第三章二極管及其基本電路

基本要求：

3、掌握二極管外特性、基本電路及分析方法、應(yīng)用；4、正確理解二極管工作原理、主要參數(shù)、使用方法；1、了解半導(dǎo)體材料的基本結(jié)構(gòu)及PN結(jié)的形成；第三章二極管及其基本電路

2、掌握以下基本概念：半導(dǎo)體材料的特點、空穴、多子、少子、擴散運動、漂移運動、PN結(jié)正偏、PN結(jié)反偏；5、掌握穩(wěn)壓管工作原理及使用；第三章半導(dǎo)體二極管及其基本電路

§3.1半導(dǎo)體基本知識

§3.2PN結(jié)§3.4二極管基本電路及分析方法

§3.5特殊二極管

§3.3半導(dǎo)體二極管§3.1半導(dǎo)體基本知識

半導(dǎo)體：現(xiàn)代電子中非常重要的組成部分

3.1.1半導(dǎo)體材料

3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

3.1.3本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電作用

3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

3.1.5名詞

半導(dǎo)體器件特點：體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、功率轉(zhuǎn)換效率高。

3.1.1半導(dǎo)體材料

按電阻率不同，物質(zhì)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體

1、半導(dǎo)體特性

（1）熱敏性（3）摻雜特性（2）光敏性

2、為什么有三種特性？特殊的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)常見半導(dǎo)體材料：Si、Ge等元素半導(dǎo)體，應(yīng)用廣

GaAs等化合物半導(dǎo)體

§3.1半導(dǎo)體基本知識

硅單質(zhì)

硅芯片

3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

簡化模型最外層上的電子，決定了物質(zhì)的化學(xué)特性和導(dǎo)電性；Si硅原子Ge鍺原子

1、Si、Ge的原子結(jié)構(gòu)

價電子：§3.1半導(dǎo)體基本知識

慣性核

3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

2、共價鍵硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示慣性核§3.1半導(dǎo)體基本知識

3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

+4+4+4+4形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵的束縛。

2、共價鍵

§3.1半導(dǎo)體基本知識

束縛電子能獲得自由嗎？光敏、熱敏、摻雜特性金剛石晶體

3.1.3本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電作用

本征半導(dǎo)體：結(jié)構(gòu)完整，完全純凈的半導(dǎo)體載流子：能自由運動的帶電粒子

本征半導(dǎo)體自由電子

加熱或光照空穴1、載流子的產(chǎn)生

空穴：共價鍵中的空位§3.1半導(dǎo)體基本知識

3.1.3本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電作用

2、本征半導(dǎo)體特點

（1）T升高n升p升（2）n=p

3、載流子的運動無電場：無規(guī)則運動有電場：載流子定向運動§3.1半導(dǎo)體基本知識

3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。

N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）

P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體?！?.1半導(dǎo)體基本知識

1.N型半導(dǎo)體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)。多余電子硅原子SiPSiSi五價雜質(zhì)原子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硅(鍺)+磷N型半導(dǎo)體

3.1.4

雜質(zhì)半導(dǎo)體

2.P型半導(dǎo)體在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?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。因缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴?？昭⊿iSiSiB硅原子三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵硅(鍺)+硼P型半導(dǎo)體

3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++

3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體§3.1半導(dǎo)體基本知識

本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子、空穴

N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子、少數(shù)載流子§3.1半導(dǎo)體基本知識

§3.2PN結(jié)3.2.2PN結(jié)的形成

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

3.2.1載流子的漂移與擴散

3.2.1載流子的漂移與擴散

§3.2半導(dǎo)體基本知識

擴散運動漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動3.2.2PN結(jié)的形成1、PN結(jié)形成的物理過程

§3.2PN結(jié)1、PN結(jié)形成的物理過程

擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。3.2.2PN結(jié)的形成

§3.2PN結(jié)漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。1、PN結(jié)形成的物理過程

3.2.2PN結(jié)的形成

§3.2PN結(jié)

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)在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

