章半導(dǎo)體二極管及其基本電路精

第1章半導(dǎo)體二極管及其基本電路半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體二極管二極管電路的分析方法1.4

半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.5

特殊二極管小

結(jié)1.1

半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體PN結(jié)半導(dǎo)體的特點(diǎn)熱敏性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度有關(guān)利用該特性可做成熱敏電阻光敏性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與光的照射有關(guān)系利用該特性可做成光敏電阻摻雜性：摻入有用的雜質(zhì)可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力利用該特性可做成半導(dǎo)體器件1.1.1

本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體—導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導(dǎo)體—純凈的半導(dǎo)體。如硅、鍺單晶體。1、半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型慣性核價(jià)電子(

電子)2、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)硅(鍺)的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵—相鄰原子共有價(jià)電子所形成的?？昭?、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電情況當(dāng)溫度為絕對零度以下時(shí)，該結(jié)構(gòu)為絕緣體在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的空穴可在共價(jià)鍵內(nèi)移動(dòng)成為電子，并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位(空穴)自由電子空穴本征激發(fā)：復(fù)

合：電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中相遇重新結(jié)對的過程。漂

移：電子和空穴在電場作用下的定向運(yùn)動(dòng)。在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的成為電子，并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位(空穴)的過程。載流子：運(yùn)動(dòng)的帶電粒子兩種載流子電子(

電子)空穴兩種載流子的運(yùn)動(dòng)電子(在共價(jià)鍵以外)的運(yùn)動(dòng)空穴(在共價(jià)鍵以內(nèi))的運(yùn)動(dòng)結(jié)論：本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。1.1.2

雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N

型半導(dǎo)體N

型+5+4+4+4+4+4磷原子電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)二、P

型半導(dǎo)體P

型+3+4+4+4+4硼原子+4空穴空穴

—

多子電子

—

少子載流子數(shù)

空穴數(shù)三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用IIPINI

=

IP

+

INN

型半導(dǎo)體I

INP

型半導(dǎo)體

I

IP四、P

型、N

型半導(dǎo)體的簡化圖示負(fù)離子少數(shù)載流子正離子少數(shù)載流子P

型：多數(shù)載流子N

型：多數(shù)載流子1.1.3 PN

結(jié)一、PN

結(jié)(PN

Junction)的形成1.載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散內(nèi)建電場2.復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)電場，電場的作用是阻礙多子的擴(kuò)散促進(jìn)少子產(chǎn)生漂移此時(shí)產(chǎn)生了兩種電流：擴(kuò)散電流和漂移電流3.繼續(xù)擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流等于漂移電流，總電流I=0。此時(shí)形成的空間電荷區(qū)域稱為PN結(jié)（耗盡層）二、PN

結(jié)的單向?qū)щ娦?.定性分析1）.

外加正向電壓(正向偏置)—

forward

biasP

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向PN

結(jié)移動(dòng),IF擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流IF

。I中F和=部I多分子離子I少使子空間I電多子荷區(qū)變窄P

區(qū)

N

區(qū)內(nèi)電場外電場限流電阻2）.外加反向電壓(反向偏置)—reverse

biasIR漂外移電運(yùn)場動(dòng)使加多強(qiáng)子形背成離反P向N電結(jié)流移I動(dòng)，PN

結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;反偏截止，電阻很大，電流近似為零。RIR

=I少子空0間電荷區(qū)變寬。2、定量估算I

IS

(e

T

1)u

/U反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量UT

=

26mV加正向電壓時(shí)加反向電壓時(shí)

i≈–ISqkTUT

當(dāng)T

=300(27C)：電子電量常數(shù)3、伏安特性O(shè)u

/VI

/mA反向擊穿正向特性1.2

半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型二極管的伏安特性二極管的主要參數(shù)1.2.1

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成：

PN

結(jié)

+引線

+

管殼=

二極管(Diode)符號：A

(anode)

C

(cathode)分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N

型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線面接觸型N型鍺PN

結(jié)正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極 負(fù)極引線 引線PNP

型支持襯底集成電路中平面型1.2.2

二極管的伏安特性一、PN

結(jié)的伏安方程iD

IS(euD

/

UT

1)反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量q

kTUT電子電量常數(shù)當(dāng)T

=300(27C)：UT

=

26

mV二、二極管的伏安特性O(shè)uD

/ViD

/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=

0(硅管)(鍺管)Uth

=0.5

V0.1

VU

UthDi

急劇上升0

U

UthUD(on)=(0.6

0.8)

V

硅管0.7

V(0.1

0.3)

V

鍺管0.2

V反向特性U(BR)反向擊穿U(BR)

U

0iD

=IS

<0.1

A(硅)幾十A

(鍺)反向電流急劇增大

(反向擊穿)U

<

U(BR)反向擊穿原因：擊穿：反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。(Zener) (擊穿電壓<4

