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1、第第3章章二极管及其基本电路二极管及其基本电路一、导体、半导体和绝缘体一、导体、半导体和绝缘体导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。1半导体的基本知识半导体的基本知识1、自然界中的物质按照其导电性能可分为、自然界中的物质按照其导电性能可分为半导体之所以能制成半导体器件，并不是因为它的导电性能半导体之所以能制成半导体器件，并不是因为它的导电性能介于导体和绝缘体之间，而是因为它具有一些独特的导电性能。介于导体和绝缘体之间，而是因为它具有一些独特的导电性能。(1)与温度有关与温度有关：T T即负温度系数即负温度系数(2)与光照
2、有关与光照有关 光照光照(3)与掺杂有关与掺杂有关 掺杂掺杂(4)而且搀入不同的杂质，还可以改变其导电类型。而且搀入不同的杂质，还可以改变其导电类型。 2、半导体、半导体的特点：的特点：半导体的导电性能半导体的导电性能二、本征半导体二、本征半导体1、本征半导体的结构特点、本征半导体的结构特点完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。+32+14（1）硅）硅(Si)、锗、锗(Ge)原子的结构原子的结构+4在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原
3、子位于四面体的顶点，每个原子与其相个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成邻的原子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。形成共价键后，每个原子的最外层形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。使原电子是八个，构成稳定结构。使原子子规则排列，结构紧凑规则排列，结构紧凑。二、本征半导体二、本征半导体1、本征半导体的结构特点、本征半导体的结构特点（2）硅、锗原子的共价键结构）硅、锗原子的共价键结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共用电子对共价键共用电子对共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中，称为
4、束缚电子束缚电子。在绝对。在绝对0度（度（T=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时,它的它的导电能力为导电能力为0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。自由电子自由电子空穴，一种带正电荷的粒子。空穴，一种带正电荷的粒子。电子电子(N)空穴空穴(P)总是成对出现总是成对出现的的-本征激发本征激发;电子电子-空穴对的数目对温度、光空穴对的数目对温度、光照十分敏感；照十分敏感；电子和空穴也可以复合而消失；电子和空穴也可以复合而消失；一定温度和光照下，电子和空穴一定温度和光照下，电子和空穴的浓度稳定。的浓度稳定。二、本征半导体二、本征半导体2、本征半导体的导电机理、本征半导体的导电机理（1 1）载流子、
5、自由电子和空穴）载流子、自由电子和空穴在常温下，由于热激发，使一些价在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为的束缚，成为自由电子自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4（2 2）导电情况导电情况 二、本征半导体二、本征半导体2、本征半导体的导电机理、本征半导体的导电机理+4+4+4+4+4+4+4+4+4E电子电流电子电流IN空穴电流空穴电流IP电子和空穴统称为电子和空穴统称为载流子；载流子；总电流总电流IN+IP；电流很小；电流很小；空穴运动的实质是共有电子依空穴运动的实质是共有电子依次填补空穴的运动；次填补空穴的运动；本征
6、半导体的导电能力取决于本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度载流子的浓度nN(nP)。TnN(nP)温度是影响半导体性能的一个重温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。三、杂质半导体三、杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空