3.2.2PN結(jié)的形成

§3.2PN結(jié)2、空間電荷區(qū)的幾個名稱及含義空間電荷區(qū)阻擋層PN結(jié)耗盡層:在空間電荷區(qū)，缺少多子勢壘區(qū)3.2.2PN結(jié)的形成

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++§3.2PN結(jié)PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況此時，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于小電阻，I反=I漂

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1、外加反向電壓§3.2PN結(jié)正偏:加正向電壓，外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位；反偏:加反向電壓，外加電壓使PN結(jié)中N區(qū)的電位高于P區(qū)的電位；3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

2、外加正向電壓

此時，PN結(jié)相當(dāng)于小電阻

I正=I擴

PN結(jié)正偏導(dǎo)通PN結(jié)加正向電壓時情況§3.2PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；結(jié)論：單向?qū)щ娦?/p>

加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

§3.2PN結(jié)§3.3半導(dǎo)體二極管

3.3.1結(jié)構(gòu)與符號在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三類。(3)平面型二極管(2)面接觸型二極管常用于集成電路制造藝中。

PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。§3.3半導(dǎo)體二極管3.3.1結(jié)構(gòu)與符號

（4）二極管的代表符號§3.3半導(dǎo)體二極管3.3.1結(jié)構(gòu)與符號

3.3.2伏安特性（1）理想模型二極管方程

PN結(jié)理想特性伏安特性曲線表示式（2）實際特性

正向特性反向特性反向擊穿特性§3.3半導(dǎo)體二極管（1）最大整流電流IF3.3.3二極管參數(shù)（2）反向擊穿電壓VBR（3）反向電流IR

3.3.4極間電容3.3.5二極管選擇3.3.6二極管型號、命名§3.3半導(dǎo)體二極管§3.4二極管基本電路及分析方法

3.4.1二極管模型

3.4.2應(yīng)用電路分析

3.4.1半導(dǎo)體二極管等效模型：一、理想模型：理想二極管(vD

＞0)二極管導(dǎo)通VF

=0r=0開關(guān)閉合(vD

<0)二極管截止iD

=0r=∞開關(guān)斷開§3.4

二極管基本電路及其分析方法二、恒壓降模型：(vD

＞VF)二極管導(dǎo)通vD

=VFr=0開關(guān)閉合(vD

<VF)二極管截止iD

=0r=∞開關(guān)斷開

三.折線模型§3.4二極管基本電路及分析方法四、小信號模型:二極管工作在正向特性的某個小范圍內(nèi)，等效為一小電阻：常溫下，（T=300K）

3.4.2應(yīng)用舉例

1.二極管的靜態(tài)工作情況分析理想模型§3.4二極管基本電路及分析方法

（硅二極管典型值）

3.4.2應(yīng)用舉例

1.二極管的靜態(tài)工作情況分析§3.4二極管基本電路及分析方法

恒壓模型（硅二極管典型值）設(shè)

