第3章半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用電路

1、3.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)3.2 PN結(jié)3.3 半導(dǎo)體二極管3.4 二極管基本電路及其分析方法3.5 特殊二極管3.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、半導(dǎo)體定義導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì).特點(diǎn):導(dǎo)電能力可控（受控于光、熱、雜質(zhì)等）典型半導(dǎo)體材料:硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等3.1.1 本征半導(dǎo)體3.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體一、 本征(intrinsic)半導(dǎo)體 純凈無摻雜的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。純凈無摻雜的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。 (1) 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)(2) 電子空穴對(duì) (3) 空穴的移動(dòng) (1）本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)空

2、間排列有序的晶體 以 硅原子硅原子(Si)為例： (a) 硅晶體的空間排列 (b) 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖 電子空穴對(duì)：載流子（Carrier) 本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡! 圖01.02 本征激發(fā)和復(fù)合的過程 （2）電子空穴對(duì) 本征激發(fā)（熱激發(fā)） T=0 K時(shí)電子(- )空穴(+)復(fù)合:電子與空穴相遇,兩者同時(shí)消失 (3) 空穴的移動(dòng)(導(dǎo)電）空穴的運(yùn)動(dòng) = 相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子反向依次填補(bǔ)空穴來實(shí)現(xiàn)的常溫下，載流子的濃度很低，故導(dǎo)電性差。常溫下，載流子的濃度很低，故導(dǎo)電性差。環(huán)境溫度上升，載流子濃度升高導(dǎo)電性增強(qiáng)。環(huán)境溫度上升，載流子濃度升高導(dǎo)電性增強(qiáng)。二、 雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體

3、缺點(diǎn)？1、電子濃度=空穴濃度；2、載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差！(1) N型半導(dǎo)體(2) P型半導(dǎo)體(3) 雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響 (1）N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）摻摻 雜雜：特特 點(diǎn)點(diǎn)：多多數(shù)載流子子：自由電子（主要由雜質(zhì)原子提供）少少數(shù)載流子子：空穴（ 由熱激發(fā)形成） 雜質(zhì)原子因在晶格上，且缺少電子，故變?yōu)椴粍?dòng)的正離子。因提供自由電子故稱施主雜質(zhì)正離子少量摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如：磷） (2）P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）摻摻 雜雜：少量摻入三價(jià)雜質(zhì)（如硼、鎵和銦等）特特 點(diǎn)點(diǎn)：多子多子：空穴（主要由雜質(zhì)原子提供）少子少子：電子（ 由熱激發(fā)形成）雜質(zhì)原子成為不可移動(dòng)的負(fù)離子稱受主雜質(zhì)負(fù)離子(

4、3) 雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體 導(dǎo)電性的影響第二節(jié)N型半導(dǎo)體主要是自由電子導(dǎo)電，摻型半導(dǎo)體主要是自由電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。P型半導(dǎo)體主要是空穴導(dǎo)電，摻入型半導(dǎo)體主要是空穴導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。圖01.06 PN結(jié)的形成過程1. 形成兩種載流子的兩種運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)形成PN結(jié)兩種運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散（濃度差）漂移（電場力）三、三、 PN結(jié)結(jié)漂移和擴(kuò)散w(1)、電子或空穴在電場的作用下定向移動(dòng)稱為漂移電子或空穴在電場的作用下定向移動(dòng)稱為漂移

5、如圖（如圖（A）所示。）所示。w(2)、載流子由濃度高流向濃度低的的運(yùn)動(dòng)為擴(kuò)散。圖（、載流子由濃度高流向濃度低的的運(yùn)動(dòng)為擴(kuò)散。圖（B）所示）所示。電流電流I。.空穴空穴 。電子電子（A）電場作用下的漂移運(yùn)動(dòng)）電場作用下的漂移運(yùn)動(dòng)（B）空穴擴(kuò)散示意）空穴擴(kuò)散示意PN結(jié)形成結(jié)形成 P N+-+由于接觸面載由于接觸面載流子運(yùn)動(dòng)形成流子運(yùn)動(dòng)形成PN結(jié)結(jié)示意圖示意圖內(nèi)電場- +擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)PN結(jié)結(jié)變窄變窄P N+ - R 外加正向電壓示意外加正向電壓示意(導(dǎo)電）導(dǎo)電）PN結(jié)結(jié)變寬變寬P N- + R 外加反向電壓示意（截止）外加反向電壓示意（截止）正向電流If反向電流IsPN結(jié)加正向