7、穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。1、N 型半导体型半导体多余多余电子电子施主原子施主原子在本征半导体中掺入少量的五价元素的原子（磷或锑），取代晶体点在本征半导体中掺入少量的五价元素的原子（磷或锑），取代晶体点阵中的某些半导体原子，每个施主原子提供一个自由电子。阵中的某些半导体原子，每个施主原子提供一个自由电子。三、杂质半导体三、杂质半导体（1 1）由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。）由施主原子提供的电子，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
8、征半导体中成对产生的电子和空穴。nNnP自由电子称为自由电子称为多数载流子多数载流子（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）。）。N 型半导体中的载流子包括型半导体中的载流子包括+4+4+4+4+5+4+4+4+4+3（1）在本征半导体中掺入三价元素的原子（受主杂质）而形成的半导体。）在本征半导体中掺入三价元素的原子（受主杂质）而形成的半导体。（2）每一个三价元素的原子提供一个空穴作为载流子。）每一个三价元素的原子提供一个空穴作为载流子。空穴空穴硼原子硼原子（3）P型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。2、P型半导体型半导体（4 4） P
9、 P型半导体的模型型半导体的模型 三、杂质半导体三、杂质半导体（1）杂质半导体就整体来说还是呈电中性的。）杂质半导体就整体来说还是呈电中性的。（2）杂质半导体中的少数载流子虽然浓度不高，但对温度、）杂质半导体中的少数载流子虽然浓度不高，但对温度、光照十分敏感。光照十分敏感。（3）杂质半导体中的少数载流子浓度比相同温度下的本征）杂质半导体中的少数载流子浓度比相同温度下的本征半导体中载流子浓度小得多。半导体中载流子浓度小得多。3、说明、说明三、杂质半导体三、杂质半导体1、漂移电流、漂移电流载流子在电场作用下有规则的运动载流子在电场作用下有规则的运动-漂移运动漂移运动形成的电流形成的电流-漂移电流漂
10、移电流2、扩散电流扩散电流载载流流子子由由于于浓浓度度的的不不均均匀匀而而从从浓浓度度大大的的地地方方向向浓浓度度小小的的地地方方扩扩散散所所形形成成的电流。的电流。四、漂移电流与扩散电流四、漂移电流与扩散电流 一、一、PN结的形成结的形成2PN结的形成及特性结的形成及特性+P 型半导体型半导体载流子浓度差载流子浓度差扩散扩散内电场内电场E漂移漂移扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流动态平衡动态平衡阻碍阻碍E空间电荷区空间电荷区扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动N 型半导体型半导体2、说明、说明（1）空空间间电电荷荷区区（耗耗尽尽层层、势势垒垒区区、高高阻阻区区）内内几几乎乎没没有有载载流流子子，其
11、其厚厚度度约为约为0.5。（2）内电场的大小：）内电场的大小：对硅半导体：对硅半导体：UD0.60.8V，对锗半导体：对锗半导体：UD0.20.4V（3）当当两两边边的的掺掺杂杂浓浓度度相相等等时时，PN结结是是对对称称的的。当当两两边边的的掺掺杂杂浓浓度度不不等等时时，PN结不对称。结不对称。（4）从宏观上看，自由状态下，）从宏观上看，自由状态下，PN结中无电流。结中无电流。一、一、PN结的形成结的形成+空间电荷区空间电荷区内电场内电场2、说明、说明（1）空空间间电电荷荷区区（耗耗尽尽层层、势势垒垒区区、高高阻阻区区）内内几几乎乎没没有有载载流流子子，其其厚厚度度约为约为0.5。（2）内电场
12、的大小：）内电场的大小：对硅半导体：对硅半导体：UD0.60.8V，对锗半导体：对锗半导体：UD0.20.4V（3）当当两两边边的的掺掺杂杂浓浓度度相相等等时时，PN结结是是对对称称的的。当当两两边边的的掺掺杂杂浓浓度度不不等等时时，PN结不对称。结不对称。（4）从宏观上看，自由状态下，）从宏观上看，自由状态下，PN结中无电流。结中无电流。一、一、PN结的形成结的形成离子密度大离子密度大空间电荷层较薄空间电荷层较薄离子密度小离子密度小空间电荷层较空间电荷层较厚厚+_PNE+_R1 1、PN结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性+空间电荷区空间电荷区
