電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)康華光03 半導(dǎo)體二極管及其基本電路

3二極管及其基本電路3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)3.3二極管3.4二極管的基本電路及其分析方法3.5特殊二極管3.2PN結(jié)的形成及特性13.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

3.1.1半導(dǎo)體材料

3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

3.1.3本征半導(dǎo)體

3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體2

3.1.1半導(dǎo)體材料根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs和一些硫化物、氧化物等。半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體材料多以晶體的形式存在。3

3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子（束縛電子）。+4+4+4+4價(jià)電子4

3.1.3本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。在絕對(duì)0度和沒有外界激發(fā)時(shí)，價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。+4+4+4+4價(jià)電子5

3.1.3本征半導(dǎo)體當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)（也稱熱激發(fā)）。但常溫下，通過本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。+4+4+4+4價(jià)電子6價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。價(jià)電子自由電子+4+4+4+4空穴7+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。8本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流(1)自由電子作定向運(yùn)動(dòng)電子電流(2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流注意：溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。

自由電子和空穴都是載流子。

自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。9半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性（本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差）摻雜性:

往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯增強(qiáng)。(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性:

當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化

。(可做成各種光敏元件)熱敏性:

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)。（可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)10

3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。在常溫下，本征半導(dǎo)體的兩種載流子數(shù)量還是極少的，其導(dǎo)電能力相當(dāng)?shù)汀Ｔ诒菊靼雽?dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)元素，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力將大大提高。11

1.N型半導(dǎo)體（摻入五價(jià)元素）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,

由本征激發(fā)形成。

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為N型半導(dǎo)體（電子半導(dǎo)體）。施主雜質(zhì)122.P型半導(dǎo)體（摻入三價(jià)元素）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，由本征激發(fā)形成。摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為P型半導(dǎo)體(空穴半導(dǎo)體)。

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴雜質(zhì)半導(dǎo)體對(duì)外是否顯電性？受主雜質(zhì)13摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.45×1010/cm32本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

1以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3。

3摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；摻入雜質(zhì)后，導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。141.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量主要與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量主要與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba思考題：153.2PN結(jié)的形成及特性

3.2.1

PN結(jié)的形成

3.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

3.2.3

PN結(jié)的反向擊穿

3.2.4

PN結(jié)的電容效應(yīng)16不論是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體，都只能看做是一般的導(dǎo)電材料，不具有半導(dǎo)體器件的任何特點(diǎn)。半導(dǎo)體器件的核心是PN結(jié)，是采取一定的工藝措施在一塊半導(dǎo)體基片的兩側(cè)分別制成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面上形成PN結(jié)。各種各樣的半導(dǎo)體器件都是以PN結(jié)為核心而制成的，正確認(rèn)識(shí)PN結(jié)是了解和運(yùn)用各種半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵所在。PN結(jié)17載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運(yùn)動(dòng)：

在電場(chǎng)作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：

由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。18

3.2.1PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)即PN結(jié)19

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)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)，由于缺少載流子，所以也稱耗盡層。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)20PN結(jié)21

3.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓，即：P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極，又稱為PN結(jié)正向偏置。PN結(jié)加反向電壓，即：P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接電源正極，又稱為PN結(jié)反向偏置。22

3.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）P接正、N接負(fù)外電場(chǎng)IF內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向擴(kuò)散電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–232.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)P接負(fù)、N接正內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+24PN結(jié)變寬外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向漂移電流。IR–+PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向漂移電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）P接負(fù)、N接正反向漂移電流的大小是否與溫度有關(guān)？25PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，即正向?qū)?、反向截止?63.PN結(jié)V-I特性表達(dá)式其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）PN結(jié)的伏安特性27

3.2.3

PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，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——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆28

3.2.4

PN結(jié)的電容效應(yīng)

1.勢(shì)壘電容CB勢(shì)壘電容示意圖292.擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖303.3半導(dǎo)體二極管

3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

3.3.2二極管的伏安特性

3.3.3二極管的參數(shù)31

3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)將PN結(jié)加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。表示符號(hào)：P區(qū)引出的線稱為陽極（正極），用“a”表示；N區(qū)引出的線稱為陰極（負(fù)極），用“k”表示。k陰極陽極aD按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型按材料分硅管鍺管按用途分普通管整流管…321.點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(a)點(diǎn)接觸型332.面接觸型二極管鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(b)面接觸型PN結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。343.平面型二極管陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(c)平面型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。35硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓VBR正向壓降VF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(diǎn)：非線性硅0.7V鍺0.2VvDiD死區(qū)電壓VthPN+–PN–+常溫下，反向電流很小

3.3.2二極管的伏安特性36硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性在工程實(shí)踐中，為什么硅二極管應(yīng)用得較普遍？硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管的反向電流一般在微安(uA)級(jí)。37二極管的單向?qū)щ娦?/p>

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）時(shí)，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。

2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰極接正）時(shí)，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。38

