二極管及其基本電路

1、第三章第三章 二極管及其基本電路二極管及其基本電路 基本要求基本要求：1 了解半導(dǎo)體器件內(nèi)部物理過(guò)程；了解半導(dǎo)體器件內(nèi)部物理過(guò)程；2 理解二極管工作原理、主要參數(shù)、使理解二極管工作原理、主要參數(shù)、使 用方法；用方法；3 掌握二極管外特性、二極管基本應(yīng)用掌握二極管外特性、二極管基本應(yīng)用 電路及其分析方法。電路及其分析方法。第三章第三章 二極管及其基本電路二極管及其基本電路 3.1 3.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí) 3.2 pn3.2 pn結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性3.4 3.4 二極管的基本電路及其分析方法二極管的基本電路及其分析方法 3.5 3.5 特殊二極管特殊二極管 3.3 3.

2、3 二極管二極管 3.1半導(dǎo)體基本知識(shí)n半導(dǎo)體器件特點(diǎn)：半導(dǎo)體器件特點(diǎn)： 體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、輸入功率小、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、輸入功率小、功率轉(zhuǎn)換效率高。功率轉(zhuǎn)換效率高。3.1.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料：（semiconductor materials)(-cm )10+910-3導(dǎo)體導(dǎo)體如金屬等如金屬等絕緣體絕緣體如橡皮、塑料等如橡皮、塑料等典型半導(dǎo)體：典型半導(dǎo)體：硅硅sisi、鍺、鍺gege、砷化鎵、砷化鎵gaasgaas等等 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 3.1.2 3.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)化模型 最外層上的電子，決定了物質(zhì)的化學(xué)特性和導(dǎo)電性； si硅原子硅原

3、子ge鍺原子鍺原子 1 1、sisi、gege的原子結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu) 價(jià)電子： 慣性核 3.1.2 3.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 2 2、共價(jià)鍵、共價(jià)鍵硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共價(jià)鍵共用電子對(duì)共用電子對(duì)+4+4+4+4+4+4表示表示慣性核慣性核3.1 3.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體基本知識(shí) 共價(jià)健共價(jià)健 si si si si價(jià)電子價(jià)電子 si si si si價(jià)電子價(jià)電子這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭昭ㄗ杂呻娮幼杂呻娮?3.1.4 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜

4、質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。 n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷） p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼） 摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。 摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。3.1 3.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體基本知識(shí) 1. n1. n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 多余的一個(gè)價(jià)電子因多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成成自由電子自由電子。 在在n型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中自由自由電子是多數(shù)載流子，電子是多數(shù)載流

5、子，它主要由雜質(zhì)原它主要由雜質(zhì)原子提供子提供；空穴是少數(shù)載流子空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。多余電子多余電子硅原子硅原子sipsisi 五價(jià)雜質(zhì)原子只有四個(gè)五價(jià)雜質(zhì)原子只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵硅硅(鍺鍺) +磷磷 n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 2.p2.p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在在p型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴是空穴是多數(shù)

6、載流子，多數(shù)載流子，它主要由摻雜它主要由摻雜形成形成；自由自由電子是少數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子負(fù)離子。三價(jià)雜。三價(jià)雜質(zhì)質(zhì) 因而也稱為因而也稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。 因缺少一個(gè)價(jià)電子而在因缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴空穴?？昭昭╯isisib 三價(jià)雜質(zhì)原子在與三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵硅原子形成共價(jià)鍵硅硅(鍺鍺) +硼硼 p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 3.1.4 3.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法+ 3.1.4 3.1.4

7、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體3.1 3.1 半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體基本知識(shí) 3.2.1 3.2.1 載流子的漂移與擴(kuò)散載流子的漂移與擴(kuò)散3.2 pn3.2 pn結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性漂移運(yùn)動(dòng)：由于電場(chǎng)作用而導(dǎo)致載流子的運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)：由于電場(chǎng)作用而導(dǎo)致載流子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū) 域移動(dòng)的現(xiàn)象域移動(dòng)的現(xiàn)象空穴的移動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相同電子的移動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)e漂移運(yùn)動(dòng)3.2.2 pn3.2.2 pn結(jié)的形成結(jié)的形成 漂移運(yùn)動(dòng)p p型半導(dǎo)

8、體型半導(dǎo)體n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)e3.2 pn3.2 pn結(jié)的形成及其特性結(jié)的形成及其特性內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。荷區(qū)越寬。漂移運(yùn)動(dòng)p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)e所以擴(kuò)散和漂所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)?shù)狡胶?，相?dāng)于兩個(gè)區(qū)之間于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的空間電荷區(qū)的厚度固定不變。厚度固定不變。3.2.2 pn

9、3.2.2 pn結(jié)的形成結(jié)的形成 3.2 pn3.2 pn結(jié)的形成及其特性結(jié)的形成及其特性 因濃度差因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散 最后最后,多子的多子的擴(kuò)散擴(kuò)散和少子的和少子的漂移漂移達(dá)到達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì)在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì), ,分別分別形成形成n型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 3.2.1 pn 3.2.1 pn結(jié)的形成結(jié)的形成 3.2 pn3.

