模電-第1章半導(dǎo)體二極管課件

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1§

1.1PN結(jié)導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體PNJunction2一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體PNJunction

1.1PN結(jié)3一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。

制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。5+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。價電子共價鍵圖1.1.1本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖二、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)溫度T=0

K時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。6+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1.1.2本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴自由電子空穴若T

，將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。T

自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱?？昭煽闯蓭д姷妮d流子。三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子（動畫1-1）（動畫1-2）71.半導(dǎo)體中兩種載流子帶負(fù)電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。3.本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi表示，顯然ni

=pi

。4.由于物質(zhì)的運動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運動會達(dá)到平衡，載流子的濃度就一定了。5.載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。小結(jié)91.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體(Negative)在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。常用的5價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。10本征半導(dǎo)體摻入5價元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有5個價電子，其中4個與硅構(gòu)成共價鍵，多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。11自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即n>>p。

電子稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，

空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。13二、P型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。+3空穴濃度多于電子濃度，即p>>n?？昭槎鄶?shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。3價雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主原子空穴圖1.1.4P型半導(dǎo)體14說明：1.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。3.雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。2.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。(a)N型半導(dǎo)體(b)P型半導(dǎo)體圖雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法15PN結(jié)中載流子的運動耗盡層空間電荷區(qū)PN1.擴(kuò)散運動2.擴(kuò)散運動形成空間電荷區(qū)電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動。——PN結(jié)，耗盡層。PN（動畫1-3）173.空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場Uho空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差Uho

——電位壁壘；——

內(nèi)電場；內(nèi)電場阻止多子的擴(kuò)散——

阻擋層。4.漂移運動內(nèi)電場有利于少子運動—漂移。少子的運動與多子運動方向相反阻擋層185.擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡擴(kuò)散運動使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減??；隨著內(nèi)電場的增強(qiáng)，漂移運動逐漸增加；當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時，PN結(jié)總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定。即擴(kuò)散運動與漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡。PN19二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)外加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài)又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向內(nèi)電場方向耗盡層VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運動，電路中有較大的正向電流。圖1.1.6PN21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。2.PN結(jié)外加反向電壓時處于截止?fàn)顟B(tài)(反偏)反向接法時，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴(kuò)散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴(kuò)散電流，電路中產(chǎn)生反向電流I；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。22耗盡層圖1.1.7PN結(jié)加反相電壓時截止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。PN外電場方向內(nèi)電場方向VRIS23

當(dāng)PN結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。

（動畫1-4）

（動畫1-5）綜上所述：可見，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?5IS：反向飽和電流UT：溫度的電壓當(dāng)量在常溫(300K)下，UT

26mV三、PN結(jié)的電流方程PN結(jié)所加端電壓u與流過的電流i的關(guān)系為公式推導(dǎo)過程略26四、PN結(jié)的伏安特性

i=f

(u

)之間的關(guān)系曲線。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)反向特性圖1.1.10PN結(jié)的伏安特性反向擊穿271點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖1.2.1半導(dǎo)體二極管的幾種常見結(jié)構(gòu)PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。293平面型二極管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。2面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型4二極管的代表符號D30PowerElectronics1.2.1PN結(jié)與電力二極管以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)，由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成，外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝，基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。圖1-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號整流二極管及模塊31

1.2.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示硅二極管2CP10的伏安特性正向特性反向特性反向擊穿特性開啟電壓：0.5V導(dǎo)通電壓：0.7一、伏安特性鍺二極管2AP15的伏安特性UonU(BR)開啟電壓：0.1V導(dǎo)通電壓：0.2V32二、溫度對二極管伏安特性的影響(了解)在環(huán)境溫度升高時，二極管的正向特性將左移，反向特性將下移。二極管的特性對溫度很敏感。–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.020溫度增加331.2.3、二極管的主要參數(shù)1.最大平均整流電流IF2.最高反向工作電壓URM二極管長期運行時允許通過的最大平均電流。二極管工作時允許加的最大反向電壓，通常為擊穿電壓的一半。半導(dǎo)體的參數(shù)是對其特性和極限應(yīng)用的定量描述，是設(shè)計電路時選擇器件的主要依據(jù)。34

1.2.3二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓U（BR）和最高反向工作電壓URM(3)反向電流IR(4)最高工作頻率fM(5)極間電容Cj在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)管子所用的場合，按其所承受的最高反向電壓、最大正向平均電流、工作頻率、環(huán)境溫度等條件，選擇滿足要求的二極管。35

1.2.4二極管等效電路一、由伏安特性折線化得到的等效電路1.理想模型2.恒壓降模型3.折線模型36二、二極管的微變等效電路二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。即根據(jù)得Q點處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）圖1.2.7二極管的微變等效電路37

應(yīng)用舉例

二極管的靜態(tài)工作情況分析

分析步驟：

1.根據(jù)已知條件或?qū)嶋H情況確定二極管采用的模型2.將二極管斷開，分別計算VA,VK并判斷二極管的通斷3.套入相應(yīng)的模型對原電路進(jìn)行變換4.計算38