3.3.3二極管的參數(shù)1.最大整流電流IF2.反向擊穿電壓VBR二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。最高反向工作電壓VRM二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。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VBR的一半或三分之二。鍺二極管2AP15的V-I特性——選擇二極管的依據(jù)393.正向壓降VF鍺二極管2AP15的V-I特性門坎電壓：

硅管0.5V，鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降:硅管0.7V,鍺管0.2V。門坎電壓Vth溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VF大約減小2mV，即二極管具有負(fù)溫度系數(shù)。404.反向電流IR指二極管未擊穿時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睢?.極間電容CJCJ=CD+

CB溫度對(duì)二極管的性能有較大的影響，溫度升高時(shí)，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加。硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。413.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法423.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。43例：電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。

解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線

Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)，Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。44將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管V-I特性的簡化模型。

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.理想模型正向偏置時(shí)的電路模型反向偏置時(shí)的電路模型電源電壓遠(yuǎn)大于二極管正向壓降45定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止如何利用二極管理想模型分析電路？分析方法：

將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低。若V陽>V陰(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽<V陰(反向偏置)，二極管截止

理想狀況下，正向?qū)〞r(shí)，二極管可視作短路；

反向截止時(shí)，二極管可視作斷路。46例：電路如圖(a)所示，輸入電壓vs=18sintV,二極管是理想的，試畫出輸出電壓vO的波形。vs18V在這里，二極管起整流作用。470V0V5V0VVCC5VRD1vI1vI2vOD25V5V0V0V5V例：電路如圖，利用理想模型求解，當(dāng)vI1和vI2為0V或5

V時(shí)，求vI1和vI2的值各種組合情況下，輸出電壓vO的值。在這里，二極管用作開關(guān)元件。482.恒壓降模型正向管壓降硅管0.7V鍺管0.2ViD≈1mA或iD>1mA493.折線模型死區(qū)電壓硅管0.5V鍺管0.1V50理想模型（R=10k）（1）VDD=10V時(shí)恒壓降模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)例：電路如圖，R=10kΩ，二極管為硅二極管。分別用理想模型、恒壓降模型和折線模型求解，當(dāng)(1)VDD=10V，(2)VDD=1V時(shí)，ID和VD的值。

51恒壓降模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)理想模型（R=10k）（2）VDD=1V時(shí)52例：限幅電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vi=6sintV時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vo的波形。

理想模型uO-+DVREFuI-+RuO-+VREFuI-+R53恒壓模型uO-+VFVREFuI-+RuO-+DVREFuI-+RuO-+VFVREFuI-+R544.小信號(hào)模型vs=0時(shí),Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時(shí)（Vm<<VDD）,將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)作一條直線，得到小信號(hào)模型。55二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）特別注意：

小信號(hào)模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。

56如何利用二極管小信號(hào)模型分析電路？1、判斷二極管是否工作于正向?qū)顟B(tài)；2、分析電路的靜態(tài)工作情況，求得靜態(tài)工作點(diǎn)Q；3、根據(jù)靜態(tài)工作點(diǎn)Q計(jì)算出微變電阻rd；4、根據(jù)小信號(hào)模型的交流通路，計(jì)算出交流小信號(hào)作用下電路的交流電壓、電流；5、將交流量與靜態(tài)直流量疊加，得到電壓、電流總量。57小信號(hào)工作情況分析例：圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。5859

直流通路、交流通路、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。二極管的用途：整流、限幅、開關(guān)、低電壓穩(wěn)壓、檢波、鉗位、隔離、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)取?03.5特殊二極管

3.5.1穩(wěn)壓二極管

3.5.2光電子器件1.光電二極管2.發(fā)光二極管613.5.1穩(wěn)壓二極管表示符號(hào)：穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管。它在電路中常實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓的作用。+-陰極陽極DZ621.伏安特性-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO1）正向特性：同普通二極管2）反向擊穿特性：a、反向擊穿特性曲線比普通二極管更陡一些，即較大的I較小的Vb、在一定的范圍內(nèi)，反向擊穿具有可逆性穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)，利用其反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。擊穿區(qū)-VZ0-IZT63-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZTQ2.簡化模型64(1)穩(wěn)定電壓VZ在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZT下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。(2)最大穩(wěn)定工作電流IZ(max)3.主要參數(shù)最小穩(wěn)定工作電流IZ(min)-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZT若I<Iz(min)，則不能穩(wěn)壓若I>Iz(max)，則穩(wěn)壓管會(huì)過熱損壞65(3)動(dòng)態(tài)電阻rZrZ=VZ/IZ(4)最大耗散功率

PZM(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ3.主要參數(shù)保證穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗PZM=VZIZmax-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZTQrZ越小，說明穩(wěn)壓管穩(wěn)壓特性越好664.穩(wěn)壓電路并聯(lián)式穩(wěn)壓電路當(dāng)電源波動(dòng)或負(fù)載電流的變化引起Vo變化時(shí)：VOVZVO

=VI-VRIZIR=(IZ+IO)VR

=IRR正常穩(wěn)壓時(shí)：

VO=VZ穩(wěn)壓條