13、变薄变薄正向电流正向电流多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。P区加正、区加正、N区加负电压。区加负电压。E+_R2 2、PN结反向偏置结反向偏置内电场内电场二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性+空间电荷区空间电荷区P区加负、区加负、N区加电压正。区加电压正。变厚变厚外电场外电场多子的扩散受抑制。少子的漂移加强，但少子数量多子的扩散受抑制。少子的漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。有限，只能形成较小的反向电流。3 3、小结小结 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；的正向扩散电流；
14、PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。反向漂移电流。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。二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性雪崩击穿雪崩击穿通常发生在耗尽层的宽度较大的情况下，出现通常发生在耗尽层的宽度较大的情况下，出现碰撞电离，产生电子的倍增效应。碰撞电离，产生电子的倍增效应。齐纳击穿齐纳击穿通常发生在耗尽层的宽度很小的情况下，出现通常发生在耗尽层的宽度很小的情况下，出现场致激发。场致激发。热击穿：热击穿：反向电压继续增加到一定值以后，反向电流开始剧烈增加。反向电压继续增加到一定值以后，反向电
15、流开始剧烈增加。这时这时PN结被击穿。结被击穿。三、三、PN结的反向击穿结的反向击穿E+_R内电场内电场+外电场外电场势垒电容势垒电容CB：当电压变化时，引起积累在势垒区的空间电荷的变化。当电压变化时，引起积累在势垒区的空间电荷的变化。CBS(PN结面积结面积)(空间电荷区的宽度空间电荷区的宽度)，与半导体材料的介，与半导体材料的介电系数电系数有关，与外加电压的大小有关。大小：有关，与外加电压的大小有关。大小：0.5100PF四、四、PN结的电容效应结的电容效应扩散电容扩散电容CD：为了形成正向电流（扩散电流），电子在为了形成正向电流（扩散电流），电子在P 区有浓度差，区有浓度差，空穴在空穴在
16、N区区有浓度差有浓度差。正向电流大，积累的电荷多。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就这样所产生的电容就是扩散电容是扩散电容CD。大小与正向电流大小与正向电流I成正比，成正比，大约为几大约为几+PF0.01F。势垒电容势垒电容CB在正向和反向偏置时均不能忽略。在正向和反向偏置时均不能忽略。扩散电容扩散电容CD在反向偏置时，由于载流子数目很少，在反向偏置时，由于载流子数目很少，I=-IS，故，故CD0，所所以以CD只影响只影响PN结的正向工作状态。结的正向工作状态。PN结的总电容：结的总电容：CJ=CB+CD四、四、PN结的电容效应结的电容效应1、结构、结构PN结加上管壳和引线，就成为半
17、导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PN2、电路符号：、电路符号：按用途分：整流二极管，检波二极管，稳压二极管，按用途分：整流二极管，检波二极管，稳压二极管，。按材料分：硅二极管，锗二极管。按材料分：硅二极管，锗二极管。3、分类、分类按结构分：点接触型，面结合型，平面型。按结构分：点接触型，面结合型，平面型。点接触型点接触型 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。3二极管二极管一、结构及符号一、结构及符号面接触型：面接触型：PN结面积大，结面积大，用于工频大电流整流。用于工频大电流整流。平面型：平面型：用于集成电路制造艺中
18、。用于集成电路制造艺中。PN结面积结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。可大可小，用于高频整流和开关电路中。4、半导体二极管图片、半导体二极管图片一、结构及符号一、结构及符号（1）二极管的伏安特性曲线都是从坐标原点开始的。）二极管的伏安特性曲线都是从坐标原点开始的。（2）电流与电压的关系是非线性的。）电流与电压的关系是非线性的。（3）硅管的上升部分比锗管陡一些。）硅管的上升部分比锗管陡一些。（4）二极管正常工作时，其正向压降为：二极管正常工作时，其正向压降为：0.60.8V硅管（取硅管（取0.7V）0.10.4V锗管（取锗管（取0.3V）UI加到二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线
