第1章 二極管及其基本電路

了解半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電機理及特性，理解PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?，掌握二極管的外特性及主要參數(shù)，掌握二電路的分析方法。

重點：

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?、二極管的伏安特性及主要參數(shù)。難點：

PN結(jié)的形成，二極管電路分析。半導(dǎo)體的基本知識、PN結(jié)的形成和特性，二極管的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)、其他類型的二極管、二極管整流電路及二極管應(yīng)用電路分析。教學(xué)要求主要內(nèi)容難點重點第1章二極管及其基本電路1.3二極管及其參數(shù)1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.4二極管應(yīng)用電路1.2PN結(jié)的形成及特性第1章二極管及其基本電路1.1.1半導(dǎo)體材料

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。

導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。

絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導(dǎo)電。1.1

半導(dǎo)體的基本知識

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，物質(zhì)可以劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體分類：①元素半導(dǎo)體：硅Si和鍺Ge；②化合物半導(dǎo)體：砷化鎵GaAs等半導(dǎo)體特點：①受外界光和熱的激勵時，導(dǎo)電能力發(fā)生顯著變化；②在純凈的半導(dǎo)體中加入微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力顯著增加。原因是？將硅或鍺材料提純便形成單晶體共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為價電子。半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。常溫下價電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少。在T=0K和沒有外界激發(fā)時，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。硅晶體的空間排列+4+4+4+4共價鍵價電子1.1

半導(dǎo)體的基本知識1.1.2本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。+4+4+4+4原子因失掉一個價電子而帶正電，或者說空穴帶正電。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)?？梢姳菊骷ぐl(fā)同時產(chǎn)生電子-空穴對。1.1.3本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子自由電子：溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子。空穴：自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。1.1

半導(dǎo)體的基本知識空穴能運動嗎？空穴的運動方向與自由電子的運動方向相反本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理動畫空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。T↑1.1

半導(dǎo)體的基本知識1.1.3本征半導(dǎo)體中的兩種載流子1.1

半導(dǎo)體的基本知識在一定的溫度下，本征導(dǎo)體中的載流子濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。溫度越高載流子濃度升高，導(dǎo)電能力增強，反之導(dǎo)電能力減弱。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差，且與溫度密切相關(guān)，根據(jù)這種特性，半導(dǎo)體可以用來作熱敏和光敏器件。1.1

半導(dǎo)體的基本知識1.1.3本征半導(dǎo)體中的兩種載流子

通過擴散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。按摻入的雜質(zhì)元素不同，可形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體；控制摻入雜質(zhì)元素的濃度，就可以控制雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。

N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。（Negative負(fù)的字頭）P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。（Positive正的字頭)1.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1

半導(dǎo)體的基本知識

1.N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。+5自由電子

N型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)施主雜質(zhì)1.1

半導(dǎo)體的基本知識1.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

2.P型半導(dǎo)體空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空位，即形成一個空穴。空穴受主雜質(zhì)+3P型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)1.1

半導(dǎo)體的基本知識1.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體a.摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。b.雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。如：T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:n=p=1.4×1010/cm3，摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:n=5×1016/cm3，本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

，以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。c.雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。(a)N型半導(dǎo)體(b)P型半導(dǎo)體

3.雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的簡化表示1.1

半導(dǎo)體的基本知識1.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體什么是漂移運動？1.2.1漂移運動與擴散運動1.2

PN結(jié)的形成及特性由電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。什么是擴散運動？由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。內(nèi)電場Uho阻擋層空間電荷區(qū)PNP區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。（1）擴散運動PN（2）空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場（3）動態(tài)平衡-PN結(jié)形成1.2.2PN結(jié)的形成

物質(zhì)總是由濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的一側(cè)留下負(fù)離子、靠近接觸面N區(qū)的一鍘留下負(fù)離子，形成空間電荷區(qū)。1.2

PN結(jié)的形成及特性

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)1.2.2PN結(jié)的形成

對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。1.2

PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的形成動畫1.2

PN結(jié)的形成及特性當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。外電場方向內(nèi)電場方向耗盡層VRIPN1.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦钥臻g電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大的正向電流。在PN結(jié)加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻R。1.2

PN結(jié)的形成及特性（1）PN結(jié)外加正向電壓（正偏）（2）PN結(jié)外加反向電壓(反偏)耗盡層PN外電場方向內(nèi)電場方向VRIS反向接法時，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強了內(nèi)電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬。不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產(chǎn)生反向電流IS

；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。反向電流又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感，隨著溫度升高，IS

將急劇增大。1.2

PN結(jié)的形成及特性1.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦訮N結(jié)的單向?qū)щ妱赢?.2

PN結(jié)的形成及特性

(3)PN結(jié)V-I特性表達式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）1.2

PN結(jié)的形成及特性1.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦詾槭裁磳⒆匀唤鐚?dǎo)電性能中等的半導(dǎo)體材料制成本征半導(dǎo)體，導(dǎo)電性能極差，又將其摻雜，改善導(dǎo)電性能？為什么半導(dǎo)體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？為什么半導(dǎo)體器件有最高工作頻率？問題1.2

PN結(jié)的形成及特性在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個半導(dǎo)體二極管。半導(dǎo)休二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型。

1.3

半導(dǎo)體二極管1.3.1二極管的結(jié)構(gòu)小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管（1）點接觸型二極管(a)點接觸型

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。（2）面接觸型二極管(b)面接觸型PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。1.3.1二極管的結(jié)構(gòu)

1.3

半導(dǎo)體二極管（3）平面型二極管(c)平面型（4）二極管的代表符號D往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。1.3.1二極管的結(jié)構(gòu)

