二極管及其基本電路演示文稿

二極管及其基本電路演示文稿當前1頁，總共62頁。優(yōu)選二極管及其基本電路當前2頁，總共62頁。3.1半導(dǎo)體的基本知識

半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

本征半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體當前3頁，總共62頁。3.1.1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。導(dǎo)體：容易導(dǎo)電的物體。如：鐵、銅等2.絕緣體：幾乎不導(dǎo)電的物體。如：橡膠等當前4頁，總共62頁。

半導(dǎo)體是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。在一定條件下可導(dǎo)電。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體特點：

1)在外界能源的作用下，導(dǎo)電性能顯著變化。光敏元件、熱敏元件屬于此類。

2)在純凈半導(dǎo)體內(nèi)摻入雜質(zhì)，導(dǎo)電性能顯著增加。二極管、三極管屬于此類。當前5頁，總共62頁。1.本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。電子技術(shù)中用的最多的是硅和鍺。硅和鍺都是4價元素，它們的外層電子都是4個。其簡化原子結(jié)構(gòu)模型如下圖：硅和鍺都是四價元素，外層原子軌道上具有四個電子，稱為價電子。價電子受原子核的束縛力最小。物質(zhì)的性質(zhì)是由價電子決定的。3.1.3本征半導(dǎo)體當前6頁，總共62頁。

本征晶體中各原子之間靠得很近，使原分屬于各原子的四個價電子同時受到相鄰原子的吸引，分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。如下圖所示：1、本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)當前7頁，總共62頁。2、共價鍵性質(zhì)

共價鍵上的兩個電子是由相鄰原子各用一個電子組成的，這兩個電子被成為束縛電子。束縛電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。因此，在絕對溫度T=0K（-273C）時，由于共價鍵中的電子被束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有自由電子，不導(dǎo)電。只有在激發(fā)下，本征半導(dǎo)體才能導(dǎo)電。當前8頁，總共62頁。由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對3、電子與空穴

當導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。當前9頁，總共62頁。

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。

可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。當前10頁，總共62頁?？昭ǖ囊苿?/p>

由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴，在外加能源的激發(fā)下，鄰近的價電子有可能掙脫束縛補到這個空位上，而這個電子原來的位置又出現(xiàn)了空穴，其它電子又有可能轉(zhuǎn)移到該位置上。這樣一來在共價鍵中就出現(xiàn)了電荷遷移—電流。

電流的方向與電子移動的方向相反，與空穴移動的方向相同。本征半導(dǎo)體中，產(chǎn)生電流的根本原因是由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴。當前11頁，總共62頁。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴當前12頁，總共62頁。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。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。N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。當前13頁，總共62頁。1.N型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

因五價雜質(zhì)原子中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，而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)。當前14頁，總共62頁。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示：磷原子核自由電子所以，N型半導(dǎo)體中的導(dǎo)電粒子有兩種：

自由電子—多數(shù)載流子（由兩部分組成） 空穴——少數(shù)載流子當前15頁，總共62頁。2.P型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

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。

空穴很容易俘獲電子，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)。當前16頁，總共62頁。P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示：硼原子核空穴P型半導(dǎo)體中：

空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。當前17頁，總共62頁。3.雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

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當前18頁，總共62頁。

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

施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)當前19頁，總共62頁。3.2PN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

PN結(jié)的電容效應(yīng)

載流子的漂移與擴散當前20頁，總共62頁。3.2.1載流子的漂移與擴散漂移運動：在電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。當前21頁，總共62頁。3.2.2PN結(jié)的形成因濃度差多子擴散形成空間電荷區(qū)促使少子漂移阻止多子擴散擴散到對方的載流子在P區(qū)和N區(qū)的交界處附近被相互中和掉，使P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動的負離子，N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動的正離子。這樣在兩種半導(dǎo)體交界處逐漸形成由正、負離子組成的空間電荷區(qū)（耗盡層）。由于P區(qū)一側(cè)帶負電，N區(qū)一側(cè)帶正電，所以出現(xiàn)了方向由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場當前22頁，總共62頁。3.2.2PN結(jié)的形成

當擴散和漂移運動達到平衡后，空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)電場電位就相對穩(wěn)定下來。此時，有多少個多子擴散到對方，就有多少個少子從對方飄移過來，二者產(chǎn)生的電流大小相等，方向相反。因此，在相對平衡時，流過PN結(jié)的電流為0。當前23頁，總共62頁。