6、電壓時(shí)結(jié)加正向電壓時(shí)電阻很小，電流大電阻很小，電流大。加反向電壓時(shí)加反向電壓時(shí)電阻很大，電流小。電阻很大，電流小。PN結(jié)的形成小結(jié)：濃度差 多子擴(kuò)散空間電荷區(qū)(雜質(zhì)離子雜質(zhì)離子) ) 內(nèi)電場 促使少子漂移 阻止多子擴(kuò)散 當(dāng)多子擴(kuò)散擴(kuò)散和少子漂移漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡，形成PN結(jié)2.實(shí)質(zhì)PN結(jié)=空間電荷區(qū)=耗盡層=內(nèi)電場3. 單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦裕?PN結(jié)正偏時(shí)導(dǎo)通（大電流），PN結(jié)反偏時(shí)截止（小電流）。偏置偏置(bias)(bias)PN結(jié)結(jié)變寬變寬P N- + R 外加反向電壓示意（截止）外加反向電壓示意（截止）反向電流IsPN結(jié)結(jié)變窄變窄P N+ - R 正向電流If

7、外加正向電壓示意外加正向電壓示意(導(dǎo)電）導(dǎo)電）PN結(jié)加正向電壓時(shí)結(jié)加正向電壓時(shí)電阻很，電阻很，電流大電流大。加反向電壓時(shí)加反向電壓時(shí)電阻很大，電電阻很大，電流小。流小。5、PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向擊穿特性反向擊穿特性4、PN結(jié)的電流方程結(jié)的電流方程mVUKTqkTUeIiTTUuST26,300:) 1(時(shí)當(dāng)常溫下其中 (1) 勢壘電容Cb（Barrier) 勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成4. 電容效應(yīng) 表現(xiàn)為： 勢壘電容Cb（barrier) 擴(kuò)散電容Cd (diffusion) 圖 01.10 擴(kuò)散電容示意圖第三節(jié)(2) 擴(kuò)散電容Cd(Diff

8、usion)當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電這就相當(dāng)電容的充放電過程。這種電容效應(yīng)稱過程。這種電容效應(yīng)稱為擴(kuò)散電容為擴(kuò)散電容勢壘電容和擴(kuò)散電容均勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。是非線性電容。（3）結(jié)電容）結(jié)電容Cj=Cb+Cd3.2 半導(dǎo)體二極管一結(jié)構(gòu)類型和符號(hào)二伏安特性三 主要參數(shù)四型號(hào)命名規(guī)則五五二極管等效電路二極管等效電路一、 結(jié)構(gòu)類型和符號(hào)二極管 = PN結(jié) + 引線 + 管殼。 類型：點(diǎn)接觸型

9、、面接觸型和平面型(1) 點(diǎn)接觸型(a)點(diǎn)接觸型 1、結(jié)構(gòu)類型PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路用于檢波和變頻等高頻電路(c)平面型(3) 平面型(2) 面接觸型(b)面接觸型2、符號(hào)舊符號(hào)新符號(hào)陽極(Anode)陰極(Cathode)標(biāo)記D1D2DiodePN結(jié)面積大，用結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路于工頻大電流整流電路往往用于集成電路制造工藝中。往往用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積結(jié)面積可大可小可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。用于高頻整流和開關(guān)電路中。二、 伏安特性IS :反向飽和電流VT =kT/q :溫度的電壓當(dāng)量室溫（T=300 K）下，V

10、T=26 mV1、二極管方程（定量）) 1(eTSVVII理想二極管(PN結(jié)）方程：圖 理想二極管的伏安特性曲線定性 單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦匀?主要參數(shù) (1) IF最大整流電流(2) VBR反向擊穿電壓指二極管反向加電壓時(shí)，使反向電流突然增大時(shí)的電壓。不同的二極管有不同的反向擊穿電壓。一般手冊中給出的反向電壓是實(shí)際的一半。指正常功率下的正向平均電流；根據(jù)二極管功率不同，由幾mA到幾百安培不等 (3) IR（IS） 反向飽和電流指二極管反向加電壓時(shí)，在沒有擊穿前的電流。愈小愈好。一般幾納安到幾微安。硅 (nA)級(jí)；鍺 (A)級(jí)(5) rd 動(dòng)態(tài)電阻 rd =VF /IF 二極管正向特性曲線斜率

