模電 晶體二極管及應(yīng)用電路

緒論晶體二極管及應(yīng)用電路(3.5學(xué)時）晶體三極管及應(yīng)用電路場效應(yīng)管及基本放大電路放大電路的頻率響應(yīng)負(fù)反饋放大電路雙極型模擬集成電路雙極型模擬集成電路的分析與應(yīng)用MOS模擬集成電路（自學(xué)）直流穩(wěn)壓電源電路課程主要內(nèi)容部分半導(dǎo)體二極管圖片問題：二極管特性與電阻特性有何區(qū)別？二極管電阻是大還是?。慷O管具有怎樣的物理結(jié)構(gòu)？二極管有哪些類型？二極管有哪些典型應(yīng)用？主講:劉穎第二章晶體二極管及應(yīng)用電路2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.2晶體二極管2.3二極管主要應(yīng)用第二章晶體二極管及應(yīng)用電路2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.1.1半導(dǎo)體特性2.1.2本征半導(dǎo)體2.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體2.1.4PN結(jié)2.1.1半導(dǎo)體特性導(dǎo)體:導(dǎo)電率為105s.cm-1，量級，如金屬。（S:西門子)絕緣體:導(dǎo)電率為10-22～10-14s.cm-1量級，如：橡膠、云母、塑料等。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。如：硅、鍺、砷化鎵等。半導(dǎo)體:

半導(dǎo)體特性摻入雜質(zhì)則導(dǎo)電率增加幾百倍摻雜特性半導(dǎo)體元件溫度增加使導(dǎo)電率大為增加溫度特性熱敏元件光照不僅使導(dǎo)電率大為增加還可以產(chǎn)生電動勢光照特性光敏元件2.1.2本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。純度為99.9999999%，“九個9”；它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。常用的本征半導(dǎo)體+4晶體特征在晶體中，質(zhì)點的排列有一定的規(guī)律。硅（鍺）的原子結(jié)構(gòu)簡化模型價電子正離子注意：為了方便，原子結(jié)構(gòu)常用二維結(jié)構(gòu)描述，實際上是三維結(jié)構(gòu)。說明：硅原子有14個自由電子鍺原子有32個自由電子鍺晶體的共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)示意圖價帶中留下的空位稱為空穴導(dǎo)帶自由電子定向移動形成電子流本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵共價鍵內(nèi)的電子稱為束縛電子價帶禁帶EG外電場E束縛電子填補(bǔ)空穴的定向移動形成空穴流掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子2.1.2本征半導(dǎo)體高低2.本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子和空穴，它們是成對出現(xiàn)的。3.電子流和空穴流：在外電場的作用下，自由電子和空穴和的定向運(yùn)動產(chǎn)生電流，分別稱為電子流和空穴流電子流自由電子作定向運(yùn)動形成的；方向與外電場方向相反；自由電子始終在導(dǎo)帶內(nèi)運(yùn)動?？昭鲀r電子遞補(bǔ)空穴形成的；方向與外電場方向相同；始終在價帶內(nèi)運(yùn)動。

注意：本征半導(dǎo)體在熱力學(xué)零度（0K）和沒有外界能量激發(fā)下，晶體內(nèi)無自由電子，不導(dǎo)電。1.載流子:運(yùn)載電荷的粒子，如自由電子和空穴，統(tǒng)稱為載流子。本征半導(dǎo)體的載流子的濃度電子濃度

ni

:表示單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)空穴濃度pi:表示單位體積內(nèi)的空穴數(shù)。A0—

與材料有關(guān)的常數(shù)EG0—

禁帶寬度T—

絕對溫度k—

玻爾曼常數(shù)結(jié)論1.本征半導(dǎo)體中電子濃度ni=空穴濃度pi

2.載流子的濃度與T、EG0有關(guān)

了解

載流子的產(chǎn)生與復(fù)合載流子的產(chǎn)生率g：即每秒成對產(chǎn)生的電子空穴的濃度。載流子的復(fù)合率R：即每秒成對復(fù)合的電子空穴的濃度。當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時g=R

