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1、第一篇 电子器件及基本应用第一章 晶体二极管工作原理及应用本章首先介绍半导体物理知识，讲解本征半导体、N型半导体、P型半导体；接着讨论半导体器件的核心环节PN结，并重点讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数，以及二极管基本电路的求解方法；在此基础上，对稳压管等其他类型二极管的特性与应用也给与简要介绍 主要内容1.1 半导体的物理知识半导体的物理知识1.2 PN结结1.3 实际二极管的伏安特性实际二极管的伏安特性1.4 二极管的模型和分析方法二极管的模型和分析方法1.5 其他类型的二极管其他类型的二极管1.1半导体物理知识半导体半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力
2、介于导体和绝缘体之间的物质。 半导体区别于其他物质的特点半导体区别于其他物质的特点 它的导电能力会随温度、光照以及参杂入它的导电能力会随温度、光照以及参杂入杂质而发生显著变化。杂质而发生显著变化。 最常用的半导体材料最常用的半导体材料是硅是硅（siliconsilicon）, ,其次是锗其次是锗（germaniumgermanium），还有一些化合物如砷化镓，还有一些化合物如砷化镓（gallium gallium arsenidearsenide）等也是半导体。等也是半导体。一般着重讨论硅一般着重讨论硅（SiSi）和锗和锗（GeGe）的特性。的特性。半导体分半导体分本征半导体本征半导体本征半导
3、体本征半导体和和杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体两种两种。1.1.1 本征半导体（1）本征半导体的共价键结构化学成分纯净、晶格完整的半导体硅原子的结构模型锗原子的结构模型简化模型每个原子最外层四个价电子分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体晶体。温度温度T=0K时硅或锗的共价键结构平面示意图时硅或锗的共价键结构平面示意图（2）本征激发当温度升高或受到光的照射时,价电子挣脱原子核的束缚，成为自由电子的现象。 激激发发电子和空穴成对出现的过程自由自由电子电子 空穴空穴 复合：电子和空穴成对消失的过程本征激发和复合的
4、过程本征激发和复合的过程本征激发和复合在一定本征激发和复合在一定温度下会达到温度下会达到动态平衡动态平衡动态平衡动态平衡。（动画）（动画）（3 3 3 3）空穴移动）空穴移动）空穴移动）空穴移动电子的移动方向 空穴的移动示意图空穴的移动示意图 电子的移动方向是： x1-x2-x3，形成的电子电流的方向是向右向右空穴的移动方向是： x3-x2-x1，形成的空穴电流的方向是向右向右E空穴的运动是靠相邻共价键空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来中的价电子依次充填空穴来实现的实现的。因此自由电子和空穴都称为因此自由电子和空穴都称为载流子载流子载流子载流子。因而可以空穴移动产生的电流来代因而
5、可以空穴移动产生的电流来代替束缚电子移动产生的电流替束缚电子移动产生的电流（4）载流子的浓度当温度一定时，激发和复合会达到动态平衡。这时，载流子的浓度可用公式表示为：可见本征载流子浓度和温度有关，温度升高，本征载流子浓度就增加，当温度一定时，对固定的一块半导体材料，本征载流子浓度是一定的。 1.1.2 杂质半导体杂质半导体掺入杂质的半导体，杂质主要是三价和五价元素（1）N型半导体：型半导体：半导体材料中掺入半导体材料中掺入五价元素五价元素，例如磷，例如磷(P)，也称，也称电子型半导体电子型半导体因此，在因此，在N N型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子, ,它主要由杂质
6、原子提供；它主要由杂质原子提供； 空穴是少数载流子空穴是少数载流子, , 由热激发形成。由热激发形成。 施主原子提供的施主原子提供的多余电子多余电子多子多子施主正离子施主正离子（2）P型半导体：型半导体： 因此，在P型半导体中空穴是多数载流子,它主要由杂质原子提供； 自由电子是少数载流子, 由热激发形成。 受主原子提供的受主原子提供的多余空穴多余空穴多子多子受主负离子受主负离子半导体材料中掺入三价元素 ，例如硼(B)，也称空穴型半导体两种杂质半导体的比较两种杂质半导体的比较（3）杂质对半导体导电性的影响）杂质对半导体导电性的影响 T=300K 室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度为本征硅的电子
7、和空穴浓度为: n = p =1.41010/cm3 掺杂后，掺杂后，N 型半导体中的自由电子浓度为：型半导体中的自由电子浓度为： n=51016 /cm3 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 可见，掺杂后自由电子的浓度增加了可见，掺杂后自由电子的浓度增加了100万倍。万倍。电子电子空穴空穴1.1.3 载流子的运动半导体中载流子有两种运动形式，一种叫漂移运动，一种叫扩散运动（1）漂移运动 载流子在外加电场的作用下而产生的定向运动电子在电场中的运动方向和E的方向相反，空穴在电场中的运动方向和E的方向相同。漂移速度： 载流子从浓度高的地方扩散到浓度低的地方，这样就形成了扩
