半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用講解

1、模擬電子技術(shù)主講：楊恒新yanghx 電子科學(xué)與工程學(xué)院2013年7“ 19H越明h快振電f技術(shù)緒論一、模擬電子技術(shù)是什么？ 二、課程地位（為什么學(xué)？）三、課程教學(xué)內(nèi)容U!課程安排與任務(wù)20”年7“1911里朗上收擬電廣技術(shù)五、如何學(xué)習(xí) 六、何謂學(xué)好？七、課程成績評定方法八、答疑時間、地點第1章 晶體二極管及其基本電路1.1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識1.1.1 概述一、導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體二、制造半導(dǎo)體器件的材料1.1.2 本征半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體中的載流子二、本征載流子濃度2013-1 7HI9HVWJ11.1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體(Negative type) 二、P型半導(dǎo)體(Positiv

2、e type) 三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度1.2 PN結(jié)1.2.1 PN結(jié)的形成1.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦砸?、PN結(jié)加正向電壓二、PN結(jié)加反向電壓三、PN結(jié)電流方程123 PN結(jié)的擊穿特性一、齊納擊穿二、雪崩擊穿2013年7“ 19H也朗h快擬電f技術(shù)51.2.4 PN結(jié)的電容特性一、勢壘電容二、擴散電容13半導(dǎo)體二極管及其基本電路 13.1二極管特性曲線 132二極管的主要參數(shù)一、直流電阻二、交流電阻三、最大整流電流，f四、最大反向工作電壓Ur、1五、反向電流7 R六、最高工作頻率20”年7JI19H強陰h模擬電尸技術(shù)1.3.3半導(dǎo)體二極管模型一、理想模型二、恒壓降模型三、折線模型、小

3、信號模型13.4二極管基本應(yīng)用電路一、二極管整流電路 二、二極管限幅電路20”年7“皿助11段依電f技術(shù)1.4特殊二極管1.4.1 穩(wěn)壓二極管一、穩(wěn)壓二極管的特性、穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)三、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路作業(yè)校依電f技術(shù)2013年7月19H品第五一、模擬電子技術(shù)是什么？1 .模擬電子電路課程是一門研究模擬電子技術(shù)的基 本規(guī)律，并注重實踐應(yīng)用的一門學(xué)科基礎(chǔ)課。2 .內(nèi)容涉及兩本教材（資料）內(nèi)容: 主教材、補充教材。二、課程地位(為什么學(xué)？)1 .是重要的學(xué)科基礎(chǔ)課(1)通識基礎(chǔ)課：體現(xiàn)學(xué)歷教育和大學(xué)基礎(chǔ)的課。課時多，教學(xué)內(nèi)容基本穩(wěn)定。(2)學(xué)科基礎(chǔ)課：是學(xué)科方向的必修課，課時較 多；承前啟后；

4、內(nèi)容相對穩(wěn)定。(3)專業(yè)基礎(chǔ)課：是專業(yè)方向的必修課，課時較多；承前啟后;內(nèi)容相對穩(wěn)定,但有發(fā)展。(4)專業(yè)課：是專業(yè)應(yīng)用性質(zhì)的必修課和選修課。 分模塊，課時少，內(nèi)容變化快。II2 .是電氣信息類、電子信息科學(xué)類專業(yè)的主干課程3 .是強調(diào)硬件應(yīng)用能力的工程類課程(1)當(dāng)前社會對于硬件工程師(特別是具有設(shè)計開發(fā) 能力的工程師)需求量很大。培養(yǎng)硬件工程師比較困難。學(xué)好并掌握硬件本領(lǐng)將使你基礎(chǔ)實，起點高，發(fā) 展大，受益無窮！4 .是工程師訓(xùn)練的基本入門課程5 .是很多重點大學(xué)的考研課程校依電f技術(shù)三、課程教學(xué)內(nèi)容L模擬信號與數(shù)字信號語言信號波形，模擬信號：幅值連續(xù)、A A A / tv V v v V