R=r

nipi

其中r—復(fù)合系數(shù)，與材料有關(guān)。2.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體特點：摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體。摻雜后半導(dǎo)體的導(dǎo)電率大為提高。

摻入的三價元素如B（硼）、Al（鋁）等，形成P型半導(dǎo)體，也稱空穴型半導(dǎo)體。

摻入的五價元素如P（磷）、砷等，形成N型半導(dǎo)體，也稱電子型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入的五價元素，如P。價帶導(dǎo)帶+++++++施主能級自由電子是多子（即多數(shù)載流子）空穴是少子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成由于五價元素很容易貢獻(xiàn)電子，因此將其稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)原子因提供自由電子而帶正電荷成為正離子。2.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入的三價元素如B。價帶導(dǎo)帶-------受主能級自由電子是少子空穴是多子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成因留下的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)。舉例：鍺原子密度為4.4×1022/cm3

，常溫下鍺本征半導(dǎo)ni=2.5×1013/cm3，若每104個鍺原子中摻入1個磷原子（摻雜密度為萬分之一），則在單位體積中就摻入了10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3個磷原子。則施主雜質(zhì)濃度為：ND=

4.4×1018/cm3（比ni大十萬多倍）雜質(zhì)半導(dǎo)體小結(jié)：載流子的濃度主要取決于多子（即雜質(zhì)）的濃度。盡管雜質(zhì)含量很少（如萬分之一），但提供的載流子數(shù)量仍遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子的數(shù)量。故使導(dǎo)電能力激增。半導(dǎo)體的摻雜、溫度等可人為控制。結(jié)論：在雜質(zhì)型半導(dǎo)體中，多子濃度比本征半導(dǎo)體的濃度大得多，而少子濃度比本征半導(dǎo)體的濃度小得多，但兩者乘積保持不變。其中：ni

表示本征材料中電子的濃度

pi

表示本征材料中空穴的濃度。n·p=ni·pi=ni2=C一、PN結(jié)的形成二、PN結(jié)的接觸電位差三、PN結(jié)的伏安特性四、PN結(jié)的反向擊穿特性五、PN結(jié)電容六、PN結(jié)的電致發(fā)光七、PN結(jié)的光電效應(yīng)2.1.4PN結(jié)概念：擴(kuò)散運(yùn)動：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。漂移運(yùn)動：載電流（自由電子和空穴）在電場力的作用下產(chǎn)生的定向移動，稱為漂移運(yùn)動。P區(qū)N區(qū)一、PN結(jié)的形成載流子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散,稱擴(kuò)散運(yùn)動形成的電流成為擴(kuò)散電流P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場內(nèi)電場阻礙多子向?qū)Ψ降臄U(kuò)散即阻礙擴(kuò)散運(yùn)動同時促進(jìn)少子向?qū)Ψ狡飘a(chǎn)生了漂移運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動=漂移運(yùn)動時達(dá)到動態(tài)平衡耗盡層P區(qū)N區(qū)空穴自由電子負(fù)離子正離子正離子區(qū)負(fù)離子區(qū)PN結(jié)U內(nèi)電場的建立，使PN結(jié)中產(chǎn)生了電位差

，從而形成接觸電位U。接觸電位U決定于材料及摻雜濃度二、PN結(jié)的接觸電位差硅：U≈0.7V鍺：U≈0.3V三、PN結(jié)的伏安特性1.PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況

原理：外電場方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。PN結(jié)正偏：外接電源E后，P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為外接正向電壓，也稱為正向偏置，簡稱正偏。內(nèi)外結(jié)論：PN結(jié)正偏時，呈現(xiàn)低阻性。2.PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況原理：外電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，增強(qiáng)內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流加大。此時PN結(jié)區(qū)少子漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流。PN結(jié)反偏：P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為外接反向電壓，也稱為反向偏置，簡稱反偏。內(nèi)外結(jié)論：PN結(jié)反偏時，呈現(xiàn)高阻性，近似為截止?fàn)顟B(tài)。問題：有必要加電阻R嗎？結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦訮N結(jié)兩端的電壓與流過PN結(jié)電流的關(guān)系式式中Is(反向)飽和電流;

