第2章二極管及基本電路

3半導(dǎo)體二極管

及其基本電路3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)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3.2PN結(jié)的形成及特性23.1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)體半導(dǎo)體:導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。導(dǎo)電的重要特點(diǎn)1、其能力容易受環(huán)境因素影響（溫度、光照等）2、摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力33.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型—完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。3.1.3本征半導(dǎo)體在T=0K和無(wú)外界激發(fā)時(shí)，沒(méi)有載流子，不導(dǎo)電兩個(gè)價(jià)電子的共價(jià)鍵正離子核4

3.1.3本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用溫度光照自由電子空穴本征激發(fā)空穴

——共價(jià)鍵中的空位空穴的移動(dòng)——空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由熱激發(fā)或光照而產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)。溫度

載流子濃度＋5空穴的移動(dòng)—空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的 價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)1：其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響

溫度↑→載流子濃度↑→導(dǎo)電能力↑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）P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）自由電子＝多子空穴＝少子空穴＝多子自由電子＝少子由熱激發(fā)形成它主要由雜質(zhì)原子提供空間電荷7

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=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

。

2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8本征半導(dǎo)體、本征激發(fā)本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子空穴N型半導(dǎo)體、施主雜質(zhì)(5價(jià))P型半導(dǎo)體、受主雜質(zhì)(3價(jià))多數(shù)載流子、少數(shù)載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體復(fù)合*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)1： 其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響 溫度↑→載流子濃度↑→導(dǎo)電能力↑*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)2：摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力93.2PN結(jié)的形成及特性

3.2.1PN結(jié)的形成

3.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

*

3.2.3PN結(jié)的反向擊穿

3.2.4PN結(jié)的電容效應(yīng)103.2.1PN結(jié)的形成1.濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2.擴(kuò)散空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)3.內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)

阻止多子的擴(kuò)散4、擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡載流子的運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)——濃度差產(chǎn)生的載流子移動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)——在電場(chǎng)作用下，載流子的移動(dòng)P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散：空穴電子漂移：電子空穴形成過(guò)程可分成4步(動(dòng)畫(huà))內(nèi)電場(chǎng)11PN結(jié)形成的物理過(guò)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。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)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(chēng)為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱(chēng)耗盡層。擴(kuò)散>漂移否是寬123.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r(shí)才…擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡將…定義：加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏擴(kuò)散>漂移大的正向擴(kuò)散電流（多子）低電阻正向?qū)ㄆ?gt;擴(kuò)散很小的反向漂移電流（少子）高電阻反向截止133.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)特性描述2、PN結(jié)方程PN結(jié)的伏安特性陡峭電阻小正向?qū)?、PN結(jié)的伏安特性特性平坦反向截止一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的非線性其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）近似估算正向：反向：143.2.3PN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(chēng)為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿p66電擊穿——可逆153.2.4PN結(jié)的電容效應(yīng)

(1)勢(shì)壘電容CB勢(shì)壘電容示意圖擴(kuò)散電容示意圖(2)擴(kuò)散電容CD163.3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)PN結(jié)加上引線和封裝二極管按結(jié)構(gòu)分類(lèi)點(diǎn)接觸型面接觸型平面型17半導(dǎo)體二極管圖片點(diǎn)接觸型面接觸型平面型183.3.2二極管的伏安特性3.PN結(jié)方程（近似）硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）注意1.死區(qū)電壓（門(mén)坎電壓）2.反向飽和電流 硅：0.1A；鍺：10A193.3.3二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)極間電容CB硅二極管2CP10的V-I特性從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向?qū)щ娦?.

伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線增大1倍/10℃212.4二極管基本電路及其分析方法

2.4.1二極管V-I特性的建模

2.4.2應(yīng)用舉例5、應(yīng)用電路分析舉例2、二極管狀態(tài)判斷1、二極管電路的分析概述3、圖解分析法4、等效電路（模型）分析法講課思路：三、二極管的等效電路理想二極管近似分析中最常用理想開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)UD＝0截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)UD＝Uon截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！1.將伏安特性折線化2.微變等效電路(小信號(hào)模型)Q越高，rd越小。

當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流常溫下（T=300K）24

5、應(yīng)用電路分析舉例例5:（例3.4.1）求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V時(shí)（b）VDD=1V時(shí)VDD理想模型恒壓模型折線模型理想模型恒壓模型折線模型25