5、，數(shù)字信號：幅值離散、時間連續(xù)時間離散（通常變化時刻之間的間隔是均勻的）D02013-1 7UI9UV.W11校收電f技術(shù)2.電子電路的概念、分類及發(fā)展“概念: 對弱電類信號進行產(chǎn)生、處理（如串一并變換、 變頻、取反、放大等）、存儲、傳輸，由各種元 件互相連接而組成的物理實體?！胺诸悾簲?shù)字電路、模擬電路模擬電路根據(jù)有源器件模型分為線性電路（處理小信號）、非線性電路（處理大信號）模擬電路根據(jù)信號頻率分為低頻電路（處理低頻信號）、高頻電路（處理高頻信號）電子管時代：1906年誕生電子三極管，之后出現(xiàn)了無線電通信;晶體管時代：1947年誕生晶體三極管;集成電路時代：1958年出現(xiàn)集成電路，進入微電子

6、時期;LSI和VLSI時代：X0.35ym l=0.25Hm J-0.18pm Z=0.13jini匚 90nm (Pentium 4 670 3.X()GHz)65nm (Core 2 Duo )2013年7月19H與U五3.課程內(nèi)容第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用第2章雙極型晶體管及其放大電路第3章場效應(yīng)晶體管及其放大電路第4章放大器的頻率響應(yīng)和噪聲第5章集成運算放大電路第6章反饋第7章集成運算放大器的應(yīng)用第8章功率放大電路第10章 正弦波振蕩電路第11章調(diào)制與解調(diào)第11章集成邏輯門電路2013年7 19H興朗11性收電尸技術(shù)4 .教材1黃麗亞等編著,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，北京：機械工業(yè)出版社，20

7、09電子電路教研室.模擬電子電路B補充講義（修.訂版），南京郵電大學(xué)校內(nèi)印刷,200620”年7HI9H密朗11校擬電f技術(shù)175 .參考書1康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）（第五版）. 北京：高等教育出版社,2006|2華成英童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）, 北京：高等教育出版社,2006謝嘉奎.電子線路（線性部分）（第四版）.北京：高等教育出版社，1999 （2004年印屆IJ） 4謝嘉奎.電子線路（非線性部分）（第四版）.北京：高等教育出版社, 1999 （2004年印刷）校收電f技術(shù)201371119HVWJ11、課程安排與任務(wù)L一學(xué)期課（64學(xué)時、4學(xué)分），實驗課另有安排, 單獨

8、設(shè)課。2 .掌握常用半導(dǎo)體器件和典型模擬集成電路的特性與參數(shù);3 .系統(tǒng)地掌握電子線路的基本概念、組成、基本理、性能特點和掌握各類放大器、頻率響應(yīng)、反饋、振蕩器、調(diào)制解調(diào)電路的基本分析方法和工程估算方法:4 .掌握典型TTL、CMOS門電路的工作原理和主要外部電氣特性;2013年7月19H醍陰五模擬電f技術(shù)五、如何學(xué)習(xí)1.“愛好”和“志向”很重要！ “興趣是最好的老 厥P時可能會遇到一些困難。注意不斷改進、 總結(jié)和調(diào)整、提高。3.學(xué)習(xí)方法“過四關(guān)”基本器件關(guān)電路構(gòu)成 工程近似關(guān)分析方法 實驗動手關(guān)-實踐應(yīng)用 EDA應(yīng)用關(guān)一設(shè)計能力4分立為基礎(chǔ)，集成是重點，分立為集成服務(wù)六、何謂學(xué)好?L掌握電子

9、技術(shù)的硬件理論（理論）； 2.掌握電子技術(shù)的應(yīng)用實踐能力（實踐）；七、課程成績評定方法 八、答疑時間、地點2f)l3-t7Ul9liVWJi第一章晶體二極管及其基本電路（1）了解本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體和PN結(jié)的形成及其特性。（2）掌握晶體二極管的特性和主要參數(shù)。（3）掌握普通二極管、穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的基本電路的組成、工作原理及分析方法。2f)l3-t7Ul9liVWJi1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識1.1.0概述一、導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體1 .導(dǎo)體(Conductor) ：如鋁、金、鐺、銀珞等合金。2 .絕緣體(Insulator)： (r 4。為常數(shù)，Si(Ge):3.87(1.76)X 10,6cm