UT=kT/q等效電壓

k波爾茲曼常數(shù)；q為電子的電量；

uD為PN結(jié)兩端的電壓；

iD為PN結(jié)的電流；當(dāng)T=300k（室溫）時，UT=26mv由半導(dǎo)體物理可推出：3.PN結(jié)電流方程(2)當(dāng)加反向電壓時(1)加正向電壓時(uD>>UT)PN結(jié)電流方程iDuD(UBR<uD<0)常溫時UT=26mViDuD反向擊穿概念PN結(jié)上所加的反向電壓達(dá)到某一數(shù)值時(

uD<UBR

）

，反向電流激增的現(xiàn)象。四、PN結(jié)的反向擊穿特性可逆擊穿不可逆擊穿擊穿類別雪崩擊穿當(dāng)反向電壓增高時，少子獲得能量高速運(yùn)動，在空間電荷區(qū)與原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生碰撞電離。形成連鎖反應(yīng)，象雪崩一樣。使反向電流激增。摻雜濃度小的二極管容易發(fā)生。齊納擊穿當(dāng)反向電壓較大時，強(qiáng)電場直接從共價鍵中將電子拉出來，形成大量載流子,使反向電流激增。摻雜濃度大的二極管容易發(fā)生。不可逆擊穿熱擊穿PN結(jié)的電流或電壓較大，使PN結(jié)耗散功率超過極限值，使結(jié)溫升高，導(dǎo)致PN結(jié)過熱而永久性損壞?？赡鎿舸舸┪?、PN結(jié)的電容PN結(jié)的電容效應(yīng)：PN結(jié)偏置電壓的變化將導(dǎo)致PN結(jié)空間電荷區(qū)的電荷數(shù)量及其兩側(cè)載流子的數(shù)目均發(fā)生變化，現(xiàn)象與電容相似。按照產(chǎn)生機(jī)理，有勢壘電容和擴(kuò)散電容。勢壘電容CB：當(dāng)外加電壓不同時，耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，與電容的充放電過程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容為勢壘電容。注意：PN結(jié)為反偏時較大V注意：勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容,并同時存在。外加電壓變化緩慢時可以忽略，但是變化較快時不容忽略。擴(kuò)散電容CD

外加電壓不同情況下，P、N區(qū)少子濃度的分布將發(fā)生變化，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電荷的積累與釋放過程與電容充放電過程相同，這種電容等效為擴(kuò)散電容。PN結(jié)的電致發(fā)光如果在PN結(jié)加正偏電壓UD，外電場將消弱內(nèi)建電場對載流子擴(kuò)散的阻擋作用。在外加電場滿足一定條件下，注入到耗盡區(qū)內(nèi)的電子和空穴通過輻射復(fù)合而產(chǎn)生光子的速率將大于材料對光子的吸收速率，從而在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生光增益。ED五、PN結(jié)的電致發(fā)光PNPN結(jié)用導(dǎo)線連接成回路時，載流子面臨PN結(jié)勢壘的阻擋，在回路中不產(chǎn)生電流。當(dāng)有光照射PN結(jié)材料上時，若光子能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度，則在PN結(jié)的耗盡區(qū)、P區(qū)、N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生光生的電子-空穴對，耗盡區(qū)內(nèi)的載流子在內(nèi)建場的作用下電子迅速移向N區(qū)，空穴移向P區(qū)，在回路內(nèi)容形成光電流，而P、N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光子無內(nèi)建電場的作用只進(jìn)行自由的擴(kuò)散運(yùn)動，多數(shù)因復(fù)合而消失，對光電流基本沒有貢獻(xiàn)。DEDDRLUDIP注意：為了充分利用在PN結(jié)各區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子，PN結(jié)需加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘骸Ｎ?、PN結(jié)的光電效應(yīng)2.2.1

二極管的結(jié)構(gòu)類型2.2.2二極管的伏安特性2.2.3二極管的等效電阻2.2.4二極管主要參數(shù)2.2.5二極管模型2.2.6特殊二極管2.2.7二極管應(yīng)用2.2晶體二極管2.2.1晶體二極管的結(jié)構(gòu)類型在PN結(jié)上加上封裝和引線，就成為晶體二極管，簡稱二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分點接觸型面接觸型平面型PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路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。二極管符號正極負(fù)極伏安特性：是指二極管兩端電壓和流過二極管電流之間的關(guān)系。由PN結(jié)電流方程求出理想的伏安特性曲線，iDOuD1.當(dāng)加正向電壓時PN結(jié)電流方程為：2.當(dāng)加反向電壓時i

