模拟电路第一章二极管

1、 第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用常用 器件器件半导体半导体 类别类别项目项目 导体导体绝缘体绝缘体代表物质代表物质 一般最外层电子数一般最外层电子数外层电子受原子核的外层电子受原子核的束缚力束缚力 导电性导电性 金属金属惰性气体惰性气体硅、锗硅、锗 4 44=4=4小小易易大大二者之间二者之间不易不易二者之间二者之间半导体半导体1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识纯净的晶体结构的半导体纯净的晶体结构的半导体无杂质无杂质?gesi半导体硅和锗的最外层电子（半导体硅和锗的最外层电子（价电子价电子）都是四个。）都是四个

2、。结构特点结构特点通过一定的工艺过程，可将其制成通过一定的工艺过程，可将其制成晶体晶体。即为本征半导体即为本征半导体 本征半导体的结构示意图本征半导体的结构示意图+4+4+4+4 形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。构成稳定结构。共用电子共用电子常温下价电子常温下价电子很难脱离共价键很难脱离共价键成为成为自由电子自由电子导电能力很弱导电能力很弱+4+4+4+4热和光的作用热和光的作用 自由电子自由电子 空穴空穴一些价电子获得足够的一些价电子获得足够的能量而脱离共价键束缚能量而脱离共价键束缚电子空穴对电子空穴对本征激发本征激发 （热激

3、发）（热激发）带正电带正电带负电带负电游离的部分自由电子游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，也可能回到空穴中去，称为称为复合复合+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移。相当于空穴的迁移。空穴的迁移相当于正空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可电荷的移动，因此可以认为空穴是以认为空穴是载流子载流子。本征半导体的两种载流子本征半导体的两种载流子温度越高，载流子的浓度越高，导电能力越强。温度越高，载流子的浓度越高，导电能力越强。温温度度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。这是是影响半导体性能的一个

4、重要的外部因素。这是半导体的一大特点。半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。 在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入少量合适的杂质少量合适的杂质，就会，就会使半导体的导电性能发生显著变化。使半导体的导电性能发生显著变化。1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 n 型半导体型半导体+4+4+5+4磷原子磷原子多余多余电子电子掺入少量的五价元素磷（或锑）掺入少量

5、的五价元素磷（或锑）取代，形成共价键取代，形成共价键多出一个电子多出一个电子磷原子成为不能移动磷原子成为不能移动的正离子的正离子施主施主原子原子+4+4+5+4n 型半导体中的型半导体中的载流子是什么？载流子是什么？1 1、由、由施主原子施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为）

6、，空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。negative+4+4+3+4空位空位硼原子硼原子空穴空穴p 型半导体型半导体掺入少量的三价元素硼（或铟）掺入少量的三价元素硼（或铟）取代，形成共价键取代，形成共价键产生一个空位产生一个空位吸引束缚电子来填补吸引束缚电子来填补受主受主原子原子硼原子成为不能移动硼原子成为不能移动的负离子的负离子空穴是多子，电子是少子空穴是多子，电子是少子positive(3)、杂质半导体的示意表示法、杂质半导体的示意表示法p 型半导体型半导体+n 型半导体型半导体杂质杂质型半导体型半导体多子多子和和少子少子的移动都能形成电流。的移动都能形成电流。但由于数量的关系

7、，起导电作用的主要是多子但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等近似认为多子与杂质浓度相等。小结小结4 4、p型半导体中型半导体中空穴空穴是多子，是多子，自由电子自由电子是少子。是少子。 n型型半导体中半导体中自由电子自由电子是多子，是多子，空穴空穴是少子。是少子。 5、半导体的导电能力与、半导体的导电能力与温度温度、光强、杂质浓度、光强、杂质浓度 和材料性质有关。和材料性质有关。 1、半导体半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。的导电能力介于导体与绝缘体之间。 2、在一定温度下，本征半导体因、在一定温度下，本征半导体因本征激发本征激发而产生自由而产生自由 电子和空

8、穴对，故其有一定的导电能力。电子和空穴对，故其有一定的导电能力。 3、本征半导体的导电能力主要由、本征半导体的导电能力主要由温度温度决定；决定； 杂质半导体的导电能力主要由杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质所掺杂质的浓度决定。的浓度决定。一、一、pn 结的形成结的形成利用掺杂工艺，将利用掺杂工艺，将p 型半导体和型半导体和n 型半导体制作型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成了在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成了pn 结。结。1.1.3 pn结结n 型半导体型半导体p 型半导体型半导体+pn结结+物质因浓度差会产生扩散运动物质因浓度差会产生扩散运动n区自由电区自由电子浓度远高子

9、浓度远高于于p区。区。p区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于n区。区。自由电子自由电子空穴空穴空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。扩散的结果是产生扩散的结果是产生空间电荷区。空间电荷区。+内电场内电场e+-在电场力作用下，载流子产生的运动称为漂移运动在电场力作用下，载流子产生的运动称为漂移运动自由电子自由电子空穴空穴电位电位vv0最终扩散和漂移这一对相反的运动达到平衡，相当最终扩散和漂移这一对相反的运动达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。定不变。多子的扩散运动多子的扩散运动空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场