10、-3-K“ E(；o為T二K時的禁帶寬度，Si(Ge):1.21(O.78)eV；“ 為波爾茲曼常數(shù)(8.63X103/K)；2OI3t7Hl9fiJWli模擬電f技術(shù)26本征載流子濃度討論% = P, = A0T3/2e EgE本征載流子濃度隨溫度升高近似按指數(shù)規(guī)律 增大，所以半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能對溫度非常敏“黜下,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。室溫下：硅(Si)原子密度為5xlO22cm3載流子密度為% = Pi = L43xl(),(,cm31.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體(Impurity Semiconductor ) 一、N型半導(dǎo)體(Negative type)在本征硅(或錯)中，摻入少量的五價元素

11、(磷、珅等)，就得到N型半導(dǎo)體。室溫時,幾乎全部雜質(zhì)原子都能提供一個自由電子。“多子(Majority)(多數(shù)載流子)：自由電子; 少子(Minority)(少數(shù)載流子)：空穴；多子濃度產(chǎn)% (施主雜質(zhì)濃度)nt = p. = .43x l()locm N& = 2x IOl4cm320”年，次擬電f技術(shù)二、P型半導(dǎo)體（Positive type），在本征硅（或錯）中，摻入少量的三價元素Im/ rnn fen相 Nilngl 止曰，汨幾乎全部雜質(zhì)原子都能提供一個空穴。，多子（多數(shù)載流子）:空穴；少子（少數(shù)載流子）：自由電子；多子濃度pNa （受主雜質(zhì)濃度）三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度在熱平衡下，

12、兩者之間有如下關(guān)系：多子濃度值 與少子濃度值的乘積恒等于本征載流子濃度值 1 的平方。對N型半導(dǎo)體對P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子小結(jié)2OI37HI9HKIWl校依電f技術(shù)311.2 PN 結(jié)L2.l PN結(jié)的形成:開始擴散運動占優(yōu)勢;人內(nèi)電場形成，阻止多子擴散，但引起少子漂移; 平衡時，多子擴散與少子漂移達(dá)到平衡，即擴散過去多少多子，就有多少少子漂移過來。校依電f技術(shù)2OI37HI9HKIWl20”年7“ 19H興朗11快振電f技術(shù)M1.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦砸弧N結(jié)加正向電壓外加電場，多子被強行推向耗盡區(qū)，中和部 分正、負(fù)離子使耗盡區(qū)變窄，內(nèi)電場削弱。由于內(nèi)電場減弱，有利于多子的擴散，

13、多子 源源不斷擴散到對方，形成擴散電流，通過 同回路形成正向電流.由于4較小，因此只需較小的外加電壓u, 就能產(chǎn)生很大的正向電流2OI3r7Hl9HVWh校依電f技術(shù)33二、PN結(jié)加反向電壓外加電場強行將多子推離耗盡區(qū)，使耗盡區(qū) 變寬，內(nèi)電場增強。內(nèi)電場增強，多子擴散很難進行，而有利于 少子的漂移。閹越過界面的少子通過回路形成反向（漂移）電流， 反向電流很小。）外加電壓增大時，反向電流基本不增加。綜上所述，PN結(jié)加正向電壓時，電流很大并 隨外加電壓有明顯變化（正向?qū)ǎ?，而加反?電壓時，電流很小，且不隨外加電壓變化（反向 截止）.這種現(xiàn)象稱之為PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦浴Ｐ1電f技術(shù)2OI3-t

14、7Hl9HVWJi三、PN結(jié)電流方程2OI3-t7Hl9HVWJi3 = / （/% -1）A為反向飽和電流。%;K 77g,溫度電壓當(dāng)量當(dāng)T=300K （室溫）時,U產(chǎn)26mV。1.2.5 PN結(jié)的伏安特性校K1電f技術(shù)36PN結(jié)電流方程討論1 = /、（，/- - J）當(dāng) =7 VH寸，eH,Ur e4 55 1“當(dāng)比u7大幾倍時即呈現(xiàn)指數(shù)變化。當(dāng)V0時，且比%大幾倍時2OI3-t?Hl9HVJHli收收電f技術(shù)37PN結(jié)電流方程討論、（/，一1）2OI3-t?Hl9HVJHli收收電f技術(shù)3K1.2.3 PN結(jié)的擊穿特性當(dāng)反向電壓超過，RR)后，山I稍有增加時，反向 電流急劇增大，這種現(xiàn)