11、的倒數(shù)(4)極間電容C： 正向擴(kuò)散電容CD：由于PN結(jié)正向?qū)щ娛峭ㄟ^電子和空穴擴(kuò)散的結(jié)果。而擴(kuò)散必須有載流子的濃度積累，這就產(chǎn)生了擴(kuò)散電容。 反向勢壘電容CB：二極管反向PN結(jié)形成電荷勢壘。 相當(dāng)于二塊平行板電容。反向電壓愈高電容愈小近似計(jì)算公式如下：D;DBDQdQCCdUU四、 型號(hào)命名規(guī)則國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：部分國產(chǎn)半導(dǎo)體高頻二極管參數(shù)表部分國產(chǎn)半導(dǎo)體高頻二極管參數(shù)表最高反向工作電壓（峰值）V反向擊穿電壓 V正向電流 mA反向電流A最高工作頻率MHZ極間電容 Pf最大整流電流mA2AP120402.52501501162ck71

12、001505.02503000.120部分國產(chǎn)半導(dǎo)體整流二極管參數(shù)表部分國產(chǎn)半導(dǎo)體整流二極管參數(shù)表最大整流 電流 A最高反向工作電壓（峰值）V最高工作電壓下的反向電流（125度） A正向壓降（平均值） V最高工作頻率 MHZ2CZ52A 0.12510000.832CZ54D0.5140010000.832CZ57F5300010000.83五、 二極管等效電路及其分析方法二極管經(jīng)常應(yīng)用于以下場合：（1）整流。（2）限幅。（3）邏輯（二極管邏輯）。二極管是一種非線性器件，需應(yīng)用線性化模型分析法對(duì)其應(yīng)用電路進(jìn)行分析。1 1、二極管正向伏安特性的折線化及等效電路、二極管正向伏安特性的折線化及等效電

13、路（1）.理想模型理想模型（2）. 恒壓降模型恒壓降模型這個(gè)模型如圖：其基本思這個(gè)模型如圖：其基本思想是當(dāng)二極管導(dǎo)通后，其想是當(dāng)二極管導(dǎo)通后，其管壓降認(rèn)為是恒定的，且管壓降認(rèn)為是恒定的，且不隨電流而變，不隨電流而變，sisi典型值典型值為為0.7V0.7V。不過這只有當(dāng)二極管的電不過這只有當(dāng)二極管的電流流i iD D近似等于或大于近似等于或大于1mA1mA時(shí)時(shí)才是正確的。該模型提供才是正確的。該模型提供了合理的近似，因此應(yīng)用了合理的近似，因此應(yīng)用也較廣。也較廣。（3）.折線模型折線模型為了較真實(shí)地描述二極管為了較真實(shí)地描述二極管V-I特性，特性，在恒壓降模型的基礎(chǔ)上，作一定的在恒壓降模型的基礎(chǔ)

14、上，作一定的修正，即認(rèn)為二極管的管壓降不是修正，即認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的，而是隨著通過二極管電流恒定的，而是隨著通過二極管電流的增加而增加，所以在模型中用一的增加而增加，所以在模型中用一個(gè)電池和一個(gè)電阻個(gè)電池和一個(gè)電阻rD來作進(jìn)一步的來作進(jìn)一步的近似。這個(gè)電池的電壓選定為二極近似。這個(gè)電池的電壓選定為二極管的門坎電壓管的門坎電壓Von，約為，約為0.5V。至于。至于rD的值，可以這樣來確定，即當(dāng)二的值，可以這樣來確定，即當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為極管的導(dǎo)通電流為1mA時(shí)，管壓降時(shí)，管壓降為為0.7V，于是，于是rD的值可計(jì)算如下的值可計(jì)算如下（4）.小信號(hào)模型小信號(hào)模型 二極管在一定的直流電壓

15、和電流下,加入低頻小信號(hào)時(shí),可等效為一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻。二極管小信號(hào)模型如圖所示。如果二極管在它的V-I特性的某一小范圍工作，例如在靜態(tài)工作點(diǎn)Q（即V-I特性上的一個(gè)點(diǎn)，此時(shí)vD=VD，iD=ID）附近工作，則可把V-I特性看成為一條直線，其斜率的倒數(shù)就是所要求的小信號(hào)模型的微變電阻rd。微變電阻rd可直接從V-I特性上求得。通過Q點(diǎn)作一條V-I特性的切線，并形成一直角三角形，從而得到 vD和 iD，則rd=vD/ iD，rd的數(shù)值還可從二極管的V-I特性表達(dá)式導(dǎo)出。取iD對(duì)vD的微分，可得微變電導(dǎo)(當(dāng)T=300K時(shí)) 由此可得 2 2、幾種模型分析法應(yīng)用舉例、幾種模型分析法應(yīng)用舉例 例1 設(shè)簡單二

