半導(dǎo)體二極管及基本電路

半導(dǎo)體二極管及基本電路第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.1半導(dǎo)體的基本知識

半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

本征半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日

半導(dǎo)體材料根據(jù)物體導(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和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體（Semiconductors）:導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物體，都是半導(dǎo)體。第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日

半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅晶體的空間排列第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日

半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)價(jià)電子：最外層原子軌道上具有的電子（4個）。第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日

本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)?？昭ā矁r(jià)鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對?？昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\(yùn)動是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日

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。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(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。（Negative負(fù)的字頭）P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。（Positive正的字頭)第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日

1.N型半導(dǎo)體因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個價(jià)電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個價(jià)電子因無共價(jià)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(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日

2.P型半導(dǎo)體因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個空穴。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(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日

摻入雜質(zhì)對本征半導(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

3.雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體

本節(jié)中的有關(guān)概念end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)載流子施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.2PN結(jié)的形成及特性

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的反向擊穿第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日

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

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。對于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)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日

2.2.1PN結(jié)的形成1.

擴(kuò)散運(yùn)動

2.PN結(jié)3.漂移運(yùn)動第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日

PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況低電阻大的正向擴(kuò)散電流PN結(jié)的伏安特性第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日PN結(jié)的伏安特性

PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況高電阻很小的反向漂移電流在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。第十七頁，共四十八頁?022年，8月28日

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(3)PN結(jié)V-I特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日

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PN結(jié)的電流和溫升不斷增加，使PN結(jié)的發(fā)熱超過它的耗散功率。電擊穿——可逆雪崩擊穿：由于碰撞電離使載流子產(chǎn)生倍增效應(yīng)，使反向電流急劇增大。齊納擊穿：在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中加有較高的反向電壓，破壞共價(jià)鍵將束縛電子分離出來造成電子空穴對，使反向電流急劇增大。第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.3半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

二極管的伏安特性

二極管的參數(shù)第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日(3)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D第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日

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第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日

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第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日

PN結(jié)的電容效應(yīng)

(A)勢壘電容CB勢壘電容示意圖（BarrierCapacitance)用來描述勢壘區(qū)的空間電荷隨電壓變化而產(chǎn)生的電容效應(yīng)。在高頻、反向偏置時(shí)CB起主要作用。第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日

PN結(jié)的電容效應(yīng)(B)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖（DiffusionCapacitance)反映了在外加正電壓作用下，載流子在擴(kuò)散過程中積累的電容效應(yīng)。在高頻、正向偏置時(shí)CD起主要作用。第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體二極管圖片第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日{(diào)end}第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.4

二極管基本電路及其分析方法

二極管V-I特性的建模

應(yīng)用舉例第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日

2.4.1二極管V-I特性的建模

1.理想模型3.折線模型

2.恒壓降模型第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日

4.小信號模型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）

2.4.1二極管V-I特性的建模第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日

2.4.2應(yīng)用舉例

1.二極管的靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V時(shí)恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)（2）VDD=1V時(shí)（自看）第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日例2.4.2提示

2.4.2應(yīng)用舉例

2.限幅電路第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日例：電路如圖所示，已知E=5V，ui=10sinωtV，二極管的正向壓降可忽略不計(jì)，試畫出uo的波形RDEu0ui0ωtuiu0解：當(dāng)ui

＞5V時(shí)，二極管才可導(dǎo)通第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日例：下圖中，已知VA=3V，VB=0V，DA

、DB為鍺管，求輸出端Y的電位并說明二極管的作用。DA

–12VFABDBR解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，則VF=3–0.3=2.7VDA導(dǎo)通后,DB因反偏而截止,起隔離作用,DA起鉗位作用,將Y端的電位鉗制在+2.7V。

2.4.2應(yīng)用舉例3.開關(guān)電路例（略）規(guī)律：共陽極接法，電壓低者先導(dǎo)通；共陰極接法，電壓高者先導(dǎo)通。4.低電壓穩(wěn)壓電路（略）第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.5特殊體二極管

穩(wěn)壓二極管

變?nèi)荻O管

光電子器件1.光電二極管2.發(fā)光二極管3.激光二極管第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.5.1穩(wěn)壓二極管1.符號及穩(wěn)壓特性(a)符號(b)伏安特性利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)，反向電壓應(yīng)大于穩(wěn)壓電壓。第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日(1)穩(wěn)定電壓VZ(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)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)2.5.1穩(wěn)壓二極管第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日穩(wěn)壓二極管3穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時(shí)VO=VZ#不加R可以嗎？#上述電路VI為正弦波，且幅值大于VZ

，VO的波形是怎樣的？（1）.設(shè)電源電壓波動(負(fù)載不變)U↑→UO↑→UZ↑→IZ↑↓UO↓←UR↑←IR↑（2）.設(shè)負(fù)載變化(電源不變)略第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日例：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UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻RL=2k，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200。若負(fù)載電阻變化范圍為1.5k--4k，是否還能穩(wěn)壓？第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日RLuiuORDZiiziLUZUZW=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)壓作用第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日本章結(jié)束第四十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日第二章習(xí)題解答2.1.1在室溫（300K）情況下，若二極管的反向飽和電流為1nA，問它正向電流為0.5mA時(shí)應(yīng)加多大的電壓。設(shè)二極管的指數(shù)模型為。解所以

第四十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日<d>D2導(dǎo)通，D1截止2.4.3二極管電路如圖題所示,試判