15、象稱為PN結(jié)反向擊穿2OI3-r?Hl9HJMii設(shè)擬電f技術(shù)一、齊納擊穿(Zener Breakdown)幣:摻雜1耗盡區(qū)很窄少強電場今將中性原子的價 電子在接拉出共價錠今產(chǎn)生大量電子、空穴對T 反向電流增大。 耗盡區(qū) M外電場dl二、雪崩擊穿(Avalanche Multiplication) 輕摻雜今耗盡區(qū)較寬T少子動能增大今碰撞中性 原廣今產(chǎn)生電廣、空穴對今連鎖反應(yīng)今產(chǎn)生大后 電子、空穴對今反向電流劇增。P 耗盡區(qū) N旦 ! Q外電場dl2013 年 7“19HHiHh: 。模擬電f技術(shù)一般來說，對硅材料的PN結(jié)，4r7V時為雪 崩擊穿；Urr1_ D R10V t 0.93KAUr

16、26（my）= 26nlnQ i（KniA）所以交流電流為AU l（XmVR + % = 2.6 + 930（。）= 1.1x102OI3-t7Hl9UVJMJi模擬電f技術(shù)51三、最大整流電流及允許通過的最大正向平均電流。、最大反向工作電壓Urm通常取br）的一半，超過“BR）容易發(fā)生反向擊穿。五、反向電流/r未擊穿時的反向電流。4越小，單向?qū)щ娦阅茉胶?六、最高工作頻率/m工作頻率超過Am時，二極管的單向?qū)щ娦阅茏儔摹?.3.3半導(dǎo)體二極管模型由于二極管的非線性特性，當(dāng)電路加入二極管時,便成為非線性電路。實際應(yīng)用時可根據(jù)二極管的應(yīng)用條件作合理近似，得到相應(yīng)的等效電路，化 為線性電路。對電子

17、線路進行定量分析時，電路中的實際器件必須用相應(yīng)的電路模型來等效表示，這稱為“建模” O校依電f技術(shù)一、理想模型(a)伏安特性20”什7H19“北二北校依電f技術(shù)圖1.3.5理想二極管模型二、恒壓降模型2013年7月19日與JRli模擬電f技術(shù)(a)伏安特性(b)電路模型(c)符號圖L3.6恒壓降模型2013年7H依擬電f技術(shù)5S三、折線模型。IXon)(a)伏安特性2OI3nJH9HJWh.圖L3.7折線模型拉電廣技術(shù)(c)符號56圖138二極管的交流小信號等效模型2013年7月19日與JRli模擬電f技術(shù)57以上四種等效電路模型（理想模型、恒壓降模型、折 線模型、小信號模型）均為二極管近似模

18、型（線性化模 型）。對不同電路模型可在不同需求時采用。思考題：1 .在大信號應(yīng)用中如何選擇二極管的等效模型?2 .在小信號應(yīng)用中如何選擇二極管的等效模型?圖L3.9二極管半波整流電路及波形加”年7月I9H6UR五模擬電f技術(shù)59。L UE+Ud（。、）D導(dǎo)通，否則截止。圖1.3.11二極管上限幅電路及波形加”年7月BHfiUR五模擬電f技術(shù)L4特殊二極管1.4.1穩(wěn)壓二極管一、穩(wěn)壓二極心的特性2OI37Ul9H.Wh校收電f技術(shù)L穩(wěn)壓二極管的正向特性、反向特性與普通二極 管基本相同，區(qū)別僅在于反向擊穿時，特性曲線 更加陡峭.2.穩(wěn)壓管在反向擊穿后，能通過調(diào)節(jié)自身電流，KCA“二 H J 口 J。即當(dāng)由，電壓幾乎不變，為Uz。校收電f技術(shù)2OI37Ul9H.Wh二、穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)擊穿后流過管子的電流為規(guī)定值時，管子兩端的電壓值。2 .額定功耗匕：由管子溫升所限定的參數(shù)，使用時不允許超過此值。3 .穩(wěn)定電流/z Gux=Pz/z4 .動態(tài)電阻在擊穿狀態(tài)下，兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。一般為幾歐姆到幾十歐姆（越小越好）.5 .溫度系數(shù)17表示單位溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對變化量。當(dāng)即不變時：V t