應(yīng)用舉例

計算二極管電流和兩端的電壓理想模型（R=10k）VDD=10V時恒壓模型（硅二極管典型值）39

應(yīng)用舉例

二極管的靜態(tài)工作情況分析（R=10k）VDD=10V時折線模型（硅二極管典型值）設(shè)401.3半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.3.1在整流電路中的應(yīng)用整流——將交流電變成直流電的過程整流電路——完成整流功能的電路常見的整流電路有半波整流電路全波整流電路橋式整流電路41一.單相半波整流電路（1）當(dāng)v2為正半周時，二極管VD加正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，RL上產(chǎn)生正半周電壓vO，如圖（b）所示。（2）當(dāng)v2為負(fù)半周時，二極管VD加反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)，RL上無電流流過，如圖（c）所示。工作原理示意圖如圖所示。1．工作原理42

各波形之間的對應(yīng)關(guān)系如圖所示。一.單相半波整流電路43

半波整流：電路僅利用電源電壓的半個波，故稱半波整流。

脈動直流電：大小波動，方向不變的電流（或電壓）稱為脈動直流電。

半波整流后的輸出信號為半波脈動直流電。半波整流電路的缺點是電源利用率低，且輸出脈動大。一.單相半波整流電路44

單相全波整流電路如圖所示。二.單相全波整流電路451．工作原理

（2）當(dāng)v1為負(fù)半周時，如圖（b）所示，VD2導(dǎo)通，VD1截止，RL兩端輸出電壓。二.單相全波整流電路

（1）當(dāng)v1為正半周時，如圖（b）所示，VD1導(dǎo)通，VD2截止，RL兩端輸出電壓。46全波整流波形如圖所示。二.單相全波整流電路47設(shè)三.單相橋式整流電路+_uOTru2+_u1ab+_RLD1D2D4D3481.工作原理a.

當(dāng)u2>0時輸出波形電流流動方向D1D2D4D3+_uOTru2+_u1ab+_RL49b.

當(dāng)u2<0時輸出波形電流流動方向+_uOTru2+_u1ab+_RLD1D2D4D3501.3.2在檢波電路中的應(yīng)用（無線通信）用音頻信號去控制高頻信號的幅值音頻信號高頻信號載波信號調(diào)制的過程Otuu1tOu2Ot音頻放大器話筒高頻振蕩器調(diào)制器發(fā)射器u2u1u51檢波的過程u1Otu2OtOtu3DCLC2u3高放大器頻低頻放大C1R2R1u2u1+–+–+–器521.3.3限幅電路工作原理a.當(dāng)ui較小使二極管D1、D2截止時電路正常放大b.當(dāng)ui使二極管D1或D2導(dǎo)通時RD2ARi+–+–D1+–53uitO輸入電壓波形RD2ARi+–+–D1+–54輸入端電壓波形uitO2UFRD2ARi+–+–D1+–551.4.1穩(wěn)壓二極管一、穩(wěn)壓管的伏安特性(a)符號(b)2CW17伏安特性利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)，反向電壓應(yīng)大于穩(wěn)壓電壓。DZ1.4特種二極管56(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)動態(tài)電阻rZ

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。rZ=VZ/IZ(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)溫度系數(shù)——VZ二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)57穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時UO=UZ#不加R可以嗎？#上述電路UI為正弦波，且幅值大于UZ，UO的波形是怎樣的？（1）.設(shè)電源電壓波動(負(fù)載不變)UI↑→UO↑→UZ↑→IZ↑↓UO↓←UR↑←IR↑（2）.設(shè)負(fù)載變化(電源不變)略如電路參數(shù)變化？UOUI58穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓條件穩(wěn)壓管正向工作時和二極管的特性完全相同。必須工作在反向擊穿狀態(tài)；流過穩(wěn)壓管的電流在IZ和IZM之間。注意！59(2)限流電阻計算輸出電壓穩(wěn)定的條件（保證穩(wěn)壓管被擊穿）DZIZRLUOUIRIIO+_+_≥60IZ(min)≤IZ≤IZM穩(wěn)壓管正常工作的條件DZIZRLUOUIRIIO+_+_61UO=UZ

圖中

IZ=I－IO

DZIZRLUOUIRIIO+_+_62DZIZRLUOUIRIIO+_+_此時當(dāng)IO為最小值IO(min)時，IZ值最大。當(dāng)UI為最大值UI(max)時，I值最大；IZ=I－IO

