半導體二極管及基本電路

半導體二極管及基本電路第1頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1半導體的基本知識

2.1.1

半導體材料

2.1.2

半導體的共價鍵結構

2.1.3

本征半導體

2.1.4

雜質半導體第2頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.1.1

半導體材料根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導體（Semiconductors）:導電能力介于導體與絕緣體之間的物體，都是半導體。第3頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.1.2

半導體的共價鍵結構硅晶體的空間排列第4頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.1.2

半導體的共價鍵結構硅和鍺的原子結構簡化模型及晶體結構價電子：最外層原子軌道上具有的電子（4個）。第5頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.1.3

本征半導體本征半導體——化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)?？昭ā矁r鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發(fā)而產生的自由電子和空穴對?？昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。第6頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.1.4

雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。

N型半導體——摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。（Negative負的字頭）P型半導體——摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。（Positive正的字頭)第7頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.N型半導體因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導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型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質原子提供；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原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。第8頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.P型半導體因三價雜質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，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。第9頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，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型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

3.雜質對半導體導電性的影響第10頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月本征半導體、雜質半導體

本節(jié)中的有關概念end自由電子、空穴

N型半導體、P型半導體多數(shù)載流子、少數(shù)載流子施主雜質、受主雜質第11頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2PN結的形成及特性

2.2.1

PN結的形成

2.2.2

PN結的單向導電性

2.2.3

PN結的反向擊穿第12頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:

因濃度差空間電荷區(qū)形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū)第13頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2.1PN結的形成1.

擴散運動

2.PN結3.漂移運動第14頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2.2

PN結的單向導電性當外加電壓使PN結中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結加正向電壓時PN結加正向電壓時的導電情況低電阻大的正向擴散電流PN結的伏安特性第15頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結的伏安特性

2.2.2

PN結的單向導電性當外加電壓使PN結中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結加反向電壓時PN結加反向電壓時的導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，這個電流也稱為反向飽和電流。第16頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

PN結加正向電壓時，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。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。第17頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2.2

PN結的單向導電性

(3)PN結V-I特性表達式其中PN結的伏安特性IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）第18頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2.3

PN結的反向擊穿當PN結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結的反向擊穿。熱擊穿——不可逆PN結的電流和溫升不斷增加，使PN結的發(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生倍增效應，使反向電流急劇增大。齊納擊穿：在雜質濃度特別大的PN結中加有較高的反向電壓，破壞共價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19頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3半導體二極管

2.3.1

半導體二極管的結構

2.3.2

二極管的伏安特性

2.3.3

二極管的參數(shù)第20頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.3.1

半導體二極管的結構

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管

PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型

二極管的結構示意圖第21頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)平面型二極管往往用于集成電路制造工藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。(2)面接觸型二極管

PN結面積大，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22頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.3.2

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23頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.3.3

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第24頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

PN結的電容效應

(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生的電容效應。在高頻、反向偏置時CB起主要作用。第25頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

PN結的電容效應(B)擴散電容CD擴散電容示意圖（DiffusionCapacitance)反映了在外加正電壓作用下，載流子在擴散過程中積累的電容效應。在高頻、正向偏置時CD起主要作用。第26頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體二極管圖片第27頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月{end}第29頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4

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

應用舉例第30頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

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31頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.小信號模型二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。即根據(jù)得Q點處的微變電導則常溫下（T=300K）

2.4.1二極管V-I特性的建模第32頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.4.2應用舉例

1.二極管的靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V時恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設（2）VDD=1V時（自看）第33頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月例2.4.2提示

2.4.2應用舉例

2.限幅電路第34頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月例：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，試畫出uo的波形RDEu0ui0ωtuiu0解：當ui

＞5V時，二極管才可導通第35頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月例：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)先導通，則VF=3–0.3=2.7VDA導通后,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應用舉例3.開關電路例2.4.3（略）規(guī)律：共陽極接法，電壓低者先導通；共陰極接法，電壓高者先導通。4.低電壓穩(wěn)壓電路（略）第36頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5特殊體二極管

2.5.1

穩(wěn)壓二極管

2.5.2

變容二極管

2.5.3

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37頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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)，反向電壓應大于穩(wěn)壓電壓。第38頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月(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39頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)壓二極管3穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時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）.設電源電壓波動(負載不變)U↑→UO↑→UZ↑→IZ↑↓UO↓←UR↑←IR↑（2）.設負載變化(電源不變)略第40頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月例：穩(wěn)壓二極管的應用RLuiuORDZiiziLUZ穩(wěn)壓二極管技術數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負載電阻RL=2k，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200。若負載電阻變化范圍為1.5k--4k，是否還能穩(wěn)壓？第41頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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42頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月本章結束第43頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章習題解答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時應加多大的電壓。設二極管的指數(shù)模型為。解所以

第44頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月<d>D2導通，D1截止2.4.3二極管電路如圖題2.4.3所示,試判斷圖中