隨u↑呈指數(shù)規(guī)率↑iD

≈-Is電流iD基本不變2.2.2晶體二極管的伏安特性+uD

-iD晶體二極管的伏安特性①正向起始部分存在一個死區(qū)或門坎，稱為門限電壓。硅：UR=0.5--0.6V;鍺：UR=0.1--0.2V。②加反向電壓時，反向電流很小即Is硅(nA)<Is鍺(A)

硅管比鍺管穩(wěn)定。③當(dāng)反壓增大UBR時再增加,反向電流激增,發(fā)生反向擊穿,UBR稱為反向擊穿電壓。實測伏安特性①②③材料門限電壓導(dǎo)通電壓Is/μA硅0.5～0.6V0.7V<0.1鍺0.1～0.2V0.3V幾十UBRUR溫度對二極管特性的影響溫度升高，開啟電壓UR減小，反向電流IS增大。非線性電阻用直流電阻

(也稱靜態(tài)電阻）和交流電阻（又稱動態(tài)電阻或微變電阻）來描述二極管的電阻特性。1.直流（靜態(tài)）電阻RD的計算方法定義二極管兩端的直流電壓與電流之比iDiDuDuDD2.2.3二極管的等效電阻UQIQ硅管UQ≥0.7V,鍺管UQ≥0.3V。直流電阻的求解方法：借助于靜態(tài)工作點Q（IQ，UQ）來求。iDEDDRLuD方法一：解析法列寫二極管電流方程和電路方程：解方程組，得到二極管靜態(tài)工作電流IQ和電壓UQ，二極管直流電阻為方法二：圖解法iDEDDRLuDiDuD在二極管特性曲線上繪制直流負(fù)載線，其中兩個坐標(biāo)點：uD=0iD=ED/RLiD=0uD=EDED/RLEDQIQUQ由靜態(tài)工作點Q點得IQ和UQ，從而求出直流電阻直流負(fù)載線與伏安特性曲線的交點由電路可列出方程：2.交流電阻rD的計算方法RLEDDuiiDQuDuDiD室溫（T=300K）下,UT=26mV。交流電阻：rD=26mV/IQ

(mA)定義：注意:交流電阻rD與其靜態(tài)工作點Q有關(guān)。說明：二極管正偏時，rD很小（幾至幾十歐姆）二極管反偏時，rD很大（幾十千至幾兆歐姆）。問題解答：電阻R的作用是限制回路電流，避免二極管電流過大而燒毀。結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦怨こ谭治龇椒ǎ汗瑁篣D≈0.7V鍺：UD≈0.3V2.2.4二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IF：指二極管長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓UBR：管子工作時所允許的最高反向電壓3.反向電流IR：二極管未擊穿時的反向電流，近似為IS。4.最高工作頻率

fM

：二極管工作的上限頻率。1.理想二極管模型特點：(1)正偏時導(dǎo)通，壓降為0V；(2)反偏時截止，反向電流為0。2.2.5二極管的模型應(yīng)用:(1)電路簡化定性分析;(2)大信號時電路的近似分析。2.折線二極管模型特點：(1)正偏電壓＞Uon時，導(dǎo)通；(2)反偏電壓＜Uon時，截止。應(yīng)用：工程計算。（Si管Uon