由式知63由此可得為保證管子安全工作,應(yīng)使DZIZRLUOUIRIIO+_+_≤≥64DZIZRLUOUIRIIO+_+_IZ=I－IO

由式此時當(dāng)IO為最大值IO(max)時，IZ值最小。

當(dāng)UI為最大值UI(min)時，I值最??；知65由此可得為保證電路正常工作，應(yīng)使DZIZRLUOUIRIIO+_+_≥≤66得由式及≥≤≤≤67例1：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用RLuiuORDZiiziLUZ穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻RL=2k，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200，求iZ。若負(fù)載電阻變化范圍為1.5k--4k，是否還能穩(wěn)壓？68RLuiuORDZiiziLUZUZ=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）負(fù)載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用69例2：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用解：ui和uo的波形如圖所示

（UZ＝3V）uiuODZR(a)(b)uiuORDZ70一、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mA，導(dǎo)通電壓(12)V符號u/Vi

/mAO2特性1.4.2其它類型的二極管71發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型：普通LED，不可見光：紅外光點陣LED七段LED,72二、光電二極管符號和特性符號特性uiOE=200lxE=400lx工作原理：三、變?nèi)荻O管四、隧道二極管五、肖特基二極管無光照時，與普通二極管一樣。有光照時，分布在第三、四象限。低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件。其反向恢復(fù)時間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流大.優(yōu)點是開關(guān)特性好，速度快、工作頻率高731.4.2變?nèi)荻O管當(dāng)PN上的電壓發(fā)生變化時，PN結(jié)中儲存的電荷量將隨之發(fā)生變化，使PN結(jié)具有電容效應(yīng)。電容效應(yīng)包括兩部分勢壘電容擴(kuò)散電容1.擴(kuò)散電容Cd(a)PN結(jié)加正向電壓（b)PN結(jié)加反向電壓741.擴(kuò)散電容CdQ是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中積累而引起的。在某個正向電壓下，P區(qū)中的電子濃度np(或N區(qū)的空穴濃度pn)分布曲線如圖中曲線1所示。x=0處為P與耗盡層的交界處當(dāng)電壓加大，np(或pn)會升高，如曲線2所示(反之濃度會降低)。OxnPQ12Q當(dāng)加反向電壓時，擴(kuò)散運動被削弱，擴(kuò)散電容的作用可忽略。Q正向電壓變化時，變化載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當(dāng)于電容器充電和放電的過程——擴(kuò)散電容效應(yīng)。圖1.1.12PNPN結(jié)751.4.2變?nèi)荻O管1.PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴(kuò)散電容CD非平衡少子的積累PN++++............................................76△U變化時，P區(qū)積累的非平衡少子濃度分布圖ΔU>03ΔU=0ΔU<021x電子濃度321PN++++............................................77這種電容效應(yīng)用擴(kuò)散電容CD表征。PN結(jié)正向偏置電壓越高，非平衡少子的積累越多。PN++++............................................782.勢壘電容Cb是由PN結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的。(a)PN結(jié)加正向電壓（b)PN結(jié)加反向電壓-N空間電荷區(qū)PVRI+UN空間電荷區(qū)PRI+-UV79空間電荷區(qū)的正負(fù)離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的放電和充電過程。勢壘電容的大小可用下式表示：由于PN結(jié)寬度l隨外加電壓u而變化，因此勢壘電容Cb不是一個常數(shù)。其Cb=f(U)曲線如圖示。：半導(dǎo)體材料的介電比系數(shù)；S：結(jié)面積；l：耗盡層寬度。OuCb圖1.1.11（b)80PN結(jié)變窄空間電荷層中的電荷量減少a.當(dāng)PN結(jié)正向偏置電壓升高時U+U(U>0)PN++++81PN結(jié)變寬空間電荷層中的電荷量增大b.當(dāng)PN結(jié)正向偏置電壓降低時可見，空間電荷量隨著PN結(jié)偏置電壓的變化而變化。這種電容效應(yīng)用勢壘電容CB表征。U-U(U>0)PN++++++++++++82綜上所述：PN結(jié)總的結(jié)電容Cj包括勢壘電容Cb和擴(kuò)散電容Cd兩部分。Cb和Cd

值都很小，通常為幾個皮法~幾十皮法，有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法。當(dāng)反向偏置時，勢壘電容起主要作用，可以認(rèn)為Cj

Cb。一般來說，當(dāng)二極管正向偏置時，擴(kuò)散電容起主要作用，即可以認(rèn)為Cj

Cd；在信號頻率較高時，須考慮結(jié)電容的作用。83變?nèi)荻O管的特點b.電容量與所加的反向偏置電壓的大小有關(guān)。a.當(dāng)二極管反向偏置時，因反向電阻很大，可作電容使用。84變?nèi)荻O管的符號及C－U特性曲線符號20240608010004681012uDCC－U特性曲線852.變?nèi)荻O管及其應(yīng)用示例諧振頻率式中高頻放大器LC1DCR+––+V+UDu186由于故諧振頻率高頻放大器LC1DCR+––+V+UDu187PowerElectronics1.4.4電力二極管的主要類型普通二極管(整流二極管）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中

反向恢復(fù)時間長一般在5μs以上正