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(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。此時將在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)當前24頁，總共62頁。

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。由于耗盡層的存在，PN結(jié)的電阻很大。

PN結(jié)的形成過程中的兩種運動：

多數(shù)載流子擴散少數(shù)載流子飄移end當前25頁，總共62頁。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當外加電壓使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

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，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)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。當前26頁，總共62頁。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當外加電壓使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

低電阻大的正向擴散電流PN結(jié)的伏安特性當前27頁，總共62頁。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當外加電壓使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

外加的反向電壓方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。當前28頁，總共62頁。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當外加電壓使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

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。PN結(jié)的伏安特性當前29頁，總共62頁。

PN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；

PN結(jié)加反向電壓時，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?。當?0頁，總共62頁。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(3)PN結(jié)V-I特性表達式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）當前31頁，總共62頁。3.2.4PN結(jié)的反向擊穿

當PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，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

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆

PN結(jié)被擊穿后，PN結(jié)上的壓降高，電流大，功率大。當PN結(jié)上的功耗使PN結(jié)發(fā)熱，并超過它的耗散功率時，PN結(jié)將發(fā)生熱擊穿。這時PN結(jié)的電流和溫度之間出現(xiàn)惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致PN結(jié)燒毀。當前32頁，總共62頁。3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴散電容CD擴散電容示意圖是由多數(shù)載流子在擴散過程中積累而引起的。

當PN結(jié)處于正向偏置時，擴散運動使多數(shù)載流子穿過PN結(jié)，在對方區(qū)域PN結(jié)附近有高于正常情況時的電荷累積。存儲電荷量的大小，取決于PN結(jié)上所加正向電壓值的大小。離結(jié)越遠，由于空穴與電子的復(fù)合，濃度將隨之減小。若外加正向電壓有一增量V，則相應(yīng)的空穴（電子）擴散運動在結(jié)的附近產(chǎn)生一電荷增量Q，二者之比Q/V為擴散電容CD。當前33頁，總共62頁。3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

(2)勢壘電容CBend是由PN結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的?？臻g電荷區(qū)的正負離子電荷數(shù)的增減，類似于平行板電容器兩極板上電荷的變化。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)。：半導(dǎo)體材料的介電比系數(shù)；S：結(jié)面積；l：耗盡層寬度。當前34頁，總共62頁。3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)總的結(jié)電容Cj

包括勢壘電容Cb

和擴散電容Cd

兩部分。一般來說，當二極管正向偏置時，擴散電容起主要作用，即可以認為Cj

Cd；當反向偏置時，勢壘電容起主要作用，可以認為Cj

Cb。

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幾百皮法。綜上所述：當前35頁，總共62頁。3.3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

二極管的主要參數(shù)當前36頁，總共62頁。3.3.1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)分有點接觸型、面接觸型兩大類。(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。當前37頁，總共62頁。（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號

(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)面接觸型當前38頁，總共62頁。3.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性當前39頁，總共62頁。3.3.2二極管的伏安特性鍺二極管2AP15的V-I特性

硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

當0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。當V＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：當V＞Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。當前40頁，總共62頁。3.3.2二極管的伏安特性鍺二極管2AP15的V-I特性

當V＜0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：

當VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS

。

當V≥VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。當前41頁，總共62頁。3.3.3二極管的主要參數(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

二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。

為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。當前42頁，總共62頁。3.3.3二極管的主要參數(shù)(3)反向電流IR在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。(4)正向壓降VF在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。(5)極間電容Cd（CB、CD）當前43頁，總共62頁。3.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管電路的簡化模型分析方法當前44頁，總共62頁。3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。當前45頁，總共62頁。例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線

Q的坐標值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點當前46頁，總共62頁。3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模

將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符號（c）正向偏置時的電路模型（d）反向偏置時的電路模型當前47頁，總共62頁。3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型當前48頁，總共62頁。3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型vs=0時,Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時（Vm<<VDD）,將Q點附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。當前49頁，總共62頁。3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型

過Q點的切線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）（a）V-I特性（b）電路模型當前50頁，總共62頁。3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型

特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。（a）V-I特性（b）電路模型當前51頁，總共62頁。3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vo的波形當前52頁，總共62頁。2．模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）

當VDD=10V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)當VDD=1V時，（自看）（a）簡單二極管電路（b）習(xí)慣畫法當前53頁，總共62頁。2．模型分析法應(yīng)用舉例（3）限幅電路

電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當vI=6sintV時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。當前54頁，總共62頁。