10、2 pn結(jié)結(jié)一、一、pn結(jié)外加正向偏置電壓時(shí)的導(dǎo)電情況：結(jié)外加正向偏置電壓時(shí)的導(dǎo)電情況：電源電源vf+ p- n空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng) i擴(kuò)擴(kuò) i漂漂擴(kuò)散擴(kuò)散 漂移漂移 正向?qū)顟B(tài)正向?qū)顟B(tài)、小電阻、小電阻 ，正向?qū)娏髡驅(qū)娏?if i擴(kuò)擴(kuò) if 3.2.3 pn結(jié)單向?qū)щ娦越Y(jié)單向?qū)щ娦?二、二、pn結(jié)加反向偏置電壓時(shí)的導(dǎo)電情況：結(jié)加反向偏置電壓時(shí)的導(dǎo)電情況：空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng) 漂移漂移 擴(kuò)散擴(kuò)散 i漂漂 i擴(kuò)擴(kuò)反向截止?fàn)顟B(tài)，反向截止?fàn)顟B(tài)，大電阻大電阻反向電流反向電流 ir= i漂漂ir電源電源vr+ n- p反向反向飽和電流飽和電流is

11、pn結(jié)正偏結(jié)正偏pn結(jié)反偏結(jié)反偏pn結(jié)具有結(jié)具有單向?qū)щ娦?。單向?qū)щ娦浴?pn結(jié)加正向電壓時(shí)，結(jié)加正向電壓時(shí)，正向?qū)ㄕ驅(qū)ǎ?電阻值很小，具有較大的正向?qū)娏鳎娮柚岛苄?，具有較大的正向?qū)娏鳎?開(kāi)關(guān)閉合開(kāi)關(guān)閉合 pn結(jié)加反向電壓時(shí)，結(jié)加反向電壓時(shí)，反向截止反向截止：呈現(xiàn)高電阻，具有較小反向飽和電流，呈現(xiàn)高電阻，具有較小反向飽和電流， 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)ts(1)edvnvdii流過(guò)流過(guò)pn結(jié)結(jié)電流電流a反向飽反向飽和電流和電流a加在加在pn結(jié)結(jié)兩端電壓兩端電壓vvt =kt/q=26mv t=300k vd 0正正向?qū)ㄏ驅(qū)ㄋ?、四、pn結(jié)結(jié)v-i特性表示式：特性表示式：（二極管特性方

12、程）（二極管特性方程）發(fā)射系數(shù)發(fā)射系數(shù)(1 2)3.2.4 pn的反向擊穿的反向擊穿（p65自學(xué)自學(xué) 熟悉）熟悉） idovbr d 當(dāng)當(dāng)pn結(jié)的反向電壓結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，增加到一定數(shù)值時(shí)，反反向電流突然快速增加向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為此現(xiàn)象稱為pn結(jié)的結(jié)的反向反向擊穿。擊穿。反向擊穿段反向擊穿段3.2.5 pn結(jié)電容效應(yīng)結(jié)電容效應(yīng)（p66自學(xué)了解）自學(xué)了解）一一 、符號(hào)：、符號(hào)： 陽(yáng)極陽(yáng)極+-陰極陰極二、二、 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： （1）點(diǎn)接觸型二極管：點(diǎn)接觸型二極管：陽(yáng)極陽(yáng)極+-陰極陰極（2）面接觸型二極管：）面接觸型二極管：（3）平面型二極管：平面型二極管：3.3.1 二極管結(jié)

13、構(gòu)二極管結(jié)構(gòu):3.3 二極管（diode)具體型號(hào)及參數(shù)參見(jiàn)具體型號(hào)及參數(shù)參見(jiàn)p72 表表3.3.1（v-i特性）特性）(p70)反向擊穿反向擊穿電壓電壓vbr反向特性反向特性u(píng)ipn+pn+一、一、 最大整流電流最大整流電流if 二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大正二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大正向平均電流。向平均電流。二、二、反向擊穿電壓反向擊穿電壓vbr 二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值。二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值。 3.3.3 二極管主要參數(shù)二極管主要參數(shù)（p71 自學(xué)熟悉）自學(xué)熟悉）三、三、反向電流反向電流ir 在室溫及規(guī)定的反向電壓下的反向

14、電流值。在室溫及規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。 硅管：硅管：(0.1 a)； 鍺管：鍺管： (幾十幾十 a)。四、四、結(jié)電容結(jié)電容cd 反映二極管中反映二極管中pn結(jié)結(jié)電容效應(yīng)的參數(shù)。在高頻結(jié)結(jié)電容效應(yīng)的參數(shù)。在高頻 和開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)運(yùn)用時(shí)必須考慮。和開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)運(yùn)用時(shí)必須考慮。五、五、最高工作頻率最高工作頻率fm 二極管工作上限頻率。二極管工作上限頻率。六、六、反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間trr 二極管由正向?qū)ㄟ^(guò)渡到反向截止時(shí)所需的時(shí)間。二極管由正向?qū)ㄟ^(guò)渡到反向截止時(shí)所需的時(shí)間。3.4 二極管的基本電路 及其分析方法3.4.1 簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析法簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析法 ( p73 自學(xué)

15、了解自學(xué)了解)3.4.2 二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析法：二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析法：1 理想模型：理想模型： (理想二極管理想二極管) (vd 0正偏正偏) 二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通v d =0 r d =0(vd 0反偏反偏) 二極管截止二極管截止id =0 rd =一、一、 二極管二極管v-i特性的建模：特性的建模：2 恒壓降模型：恒壓降模型：(vd vf ) 二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通vd = vf r=0 開(kāi)關(guān)閉合開(kāi)關(guān)閉合(vd vb，二極，二極管管 1、3 導(dǎo)通，導(dǎo)通，2、4 截止截止 。 u 負(fù)半周，負(fù)半周，vavb，二極，二極管管 2、4 導(dǎo)通，導(dǎo)通，1、3 截止截止 。ut u2u2 必做必做 (p97) ：3.4.5、3.4.6(a) 3.4.9(用理想模型分析用理想模型分析)選做選做 3.4.7 3.5 特殊二極管（p84）光電二極管光電二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管激光二極管激光二極管齊納二極管齊納二極管變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管光電子器件光電子器件肖特基二極管肖特基二極