1、二極管電路的分析概述應(yīng)用電路舉例例3.4.2（習(xí)題3.4.12）習(xí)題3.4.5整流 限幅習(xí)題3.4.6初步分析——依據(jù)二極管的單向?qū)щ娦訢導(dǎo)通：vO=vI-vDD截止：vO=0D導(dǎo)通：vO=vDD截止：vO=vI左圖中圖顯然，vO與

vI的關(guān)系由D的狀態(tài)決定而且，D處于反向截止時(shí)最簡(jiǎn)單！26分析思路分析任務(wù)：求vD、iD目的1:確定電路功能，即信號(hào)vI傳遞到vO

，有何變化？目的2:判斷二極管D是否安全。首先，判斷D的狀態(tài)？若D反向截止，則相當(dāng)于開(kāi)路（iD

0，ROFF∞）；若D正向?qū)?，則？正向?qū)ǚ治龇椒ǎ簣D解法等效電路（模型）法——將非線性線性先靜態(tài)（直流），后動(dòng)態(tài)（交流）靜態(tài)：vI=0（正弦波過(guò)0點(diǎn)）動(dòng)態(tài)：vI

01、二極管電路的分析概述27

2、二極管狀態(tài)判斷例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向擊穿iD=

？vD=

？二極管狀態(tài)判斷方法假設(shè)D截止(開(kāi)路)，求D兩端開(kāi)路電壓普通：熱擊穿－損壞齊納：電擊穿VD=-VBR=-40VVD>0VD正向?qū)ǎ?VBR<VD0VD反向截止,ID=0VD-VBRD反向擊穿,VD=-VBRD正向?qū)ǎ緿正向?qū)ǎ?8

例2：一二極管開(kāi)關(guān)電路如圖所示。當(dāng)V1和V2為0V或5V時(shí)，求V1和V2的值不同組合情況下，輸出電壓0的值。設(shè)二極管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-29

解：(1)當(dāng)V1=0V,V2=5V時(shí),D1為正向偏置，

V0=0V,此時(shí)D2的陰極電位為5V，陽(yáng)極為0V，處于反向偏置，故D2截止。(2)以此類(lèi)推，將V1和V2的其余三種組合及輸出電壓列于下表：

V1

V2

D1

D2

V0

0V

0V導(dǎo)通導(dǎo)通

0V

0V

5V導(dǎo)通截止

0V

5V

0V截止導(dǎo)通

0V

5V

5V截止截止

5V30習(xí)題3.4.6試判斷圖題3.4.6中二極管導(dǎo)通還是截止，為什么?圖題3.4.6(a)例3:習(xí)題3.4.5電路如下圖所示，判斷D的狀態(tài)2、二極管狀態(tài)判斷31例3:已知伏安特性,求VD、ID。

3、圖解分析法例1(a)圖線性線性:vD=

VI-iDR非線性:非線性聯(lián)立求解，可得VD、ID圖解法直線與伏安特性的交點(diǎn)圖解法關(guān)鍵——畫(huà)直線又稱(chēng)為負(fù)載線vD=

0iD=

VI/R=1mAvD=

1ViD=(VI-vD)/R=0.9mA靜態(tài)工作點(diǎn)QVD0.7VID0.95mA解32例4:已知伏安特性,求vD、iD。例3:已知伏安特性,求VD、ID。3、圖解分析法VI=

10Vvi=

1Vsint先靜態(tài)分析－直流負(fù)載線:再動(dòng)態(tài)分析－交流負(fù)載線:vD=

VI+vi-iDRVD0.7VID0.95mAiD=ID+DiD

=0.95mA+0.1mAsintvD=VD+DvD0.7V

33iD=ID+DiDvD=VD+DvD

VI=

10V，vi=

1VsintVD0.7VID0.95mA靜態(tài)分析ui=0動(dòng)態(tài)分析VI=0疊加原理例4:已知伏安特性,求vD、iD。3、圖解分析法34VI=

10V，vi=

1Vsint例4:已知伏安特性,求vD、iD。5、應(yīng)用電路分析舉例iD=ID+DiD=0.95mA+0.1mAsintvD=VD+DvD0.7V

靜態(tài)分析vi=0疊加原理動(dòng)態(tài)分析VI=0小信號(hào)模型(小信號(hào)等效電路)355、應(yīng)用電路分析舉例例7:(小信號(hào)分析)例4中求vD、iD。VI=

10V，vi=

1Vsint解題步驟:(1)靜態(tài)分析(令vi=0）由恒壓降模型得VD0.7V;ID0.93mA(2)動(dòng)態(tài)分析(令VI=0）由小信號(hào)模型得36分析方法小結(jié)3.4二極管基本電路及其分析方法假設(shè)D截止（開(kāi)路）求D兩端開(kāi)路電壓VD