≈0.7V，Ge管0.3V)；說明：若忽略小電阻rD，則為恒壓降二極管模型。3.二極管交流模型當(dāng)二極管在正偏情況下，若疊加的交流為低頻小信號仍能保持二極管正偏，若忽略二極管結(jié)電容和體電阻，其等效模型就是一個交流電阻rD。2.2.6特殊二極管1.穩(wěn)壓二極管：是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管。穩(wěn)壓特性：在反向擊穿時，電流急劇增加而PN結(jié)兩端的電壓基本保持不變。正向部分與普通二極管相同。注意：穩(wěn)壓管工作區(qū)在反向擊穿區(qū)。特性參數(shù)：1)穩(wěn)定電壓UZ:反向擊穿電壓。2)穩(wěn)定電流Iz:穩(wěn)壓時的參考電流，變化范圍是（Izmin，Izmax)3)額定功率PZM:就是最大工作電流和穩(wěn)定電壓的乘積。4)動態(tài)電阻rZ:在穩(wěn)壓范圍內(nèi)，,

很小，一般十幾歐姆~幾十歐姆。穩(wěn)壓管使用方法：穩(wěn)壓二極管在穩(wěn)壓電路工作時應(yīng)反接,并串入一只電阻。穩(wěn)壓電路要求：輸入電壓ui

要求大于輸出電壓uo。穩(wěn)壓工作原理穩(wěn)壓工作原理電阻R的作用：(1)當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。(2)起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管。2.變?nèi)荻O管：主要利用PN結(jié)的勢壘電容CT隨外電壓U的變化而變化的特點制成的二極管。符號：注意：變?nèi)荻O管使用時應(yīng)加反向電壓。2)常用驅(qū)動電路：直流驅(qū)動電路交流驅(qū)動電路普通發(fā)光二極管紅外發(fā)光二極管……1)類型3)工作原理：利用PN結(jié)的電致發(fā)光原理。注意：發(fā)光二極管在加正向電壓時才發(fā)光。3.發(fā)光二極管:將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊半導(dǎo)體元件。符號4.光電二極管:有光照射時有電流產(chǎn)生的二極管。1)類型：PIN型、PN型、雪崩型2)結(jié)構(gòu)：和普通的二極管基本相同3)工作原理：PN結(jié)的光電效應(yīng)。DEDDRLIP注意：光電二極管通常在反壓狀態(tài)工作。肖特基二極管特點：（1）具有與PN結(jié)相似的伏安特性。（2）依靠一種載流子工作的器件（3）串聯(lián)電阻低。（4）正向?qū)妷汉头聪驌舸╇妷壕萈N結(jié)低。應(yīng)用：適用于高頻高速電路。結(jié)構(gòu)符號5.肖特基二極管:利用金屬和半導(dǎo)體之間的接觸勢壘而制成的元件。半導(dǎo)體二極管型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：附錄2.2.7二極管應(yīng)用整流電路（10章應(yīng)用）穩(wěn)壓電路（10章應(yīng)用）LED顯示器

（常用于輸出指示）限幅電路（幅度去噪等應(yīng)用）鉗位電路（信號電平轉(zhuǎn)換用等）LED顯示器abcdfgabcdefgabcdefg+5V共陽極電路共陰極電路控制端為高電平對應(yīng)二極管發(fā)光控制端為低電平對應(yīng)二極管發(fā)光e工作原理：利用二極管單向?qū)щ娦裕薅ㄝ敵鲂盘柕姆?。限幅電路工作原?

(1)當(dāng)輸入ui>0時，二極管瞬間導(dǎo)通，C快速充電，Uc=V1，充電結(jié)束，R無電流，輸出uo=0。(2)當(dāng)輸入ui<0時，二極管截止，C充放電緩慢，輸出uo=-Uc+ui=-V1-V2。特點：鉗位電路的作用是將周期信號波形的頂部或底部保持在某一確定的直流電平上，信號波形形狀不變。鉗位電路晶體二極管實際上就是一個PN結(jié)，描述二極管的性能常用二極管的伏安特性，可用二極管的電流方程來描述，I=Is(eU/UT-1)；硅管導(dǎo)通后管壓降UD≈0.7V，鍺管導(dǎo)通后UD≈0.3V；晶體二極管用途有整流、穩(wěn)壓和限幅等。穩(wěn)壓管是工作區(qū)在反向擊穿區(qū)?？梢蕴峁┮粋€穩(wěn)定的電壓，使用時注意加限流電阻。半導(dǎo)體光電器件分光敏器件和發(fā)光器件，可實現(xiàn)光—電、電—光轉(zhuǎn)換。光電