V，負(fù)溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊使

電子數(shù)突增。(擊穿電壓>7

V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在4V、7

V

左右時(shí)，溫度特性較好。硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–

0.02–

0.040–25–50iD

/

mA0.4

0.8

uD

/

VuD

/

V0.4iD

/

mA15105–

50 –

25–0.01

0

0.2–0.02溫度對二極管特性的影響60402000.4–25–50iD

/

mAuD

/

V90C20C–

0.02T升高時(shí)，UD(on)以(2

2.5)

mV/C下降正向特性左移；T

升高時(shí)，IS

增大，反向特性下移。1.2.3

二極管的主要參數(shù)IF

—最大整流電流(最大正向平均電流)URM

—最高反向工作電壓，為U(BR)/2IR—反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?fM

—最高工作頻率(超過時(shí)單向?qū)щ娦宰儾?uDU

(BR)iDI

FURMO影響工作頻率的原因—PN

結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)論：低頻時(shí)，因結(jié)電容很小，對

PN

結(jié)影響很小。高頻時(shí)，因容抗增大，使結(jié)電容分流，導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾?。結(jié)面積小時(shí)結(jié)電容小，工作頻率高。1.3

二極管的模型1.3.1

理想二極管模型1.3.２二極管恒壓源模型1.3.３二極管的交流小信號模型1.3.1

理想二極管模型特性uDiD符號及等效模型SS正偏導(dǎo)通，uD

=0；反偏截止，iD

=0U(BR)

=

Du

=

UD(on)0.7

V

(Si)0.2

V

(Ge)1.3.1二極管的恒壓降模型d

UrI1.3.３二極管的交流小信號模型圖解法公式法：dTTI eu

/

uTDQUdIIdU

U

U

S

I

r

T

dr

UI注意：rd為交流電阻，與直流電阻RD不同。1.4

半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用

二極管在電路中有著廣泛的應(yīng)用，利用它的單向?qū)щ娦?，可組成整流、限幅、檢波電路，還可做保護(hù)元件以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。1.4.1

二極管在限幅電路中的應(yīng)用限幅電路分為串聯(lián)限幅電路、并聯(lián)限幅電路、并聯(lián)限幅電路和雙向限幅電路三種。1.串聯(lián)限幅電路+_uoVD+_uiER_+uD0uoEE+UonuiE0時(shí)傳輸特性電路組成ui

UmE+Uont0uoUm-UonEt0ui

UmtUon0t0uoUm-Uonui

Umtuo0E+Uont0EUm-UonE0時(shí)輸出波形E=0時(shí)輸出波形E0時(shí)輸出波形工作原理(b)

傳輸特性0uiuoE+UonE+Uon(a)

電路圖+_uoVD+_uiE2.并聯(lián)限幅電路R+u_D(c)

輸出波形tuoE+Uont00uiUmE+Uon3.雙向限幅電路0uiuoE1+UonE2Uon(b)

傳輸特性E1+UonE2Uon+_uo+_uiRVD1

VD2E1

E2(a)

電路圖uiUmtuot(c)

輸出波形E

+U1

on0E2UonE1+Uon0E2UonP17

例1-41.4.2

二極管在整流電路中的應(yīng)用1.單相半波整流電路tt00U2muou2U2mRL+_uo_u2a++u1_bVD

io

2.全波整流電路u2U2mt0t0uoU2mRL+uo_+_u1abu21_+ioVD1+u22cVD21.

5

特殊二極管穩(wěn)壓二極管光電二極管1.5.1

穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ

/mAZu

/VOUZ

IZminUZIZIZIZmax特性二、主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ流過規(guī)定電流時(shí)穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。越大穩(wěn)壓效果越好，小于IZmin

時(shí)不穩(wěn)壓。2.穩(wěn)定電流IZ3.最大工作電流IZM最大耗散功率PZMP

ZM

=UZ

IZM4.動(dòng)態(tài)電阻rZrZ

=UZ

/IZ

越小穩(wěn)壓效果越好。幾

幾十5.穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)

CT

100%UZTUZTC

UZ

<

4

V，CT

<

0

(為

擊穿)具有負(fù)溫度系數(shù)；UZ

>7

V，CT

>0

(為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4

V<UZ

<7

V，CT

很小。例

1.5.1

分析簡單穩(wěn)壓電路的工作原理，R

為限流電阻。UIUOR

IR

ILRLIZIR

=

IZ

+

ILUO=UI

–

IR

R限流電阻的選擇1.5.2

發(fā)光二極管與光敏二極管一、發(fā)光二極管LED

(Light

Emitting

Diode)1.符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十

mA，導(dǎo)通電壓(1

2)V符號u

/Vi

/mAO2特性2.主要參數(shù)電學(xué)參數(shù)：I

FM

，U(BR)，IR光學(xué)參數(shù)：峰值波長P，亮度L，光通量發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠不可見光：紅外光顯示類型：普通LED

，七段LED,點(diǎn)陣LED二、光敏二極管1．符號和特性符號2.主要參數(shù)電學(xué)參數(shù)：uiO暗電流E

=

200lxE

=

400lx特性工作條件：反向偏置暗電流，光電流，最高工作范圍光學(xué)參數(shù)：光譜范圍，靈敏度，峰值波長實(shí)物補(bǔ)充：選擇二極管限流電阻步驟：設(shè)定工作電壓UD(如0.7

V；2

V

(LED))確定工作電流ID(如1

mA；10

mA；5

mA)根據(jù)歐姆定律求電阻

R

=(UI

UD)/ID(R

要選擇標(biāo)稱值)小

結(jié)第

1

章一、兩種半導(dǎo)體和兩種載流子兩種載流

電子— 電子

兩

種子的運(yùn)動(dòng)

空穴

—

價(jià)電子半導(dǎo)體N

型(多電子)