8、散电流，电流的方向和空穴运动的方向相同,与电子运动方向相反。 （2）扩散运动 由于浓度差而引起的载流子的运动空穴空穴电子电子扩散电流扩散电流1.2 PN结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。PP型半导体和型半导体和N N型半导体相互连接的区域型半导体相互连接的区域1.2.1 热平衡情况下的PN结 因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成形成内电场 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PN结的形成的物理过程：内电场内电场只和温度有关，故称之为热电压。近似等于
9、26mV26mV。当室温27时，qkTV VT T= =内建电位差内电场内电场内建电位差1.2.2 PN结的伏安特性（1）PN结正向特性 外加电场与PN结的内电场方向相反 外电场削弱内电场 PN结变窄 多子扩散运动远远大于少子漂移运动 PN结导通所以，PN结呈现低阻性正向电流 = 扩散电流 - 漂移电流正向电流2、正向导通电压： 硅管：0.5V 锗管：0.1V结论：1、正向电流与正向电压成指数关系（2）PN结反向特性 外加电场与PN结的内电场方向相同 外电场加强内电场 PN结变宽 只有少数载流子的漂移运动，形成漂移电流，电流很小 PN结截止所以，PN结呈现高阻性反向电流 = 反相饱和电流反向电
10、流与反向电压无关，它是由少子的运动而形成的。反向电流和少子的浓度有关，即与材料有关。锗管是微安数量级，硅管是纳安数量级反向电流是温度的函数，温度每升高10度，反向电流就增加一倍。（3）PN结伏安特性表达式 u 当V0，分为两段： 当0VVth时，IF=0，Vth称为死区电压或开启电压开启电压。 当VVth时， IF0 ，并按指数规律增长。u当V0时，也分两个区域：当VVBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压反向击穿电压 原因是：在强电场作用下，自由电子和空穴的数目大大增加，引起Is的急剧增加（4）PN结的击穿结的击穿 温度每升高一度VF减小2mV到2.5mV温度每升高十度，Is就增加
11、一倍。 （5）PN结的温度特性 (a) 势垒电容CB描述PN结内的空间电荷数随外加电压的变化（6）PN结的电容特性结的电容特性 扩散电容是反映在外加电压作用下载流子在扩散过程中的积累情况。 (b) 扩散电容CD扩 散 电 容 示 意 图为流过为流过PNPN结的电流，结的电流，为反向饱和电流，为反向饱和电流，是比例系数，是比例系数，它和它和PNPN结的制造工艺有关。结的制造工艺有关。小结：加正向电压时，以扩散电容为主； 加反向电压时，以势垒电容为主。 见书中例题1.2.5PNPN结的总电容为：结的总电容为：结的总电容为：结的总电容为：PN结的高频等效电路1.3 实际二极管的伏安特性实际二极管的伏
12、安特性 一、半导体二极管的结构类型和符号 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。按结构分有：(1) (1) 点接触型二极管点接触型二极管点接触型二极管点接触型二极管PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。用于检波和变频等高频电路。(a)(a)点接触型结构图点接触型结构图 (2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于整流电路。于整流电路。(b)面接触型结构图结构图(c)平面型结构图结构图 (3) 平面型二极管平面型二极管用于集成电路制造工用于集成电路制造工艺中。艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高
13、频整流和开关电路中。符号： 二、二、实际二极管和理想实际二极管和理想PN结伏安特性比较结伏安特性比较 实际二极管和理想PN结伏安特性比较 三、三、硅和锗二极管的伏安特性比较硅和锗二极管的伏安特性比较 室温下，硅室温下，硅: :Vth= =0.5 V左右，锗左右，锗: :Vth=0.1 V左右。左右。 在反向区，硅二极管的反向击穿特性比较在反向区，硅二极管的反向击穿特性比较陡陡陡陡，IsIsIsIs很小很小很小很小；锗二极管的反；锗二极管的反向击穿特性过渡比较向击穿特性过渡比较圆滑圆滑圆滑圆滑，IsIsIsIs较大较大较大较大。 1.4 1.4 二极管的模型、参数、分析方法及基本应用二极管的模型
14、、参数、分析方法及基本应用二极管是一种非线性器件，因而二极管电路要采用非线性电路的分析方法 1.4.1 二极管电路的分析方法 一、图解法利用器件的伏安特性曲线，通过作图的方法解决电路问题 求：VIQ1、理想模型理想模型理想模型理想模型：应用条件：电源电压远比二极管的管压降大的实际电路。应用条件：电源电压远比二极管的管压降大的实际电路。应用条件：电源电压远比二极管的管压降大的实际电路。应用条件：电源电压远比二极管的管压降大的实际电路。二极管是非线性器件，其器件参数随外加电压和电流而改变，二极管是非线性器件，其器件参数随外加电压和电流而改变，因此在电路分析中应针对不同情况采用不同的模型因此在电路分
15、析中应针对不同情况采用不同的模型代表符号：二、模型法应用: 常应用在整流电路中.2、恒压源模型：应用条件：二极管的电流应用条件：二极管的电流应用条件：二极管的电流应用条件：二极管的电流I ID D近似等于或大于近似等于或大于近似等于或大于近似等于或大于1mA1mA的电路。的电路。的电路。的电路。例：设vi为幅值6V的正弦波，二极管正向导通压降为0.7V，试画出vo的波形。 若若vivi2.32.3, D2.3, D管因反偏而截止。管因反偏而截止。vovo=3V =3V 应用: 常用于分析输入输出电压幅值不太大的限幅电路或削波电路3 3 3 3、小信号模型、小信号模型、小信号模型、小信号模型：如