10、 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 总结总结 因浓度差因浓度差 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区达到平衡，空间电荷区宽度固定不变达到平衡，空间电荷区宽度固定不变 二、二、 pn结的单向导电性结的单向导电性+repn 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变变薄薄pn+_外加电源将使扩散运外加电源将使扩散运动源源不断的进行，动源源不断的进行，形成正向电流，形成正向电流，pn结结导通导通pn 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚np+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移

11、加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。pn结截止结截止re pn结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；向扩散电流； 由此可以得出结论：由此可以得出结论：pn结具有单向导电性。结具有单向导电性。 pn结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，反向漂移电流， pn结截止。结截止。总结总结三、三、pn结结vcr方程方程) 1(tuuseiipn结两端的外电压结两端的外电压u与流过与流过pn结的电流结的电流i之间的关系之间的关系ut: 温度电压当

12、量，温度电压当量， = kt/q，一般取值为，一般取值为26mv； k为玻耳曼常数为玻耳曼常数 t为热力学温度为热力学温度 q为电子电荷量为电子电荷量is：反向饱和电流反向饱和电流) 1(tuuseiiabc四、四、pn结的电容效应结的电容效应1. 势垒电容势垒电容 pn结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容放电相同，其等效电容称为势垒电容cb。2. 扩散电容扩散电容 pn结外加的正向电压变化时，在扩散过程中载结外加的正向电压变化时，在扩

13、散过程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容释放的过程，其等效电容称为扩散电容cd。dbjccc结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若pn结外加电压频率高到一定结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！程度，则失去单向导电性！np+-1.2 半导体二极管半导体二极管外壳封装外壳封装阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线1.2.1 半导体二极管的结构类型半导体二极管的结构类型按按结结构构分分类类点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型(1) (1) 点接触型二极管点接触型二极管阳极引线阳极引

14、线阴极引线阴极引线pnpn结面积小结面积小不能通过较大的电流不能通过较大的电流结电容小结电容小工作频率高工作频率高 适用于适用于高频电路高频电路和小功率整流和小功率整流阳极引线阳极引线阴极引线阴极引线(2) (2) 面接触型二极管面接触型二极管pnpn结面积大结面积大能通过较大的电流能通过较大的电流结电容大结电容大能在低频下工作能在低频下工作一般仅作为一般仅作为整流管使用整流管使用合金法合金法pnpn结面积可大可小结面积可大可小阳极引线阳极引线阴极引线阴极引线视结面积的大小视结面积的大小用于大功率整流用于大功率整流和开关电路中和开关电路中二极管的电路符号二极管的电路符号阳极阳极阴极阴极二端无源

15、元件二端无源元件(3) (3) 平面型二极管平面型二极管扩散法扩散法+-ui半导体二极管图片1.2.2 1.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线uipn结结二极管二极管) 1(etsuuii近似分析时：近似分析时：(1) (1) 二极管和二极管和pnpn结伏安特性的区别结伏安特性的区别二极管存在半导体二极管存在半导体体电阻体电阻和和引线电阻引线电阻二极管表面二极管表面 漏电流漏电流单向导电性单向导电性ui几点说明几点说明二极管的正向特性二极管的正向特性阳极阳极阴极阴极+-uu00uuonuon开启开启电压电压正向电流为零正向电流为零uuon开始出现正向电流，并按指数规律

16、增长。开始出现正向电流，并按指数规律增长。) 1(etsuuii二极管的反向特性二极管的反向特性阳极阳极阴极阴极+-uuuz时作用同二极管时作用同二极管u增加到增加到uz 时，稳压管击穿时，稳压管击穿(a)2 2、稳压管的主要参数、稳压管的主要参数规定的稳压管反向工作电流规定的稳压管反向工作电流iz下，所对应的反向工作电下，所对应的反向工作电压。压。(1)(1)稳定电压稳定电压 uz稳压管低于此值稳压情况稳压管低于此值稳压情况变坏，常记作变坏，常记作izmin(2)(2)稳定电流稳定电流 iz工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比(3)(3

17、)动态电阻动态电阻rzrz = uz / iz(4)(4)额定功耗额定功耗p pzmpzm= uz izmax最大稳定最大稳定电流电流(5)(5)温度系数温度系数表示温度每变化表示温度每变化1稳压值的变化量稳压值的变化量例例1 电路如图所示，设电路如图所示，设ui=6sint v，试绘出输出电压试绘出输出电压uo的波形。设的波形。设dz为硅稳压二极管，稳定电压为为硅稳压二极管，稳定电压为5v, 正向导正向导通压降忽略不计。通压降忽略不计。+ui-3v rdz+uo-解：解： ui -3v d导通导通 uo= -3v ui -3v d截止截止 uo= ui 2v 2v uid反向击穿反向击穿 uo= 2v ui/v t o6uo/v t o22-3-3abvb= uiva= -3v例例2 稳压管的稳定电稳压管的稳定电uz=6v, 最小稳定电流最