3.4.2應(yīng)用舉例

1.二極管的靜態(tài)工作情況分析§3.4二極管基本電路及分析方法

折線模型RLuiuOuiuott

3.4.2應(yīng)用舉例

2.整流電路§3.4二極管基本電路及分析方法

3.4.2應(yīng)用舉例

3.限幅電路§3.4二極管基本電路及分析方法

3.4.2應(yīng)用舉例

3.限幅電路§3.4二極管基本電路及分析方法

3.4.2應(yīng)用舉例

4.開關(guān)電路§3.4二極管基本電路及分析方法

3.4.2應(yīng)用舉例

4.開關(guān)電路§3.4二極管基本電路及分析方法

D1：陽極0V，陰極-12V

D2：陽極-15V，陰極-12V

D1導(dǎo)通，D2截止，Vo=0V

3.4.2應(yīng)用舉例

5電路分析舉例1§3.4二極管基本電路及分析方法

V1：陽極0V，陰極-3V

V2：陽極-6V，陰極-3V

3.4.2應(yīng)用舉例

5電路分析舉例2§3.4二極管基本電路及分析方法

V1：陽極3V，陰極0V

V2：陽極3V，陰極-2V

V2先導(dǎo)通

V1：陽極3V，陰極5V

3.4.2應(yīng)用舉例

5電路分析舉例2§3.4二極管基本電路及分析方法

V1：陽極6V，陰極0V

V2：陽極0V，陰極0V

V1先導(dǎo)通

V2：陽極6V，陰極6V*（1+2）/（4+1+2）§3.5特殊二極管

3.5.1穩(wěn)壓二極管

3.5.2變?nèi)荻O管

3.5.3光電子器件

1.光電二極管

2.發(fā)光二極管

3.激光二極管

1.符號及穩(wěn)壓特性(a)符號(b)伏安特性

3.5.1穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。電路增量很大，只引起很小的電壓變化

(1)穩(wěn)定電壓VZ

(2)動態(tài)電阻rZ

=VZ/IZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。

(3)最大耗散功率

PZM

(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax

和最小穩(wěn)定工作電流IZmin

(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ

2.主要參數(shù)

3.5.1穩(wěn)壓二極管正常穩(wěn)壓時

VO=VZ穩(wěn)壓條件IZmin

≤IZ≤IZmax

3.穩(wěn)壓電路

3.5.1穩(wěn)壓二極管

3.5.2變?nèi)荻O管二極管結(jié)電容的大小除了與本身結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。不同型號的管子，其電容最大值可能是5-300pF。最大電容與最小電容之比約為5:1。變?nèi)荻O管在高頻技術(shù)中應(yīng)用較多。結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小，這種效應(yīng)顯著的二極管稱為變?nèi)荻O管。

3.5.3光電子器件

1.光電二極管可用來作為光的測量，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光電二極管的結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管類似，但在它的PN結(jié)處，通過管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照。這種器件的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運行，它的反向電流隨光照強度的增加而上升。光電二極管光電子系統(tǒng)的電子器件。其反向電流與照度成正比。

特點：

抗干擾能力強，傳輸信息量大、傳輸損耗小且工作可靠。在信號傳輸和存儲等環(huán)節(jié)中多用。

3.5.3光電子器件

1.光電二極管PIN光電二極管組件FC型光電二極管新型表面貼裝PIN光電二極管

當(dāng)這種管子通以電流時將發(fā)出光來，這是由于電子與空穴直接復(fù)合而放出能量的結(jié)果。

3.5.3光電子器件

2發(fā)光二極管含有發(fā)光二極管的織物發(fā)光二極管點式LED字段式LED點陣式LED光柱式LED黑白液晶顯示屏彩色液晶顯示屏各種液晶顯示器

3.5.3光電子器件

3.激光二極管905nm70WTO9封裝脈沖激光二極管光學(xué)準(zhǔn)直高功率激光二極管主要應(yīng)用于小功率光電設(shè)備中。如：光盤驅(qū)動器和激光打印機的打印頭等。

激光二極管思考題：１電路中，Ｄ１－－Ｄ3為理想二極管，Ａ、Ｂ、Ｃ燈泡全同，則最亮的燈為哪個？２Ｄ１、Ｄ２為理想二極管，Ｒ＝６Ω

，當(dāng)用普通指針式萬用表置Ｒ×１Ω檔，用黑表筆接Ａ，紅表筆接Ｂ，則萬用表指示值為多少？1.兩個穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值分別為6V、7V且它們的正向?qū)▔航禐?.6V。則兩管串聯(lián)時可能有幾種輸出電壓。兩管并聯(lián)時又可能有幾種輸出電壓。思考題:2.穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ＝6V，穩(wěn)定電流的最小值IZmin＝5mA。求電路中UO1和UO2?3.電路如圖（a）、（b）所示，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ＝3V，R的取值合適，uI的波形如圖（c）所示。試分別畫出uO1和uO2的波形。

習(xí)題

*2.4.3二極管電路如圖1所示，試判斷圖中的二極管是導(dǎo)通還是截止，