16、果在电路中除直流电源外，还有微变信号（小信号），则对后者，在静态工作点附近工作，则可把V-I特性看作一条直线，因此二极管可等效于一动态电阻应用应用：常用于低电压稳压电路常用于低电压稳压电路常用于低电压稳压电路常用于低电压稳压电路第一步，用恒压源模型求出静态工作点第一步，用恒压源模型求出静态工作点第二步，用小信号模型求出输出电压的变动第二步，用小信号模型求出输出电压的变动1.4.2 二极管的应用 例1：下面是一个双向限幅电路，设vi是幅值10V的正弦波，直流电源VC1=VC2=5V,二极管为理想器件。试画出vo的波形。 当当vivi为正半周时，为正半周时，若若vivi 5 5, D1 5, D1
17、管因正偏而导通。管因正偏而导通。D2D2仍截止。仍截止。vovo= 5 = 5 当当vivi为负半周时，为负半周时，若若v vi i -5 -5，二极管，二极管D1D1和和D2D2均截止，输出电压均截止，输出电压v vo o= =v vi i，若若vi-5vi-5, D2, D2管因正偏而导通。管因正偏而导通。D1D1仍截止。仍截止。v vo o= -5= -5。 二极管的单向导电性应用很广，可用于：检波、整流、限幅、钳二极管的单向导电性应用很广，可用于：检波、整流、限幅、钳二极管的单向导电性应用很广，可用于：检波、整流、限幅、钳二极管的单向导电性应用很广，可用于：检波、整流、限幅、钳位、开关
18、、元件保护等。位、开关、元件保护等。位、开关、元件保护等。位、开关、元件保护等。二极管工作状态判断方法: 在上述判断的过程中，如果电路中出现两个以上二极管承受大承受大小不等的正向电压小不等的正向电压，则应判断正向电压较大者优先导通，其两端电压为导通压降，然后再用上述方法判断其余二极管所处的状态。首先将二极管断开，确定二极管两端的电位或电位差，以判断在二极管两端加的是正向电压还是反向电压，如果是正向电压，且大于阈值电压，则二极管处于导通状态，两端的电压为二极管的导通压降；如果是反向电压，则说明该二极管处于截止。 5V截止截止截止截止5V5V0V导通导通截止截止0V5V0V截止截止导通导通5V0V
19、0V导通导通导通导通0V0VD2D1vO二极管工作状态二极管工作状态vI2vI1若vI1=2V，VI2=4V，求Vo2V4V截止截止导通导通2V1.4.5 1.4.5 二极管的主要参数二极管的主要参数 (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整流电流的平均值。(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM 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VRM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(5)反向恢复时间 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工
20、作电压下的反向电流值。 在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。当二极管两端电压从正向电压变为反向电压时，电流要延迟一段时间才能截止，这段延迟的时间就称为反向恢复时间。 1.5 稳压管-是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。图见下页（又称为齐纳二极管）一、稳压二极管的伏安特性 稳压二极管的伏安特性 (a)符号 (b) 伏安特性 (c)应用电路(b)(c)(a)图示例：设D1为稳定电压为6V的硅稳压管，稳压管的正向压降为0.7V，当(V)时，画出的波形。Vi-0.7V,D1截止，vo=vi VVZ时，稳压管起稳压作用，vo=VZ=6V二、参数 (1) 稳定电压VZ (2) 动态电阻rZ 在规定的稳压
21、管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ愈愈小小，反映稳压管的击穿特性愈，反映稳压管的击穿特性愈陡陡。 rZ =VZ /IZ (3) 最大耗散功率 PZM PZM= VZ IZmax，对于一个具体稳压管，可由 PZM和VZ求出IZmax。 (4) 最大稳定工作电流IZmax 和最小稳定工作 电流IZminn 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻 电阻的作用： 一是起限流作用，以保护稳压管； 其次是当输入电压或负载电流变化时，调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。1、电路如图所示，已知：R=0.2K，VZ=6V，Vi=12V，IZ=5mA，IZmax=28mA；求：若RL=1K，问该稳压管可否稳压； 要保证稳压管正常工作，求负载RL的取值范围。解：IDZ=IR-IL=(12-6)/0.2-6/1=24mA 5mA24mA28mA 所以能稳压稳压二极管小结：稳压二极管小结：稳压二极管，主要利用它的击穿区，在稳压二极管，主要利用它的击穿区，在击穿区它的动态电阻很小，一般可近似击穿区它的动态电阻很小，一般可近似为零。为零。稳压管工作时要注意它的工作电流范围。稳压管工作时要注意它的工作电流范围。稳压电路中一定要有限流电阻。稳压电路中一定要有限流电阻。光电二极管光电二极管将光信号转换成电信号的一种二极管.发光二极管发光二极管将电信号转换成光信号的一种二极管.