1.3

半導(dǎo)體二極管604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性二極管的伏安特性二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。當(dāng)二極管的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆二極管的電流和溫升不斷增加，使PN結(jié)的發(fā)熱超過它的耗散功率。1.3.2二極管的伏安特性

1.3

半導(dǎo)體二極管硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。1.3.2二極管的伏安特性

1.3

半導(dǎo)體二極管(1)最大整流電流IF二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。(2)反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。1.3.3二極管的主要參數(shù)

1.3

半導(dǎo)體二極管1.3.4其他類型的二極管（1）伏安特性進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流

由一個PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。（2）主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ、穩(wěn)定電流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ動態(tài)電阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ

若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！限流電阻斜率？限流電阻斜率？進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流限流電阻斜率？不至于損壞的最大電流限流電阻斜率？1.穩(wěn)壓二極管

1.3

半導(dǎo)體二極管2.發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)(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(12)V符號u/Vi

/mAO2特性(2)發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠不可見光：紅外光1.3.4其他類型的二極管

1.3

半導(dǎo)體二極管(3)顯示類型：普通LED，點陣LED七段LED,2.發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.3.4其他類型的二極管

1.3

半導(dǎo)體二極管(3)顯示類型：普通LED，點陣LED七段LED,2.發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.3.4其他類型的二極管

1.3

半導(dǎo)體二極管(3)顯示類型：普通LED，點陣LED七段LED,2.發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.3.4其他類型的二極管

1.3

半導(dǎo)體二極管3.光電二極管符號和特性符號特性uiOE=200lxE=400lx工作原理：無光照時，與普通二極管一樣。有光照時，分布在第三、四象限。1.3.4其他類型的二極管

1.3

半導(dǎo)體二極管u1u2TD3D2D1D4RLuo電路圖結(jié)構(gòu)1.4.1單相橋式整流濾波電路1.4二極管應(yīng)用電路u2>0時D1,D4導(dǎo)通D2,D3截止電流通路:a

D1RLD4bu2<0時D2,D3導(dǎo)通D1,D4截止電流通路:bD2RLD4au2uoiLu2D3D2D1D4RLuoabiL單相橋式整流電路輸出電壓及負(fù)載電流波形。1.工作原理1.4.1單相橋式整流濾波電路1.4二極管應(yīng)用電路（一）整流電路紋波系數(shù)(1)平均整流電流(2)最大反向電壓3.整流元件參數(shù)的計算2.負(fù)載上的直流電壓VL和直流電流IL的計算1.4.1單相橋式整流濾波電路1.4二極管應(yīng)用電路經(jīng)過整流后的電源電壓雖然沒有交流變化成分，但其脈動較大，需要經(jīng)過濾波電路消除其脈動成分，使其更接近于直流。濾波的方法一般采用無源元件電容或電感，利用其對電壓、電流的儲能特性達到濾波的目的。常見濾波電路如下所示。（a）電容濾波電路（b）電感電容濾波電路（c）型濾波電路（二）濾波電路1.4二極管應(yīng)用電路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC當(dāng)RL接入時（假設(shè)RL是u2在從0上升時接入的）：u2tuot無濾波電容時的波形加入濾波電容時的波形1)電容濾波原理（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路u2上升,當(dāng)u2大于電容上的電壓uc，u2對電容充電，uo=ucu2u2下降，當(dāng)u2小于電容上的電壓uc時,二極管承受反向電壓而截止。電容C通過RL放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降，時間常數(shù)=RLCuotau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC1)電容濾波原理（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路uotRLC愈大C放電愈慢UO(平均值)愈大電容濾波電路的特點：RLC較大RLC較小RLC愈小C放電愈快UO(平均值)愈小UO平均值UO平均值au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC1)電容濾波原理（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路因為濾波的過程中含有正弦波、指數(shù)曲線及諧波成分，一般很難用精確的數(shù)學(xué)表達式進行計算，所以一般使用中多采用近似估算來確定其參數(shù)。輸出電壓可以近似看成鋸齒波，如圖所示。后按RLC放電的初始斜率線并令在T/2（T為正弦波周期）處為電容充放電轉(zhuǎn)換時的電壓值Uomin。則：設(shè)uc每次充電到峰值性下降，經(jīng)過τ=RLC放電結(jié)束交于橫軸；2)輸出電壓平均值（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路由相似三角形關(guān)系可得：則：即：為了獲得較好的濾波效果，應(yīng)使濾波電容滿足RLC=(3~5)T/2的條件。此時UO(AV)≈1.2U22)輸出電壓平均值（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路交流分量的基波的峰-峰值為（Uomax－Uomin）,則基波峰值為實際uo的波動沒有近似波形誤差大，故實際S比計算值要小。所以脈動系數(shù)為3)脈動系數(shù)S（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路iDtu2t二極管中的電流在未加濾波電路之前，無論是哪種整流電路中的二極管的導(dǎo)通角都為π。加濾波電容之后，只有電容充電時二極管才導(dǎo)通，因此每只二極管的導(dǎo)通角都小于π。RLC越大，濾波效果越好，而導(dǎo)通角越小，因此二極管中的電流是脈沖波。在濾波電路中，二極管中的最大整流平均電流IF通常選擇大于負(fù)載電流的2～3倍。4)整流二極管的導(dǎo)通角（二）濾波電路（只介紹電容濾波）1.4二極管應(yīng)用電路分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止1.4.2二極管電路分析舉例D6V12V3kBAUAB+–V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V在這里，二極管起鉗位作用。[例1]：電路如右圖，求：UAB解：取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。1.4二極管應(yīng)用電路V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1