19、加到二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线二极管的伏安二极管的伏安特性曲线。特性曲线。二、伏安特性二、伏安特性（5）正向偏置电压需要达到一定的数值电）正向偏置电压需要达到一定的数值电流才开始显著上升，这个电压称为门限电压流才开始显著上升，这个电压称为门限电压或接通电压。或接通电压。UON0.4v硅管硅管0.1v锗管锗管（6）反向电压大到一定值以后反向电流几乎不随电压的增加而增加。这时）反向电压大到一定值以后反向电流几乎不随电压的增加而增加。这时的电流的电流反向饱和电流（反向饱和电流（IS）。它主要与环境温度有关（）。它主要与环境温度有关（TIS）。）。二、伏安特性二、伏安特性UIIS（7
20、）反向电压继续增加到一定值以后，反向电流开始剧烈增加。这时二管）反向电压继续增加到一定值以后，反向电流开始剧烈增加。这时二管被击穿。被击穿。（8）温度对二极管特性的影响）温度对二极管特性的影响T正向特性曲线左移，正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。反向特性曲线下移。I正正=-22.5mA/IR=1倍倍/10IS反向饱和电流反向饱和电流UT温度的电压当量温度的电压当量在常温下（在常温下（T=300K）当二极管反偏时：当二极管反偏时：U-26mv时时IIS（反向饱和电流）（反向饱和电流）当二极管零偏时：当二极管零偏时：U=0I=0当二极管正偏时：当二极管正偏时：U26mv时时三、伏安公式三、伏安公
21、式数学建模：数学建模：UI（1）最大整流电流最大整流电流IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UBRM一般一般是是UBR的一半。的一半。（3）反向电流反向电流IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流
22、。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。几十到几百倍。四、主要参数四、主要参数+（4）交流电阻交流电阻 rDIUIDUDQ二极管特性曲线上工作点二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：附近电压的变化与电流的变化之比：rD是对是对Q处切线斜率的倒数处切线斜率的倒数理论计算理论计算常温下（常温下（T=300K）四、主要参数四、主要参数 uD
23、 iD（5）直流电阻直流电阻 RD注意：工作点不同，直流电阻不同！注意：工作点不同，直流电阻不同！四、主要参数四、主要参数IUIDUDQ（1）应用于直流电路的情况）应用于直流电路的情况（2）应用于交流电路的情况）应用于交流电路的情况RD正向导通电阻正向导通电阻Rr反向电阻反向电阻五、等效电路五、等效电路CBCDRD结电阻结电阻rs体电阻体电阻例例1、二极管电路的图解分析法：电路如图，求二极管两端的电压、二极管电路的图解分析法：电路如图，求二极管两端的电压UD和流过和流过二极管的电流二极管的电流ID。六、应用举例六、应用举例IDRUDDVDDQIUUDIDVDDQ点点静态工作点静态工作点uiuo
24、tt例例2、二极管半波整流、二极管半波整流六、应用举例六、应用举例RLuiuo例例3 3、二极管的应用、二极管的应用tttuiuRuo六、应用举例六、应用举例RRLuRuoui+-例例4、判断图中二极管是否导通，并求、判断图中二极管是否导通，并求AB两端的电压。设二极管的导通电两端的电压。设二极管的导通电压为压为0.7v。判断二极管在电路中的工作状态：判断二极管在电路中的工作状态：假设二极管断开，然后求得正极和假设二极管断开，然后求得正极和负极的电位及两端的电压。如果该电压负极的电位及两端的电压。如果该电压大于导通电压，则该二极管处于正偏而大于导通电压，则该二极管处于正偏而导通，两端的实际电压
25、为二极管的导通导通，两端的实际电压为二极管的导通电压；如果该电压小于二极管的导通电电压；如果该电压小于二极管的导通电压，则说明该二极管处于反偏而截止。压，则说明该二极管处于反偏而截止。导通，导通，UAB=-0.7v-5v=-5.7v六、应用举例六、应用举例3kD5v10vABD1导通，导通，D2截止截止UAB=-0.7vD2优先导通优先导通D1截止，截止，UAB=-9.3v六、应用举例六、应用举例例例5、判断图中二极管是否导通，并求、判断图中二极管是否导通，并求AB两端的电压。设二极管的导通电两端的电压。设二极管的导通电压为压为0.7v。3kD212v9vABD13kD210v15vABD10
