极管的特性近似模拟二极管的特性二极管的二极管的等效电路等效电路多种多种等效电路，等效电路，根据根据应用要求应用要求进行选择进行选择模拟电路第一章二极管课件反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。rd = uD / iDuiIDUDQ uD iDrd与工作状态有关与工作状态有关+-ui+-rd uD iD二极管的二极管的微变等效电路微变等效电路Q2Q11.1.微变等效电路微变等效电路 模拟电路第一章二极管课件2.2.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路 ui
19、正向压降为正向压降为0反向电流为反向电流为0ui正向压降为正向压降为U反向电流为反向电流为0ui直线斜率为直线斜率为1/1/rd反向电流为反向电流为0UUUrd理想二极管理想二极管 U模拟电路第一章二极管课件例例1 电路如图所示，试判断二极管是导通还是电路如图所示，试判断二极管是导通还是截止，并求出截止，并求出AO两端电压两端电压UAO, 设二极管是理想设二极管是理想的。的。D6VAO解：解： 假设不成立，所以假设不成立，所以D导通，导通， 相当于导线，相当于导线， UAO= - 6V VB=-6VVC=-12V假设二极管不导通假设二极管不导通模拟电路第一章二极管课件例例2 电路如图所示，试判
20、断二极管是导通还是截电路如图所示，试判断二极管是导通还是截止，并求出止，并求出AO两端电压两端电压UAO, 设二极管是理想的。设二极管是理想的。D215VAOD1解：解： D1导通，导通， 短路短路 D2截止，截止， 断路断路 UAO= 0V 假设二极管不导通假设二极管不导通VB=-12VVC=-15VVD=0V模拟电路第一章二极管课件例例3 电路如图所示，设电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压，试绘出输出电压uo的波形，设的波形，设D为理想二极管。为理想二极管。+ui-3V RD+uo-解：解： ui 3V D截止截止 uo=ui ui 3V D导通导通 uo=3V ui/V
21、 t o6uo/V t o33单向限幅单向限幅 假设二极管不导通假设二极管不导通VA=3VVB= ui模拟电路第一章二极管课件例例4 电路如图所示，设电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压，试绘出输出电压uo的波形，设的波形，设D为理想二极管。为理想二极管。+ui-3V RD1+uo-2V D2解：解： ui 3V D1导通、导通、 D2截止截止 uo=3V ui -2V D1截止截止 、 D2导通导通 uo=-2V ui 3V -2V D1截止截止 D2截止截止 uo=ui 双向双向限幅限幅 VA=3VVB=-2VVC= uiui/V t o6uo/V t o33-2-2模拟电
22、路第一章二极管课件练习练习 二极管开关电路如图所示，求输出电压二极管开关电路如图所示，求输出电压VO的值。的值。设设D为硅二极管，导通压降为为硅二极管，导通压降为0.7V。D16V D20V5VVCCVO解：解： D1导通，导通， D2截止，截止， VO=0.7 +0=0.7V共阳极，阴极谁低谁导通共阳极，阴极谁低谁导通共阴极，阳极谁低谁导通共阴极，阳极谁低谁导通模拟电路第一章二极管课件例例6 电路如图所示，设电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压试绘出输出电压uo的波形，设的波形，设D为硅二极管，导通压降为为硅二极管，导通压降为0.7V。+ui-3V RD+uo-解：解： ui
23、 3.7V D截止截止 uo=ui ui 3.7V D导通导通 uo=3.7V ui/V t o6uo/V t o3.7 3.7 R+ui-3V +uo-0.7VVA= uiVB=3.7V模拟电路第一章二极管课件例例7 电路如图所示，设电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压，试绘出输出电压uo的波形，设的波形，设D为硅二极管，开启电压为硅二极管，开启电压Uon=0.5V，电阻，电阻rd=200。+ui-3V 800D+uo-+ui-3V 800+uo-0.5V200解：解： ui 3.5V D截止截止 uo=ui ui 3.5V D导通导通 uo= 0.5+3 +ui -0.5
24、-3800 +200 200 =0.2ui +2.8 VA= uiVB=3.5V模拟电路第一章二极管课件1.2.5 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是硅材料制成的稳压二极管是硅材料制成的面接触型面接触型晶体二极管。晶体二极管。uiIZIZM UZ IZ曲线越陡，曲线越陡，电压越稳定。电压越稳定。UZ(a)模拟电路第一章二极管课件规定的稳压管反向工作电流规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电下，所对应的反向工作电压。压。(1)(1)稳定电压稳定电压 UZ稳压管低于此值稳压情况稳压管低于此值稳压情况变坏，常记作变坏，常记作IZmin(2)(2)稳定电流稳定电流 IZ模拟电路第一章二极管
25、课件工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比(3)(3)动态电阻动态电阻rZ(4)(4)额定功耗额定功耗P PZM(5)(5)温度系数温度系数表示温度每变化表示温度每变化1稳压值的变化量稳压值的变化量模拟电路第一章二极管课件例例1 电路如图所示，设电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压，试绘出输出电压uo的波形。设的波形。设DZ为硅稳压二极管，稳定电压为为硅稳压二极管，稳定电压为5V, 正向导正向导通压降忽略不计。通压降忽略不计。+ui-3V RDZ+uo-解：解： ui -3V D导通导通 uo= -3V ui -3V D截止
26、截止 uo= ui 2V 2V uiD反向击穿反向击穿 uo= 2V ui/V t o6uo/V t o22-3-3VB= uiVA= -3V模拟电路第一章二极管课件例例2 稳压管的稳定电稳压管的稳定电UZ=6V, 最小稳定电流最小稳定电流IZmin=5mA,最大稳定电流最大稳定电流IZmax=25mA, 负载电阻负载电阻RL=600。求限流电阻求限流电阻R的取值范围。的取值范围。UI=10VRDZ+UO-RLILIDZIR+-解：解： UO=UZ =6V IL= UO RL = 6 600 =0.01A =10mA 当当IDZ=IZmin=5mA时时 IR=IDZ+IL =5+10 =15mA R= UI-UOIR= 10-61510-3=227当当IDZ=IZmax=25mA时时 IR=25+10 =35mA R= 10-63510-3=114R=114227模拟电路第一章二极管课件