16、極管基本電路如a所示，R=10kW，圖b是它的習(xí)慣畫法。對(duì)于下列兩種情況，求電路的ID和VD的值：（1）VDD=10V；（2）VDD=1V。在每種情況下，應(yīng)用理想模型、恒壓降模型和折線模型求解。解：圖a的電路中，虛線左邊為線性部分，右邊為非線性部分。符號(hào)“”為電位參考點(diǎn)，或叫“地”，即電路的共同端點(diǎn)。電路中任一點(diǎn)的電位，都是對(duì)此共同端而言。為了簡單起見，圖a所示的電路常采用圖b所示的習(xí)慣畫法，今后經(jīng)常用到。現(xiàn)按題意，分別求解如下：（1）VDD=10V 使用理想模型得VD=0V，ID=VDD/R=10V/10kW=1mA 使用恒壓降模型得：VD=0.7V， 使用折線模型得：)(686. 02 .

17、 05 . 0931. 02 . 0105 . 010VIUmAIDDD(2) VDD=1V 使用理想模型得：VD=0V， ID= VDD/R=0.1mA 使用恒壓降模型得：VD=0.7V， ID= （VDD0.7）/R=0.03mA 使用折線模型得 ID=0.049mA，VD=0.51V 例例2：已知電路，二極管導(dǎo)通電壓：已知電路，二極管導(dǎo)通電壓UD=0.7V，UT=26mV,ui為有效值為有效值20mV，頻率，頻率f=1kHZ有正弦波，則有正弦波，則輸入交流電流的有效值約為多少？輸入交流電流的有效值約為多少？解：求動(dòng)態(tài)電阻。先求靜點(diǎn)解：求動(dòng)態(tài)電阻。先求靜點(diǎn)Q的直流電流的直流電流mARUVI

18、DD6 .2W10DTdIUr求交流電流。（直流為零）求交流電流。（直流為零）mArURUIdiii04.2基本應(yīng)用電路基本應(yīng)用電路1.1.整流電路整流電路整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，半波整流半波整流e2E2miD整流電路中的二極管是作為整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦?。開關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦浴?20Ve2iDuLUdc0.45U2uL全波整流全波整流220VuLioRLe2e2-+-+e2uLUdc0.9U22.二極管電路的限幅電路3.二極管開關(guān)電路一二極管開關(guān)電路如圖所示。當(dāng)vI1和vI2為0V或5V時(shí)，求vI1和v

19、I2的值不同組合情況下，輸出電壓vO的值。設(shè)二極管是理想的。4.集成運(yùn)放輸入端保護(hù)電路集成運(yùn)放輸入端保護(hù)電路3.3 特殊二極管一、穩(wěn)壓二極管 應(yīng)用在反向擊穿區(qū)（雪崩擊穿和齊納擊穿）（一）符號(hào)、伏安特性 和典型應(yīng)用電路(a)(a)符號(hào)1、 利用利用PN結(jié)反向擊穿的特性，可以制成穩(wěn)壓二極管。結(jié)反向擊穿的特性，可以制成穩(wěn)壓二極管。I（mA)正向電流IfU（V）正向正向0.6反向擊穿電壓反向擊穿電壓UZ正向?qū)妷赫驅(qū)妷篣D0擊穿擊穿電流IRPN結(jié)結(jié)V-A特性特性 曲線曲線IU電路符號(hào)電路符號(hào)(b)(b) 伏安特性(c)應(yīng)用電路RL穩(wěn)壓原理：（1）UI變化，負(fù)載不變UI上升UO上升Uz上升Iz上升IR=Iz+IL上升UR=IRR上升UO下降（2）輸入不變，負(fù)載波動(dòng)RL下降IL（IR）上升UO下降（Uz）Iz下降IR=Iz+IL下降UR=IRR下降UO上升3、限幅電路、限幅電路2、限流電阻取值、限流電阻取值(min)(max)(max)(min)LZMOILZOIIIUURIIUUn1）、穩(wěn)定電壓UZ：穩(wěn)壓管擊穿后電流變化很大。而電壓基本不變的電壓。不同的穩(wěn)壓管有不同的穩(wěn)定電壓。n2）、動(dòng)態(tài)電阻rzn3）、最大穩(wěn)定電流 IZM，由最大耗散功率和穩(wěn)定電壓決定。n4）、最大耗散功率 PZM，工作時(shí)的功率PZ=IZUZn5）、溫度系數(shù)；衡量由于溫度變化而使穩(wěn)定電壓UZ變化的參數(shù)。 一般U