26、-9-12-90-1015-9.3例例6、设图中的二极管、设图中的二极管D为理想二极管，试通过计算，判断它是否导通。为理想二极管，试通过计算，判断它是否导通。假设假设D断开，断开，由左边的回路可知，由左边的回路可知，B点对点对A点的电压点的电压由右边的回路可知，由右边的回路可知，C点对地的电压点对地的电压A点对地的电压点对地的电压B点对地的电压为点对地的电压为-4v+（-4v）=-8vB点对点对C的电压为的电压为-8v-（-10v）=2vD为导通状态为导通状态六、应用举例六、应用举例10vAD5k5kB4k6k4k1k20vC-4-10-4一、稳压二极管（齐纳二极管）一、稳压二极管（齐纳二极管
27、）UIIZIZmax UZ IZrZ越小，电压越稳定。越小，电压越稳定。+-UZ3特殊二极管特殊二极管1、特点：反向击穿区非常陡峭。正常工作时处于反向、特点：反向击穿区非常陡峭。正常工作时处于反向击穿状态，工作点设在陡峭曲线的中间部分。击穿状态，工作点设在陡峭曲线的中间部分。（2）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电最大、最小稳定电流流Izmax、Izmin。（4）最大允许功耗）最大允许功耗2、稳压二极管的参数、稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压UZ（3）动态电阻）动态电阻IZmin3、稳压二极管的应用举例、稳压二极管的应用举例一、稳压二极管一、稳压二极管UIUI=IRR+UZ=IRR
28、+UOIR=IZ+IOR：限流降压作用：限流降压作用工作原理工作原理当当RL不变时：不变时：当当UI不变时不变时RLIoIRUoIZIRIRRUoUoIZIRIRRUo电路元件参数的选择电路元件参数的选择（1）选择稳压管：）选择稳压管：UZ=UO；Izmax=(1.53)Iomax（2）决定输入电压）决定输入电压UI：UI=(23)Uo考虑电网电压允许考虑电网电压允许10%的变化的变化（3）限流电阻的选择：）限流电阻的选择：R的选择应使的选择应使IZ限制在限制在IZminIzmax之间。之间。当电网电压最高和负载电流最小时，当电网电压最高和负载电流最小时，IZ的值最大，它不能超过的值最大，它不
29、能超过Izmax，即即一、稳压二极管一、稳压二极管当电网电压最低和负载电流最大时，当电网电压最低和负载电流最大时，IZ的值最小，它不能低于的值最小，它不能低于Izmin，即，即二、肖特基二极管二、肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）金属半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，是一种热载流金属半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，是一种热载流子二极管。子二极管。特点：特点：低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流左
30、右，而整流电流却可达到几千安培。却可达到几千安培。+A区区贵金属（金、贵金属（金、银、铝、铂银、铝、铂等）等）B区区N型半型半导体导体电子浓度差电子浓度差扩散扩散内电场内电场E漂移漂移扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流动态平衡动态平衡阻碍阻碍B表面形成表面形成势垒势垒三、变容二极管三、变容二极管特点：工作于反向状态，结电容（主要是势垒电容）随反向电压的增特点：工作于反向状态，结电容（主要是势垒电容）随反向电压的增加而减少。加而减少。C-U四、光电二极管四、光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升，工作于反向状态反向电流随光照强度的增加而上升，工作于反向状态。IU照度增加照度增加200lx400lx五、发光二极管五、发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。六、激光二极管六、激光二极管在发光二极管的节间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光在发光二极管的节间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。光活性体光活性体激光激光第3章 结束
