二极管及其基本电路

1、第三章第三章 二极管及其基本电路二极管及其基本电路 基本要求基本要求：1 了解半导体器件内部物理过程；了解半导体器件内部物理过程；2 理解二极管工作原理、主要参数、使理解二极管工作原理、主要参数、使 用方法；用方法；3 掌握二极管外特性、二极管基本应用掌握二极管外特性、二极管基本应用 电路及其分析方法。电路及其分析方法。第三章第三章 二极管及其基本电路二极管及其基本电路 3.1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.2 pn3.2 pn结的形成及特性结的形成及特性3.4 3.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法 3.5 3.5 特殊二极管特殊二极管 3.3 3.

2、3 二极管二极管 3.1半导体基本知识n半导体器件特点：半导体器件特点： 体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高。功率转换效率高。3.1.1 半导体材料半导体材料：（semiconductor materials)(-cm )10+910-3导体导体如金属等如金属等绝缘体绝缘体如橡皮、塑料等如橡皮、塑料等典型半导体：典型半导体：硅硅sisi、锗、锗gege、砷化镓、砷化镓gaasgaas等等 半导体半导体 3.1.2 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 简化模型 最外层上的电子，决定了物质的化学特性和导电性； si硅原子硅原

3、子ge锗原子锗原子 1 1、sisi、gege的原子结构的原子结构 价电子： 惯性核 3.1.2 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 2 2、共价键、共价键硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构共价键共价键共用电子对共用电子对+4+4+4+4+4+4表示表示惯性核惯性核3.1 3.1 半导体基本知识半导体基本知识 共价健共价健 si si si si价电子价电子 si si si si价电子价电子这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。空穴空穴自由电子自由电子 3.1.4 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂

4、质，可使半导体的导电性发生显著变化。可使半导体的导电性发生显著变化。 n n型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）掺入五价杂质元素（如磷） p p型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）掺入三价杂质元素（如硼） 掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入杂质的本征半导体称为掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。3.1 3.1 半导体基本知识半导体基本知识 1. n1. n型半导体型半导体 多余的一个价电子因多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形无共价键束缚而很容易形成成自由电子自由电子。 在在n型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流

5、子，它主要由杂质原它主要由杂质原子提供子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由热激发形成。由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。多余电子多余电子硅原子硅原子sipsisi 五价杂质原子只有四个五价杂质原子只有四个价电子能与周围四个半导体价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键原子中的价电子形成共价键硅硅(锗锗) +磷磷 n型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 2.p2.p型半导体型半导体 在在p型半导体中型半导体中空穴是空穴是多数

6、载流子，多数载流子，它主要由掺杂它主要由掺杂形成形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂。三价杂质质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。 因缺少一个价电子而在因缺少一个价电子而在共价键中留下一个共价键中留下一个空穴空穴。空穴空穴sisisib 三价杂质原子在与三价杂质原子在与硅原子形成共价键硅原子形成共价键硅硅(锗锗) +硼硼 p型半导体型半导体 3.1.4 3.1.4 杂质半导体杂质半导体杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法+ 3.1.4 3.1.4

7、杂质半导体杂质半导体p p型半导体型半导体n n型半导体型半导体3.1 3.1 半导体基本知识半导体基本知识 3.2.1 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散3.2 pn3.2 pn结的形成及特性结的形成及特性漂移运动：由于电场作用而导致载流子的运动漂移运动：由于电场作用而导致载流子的运动扩散运动：载流子由高浓度区域向低浓度区扩散运动：载流子由高浓度区域向低浓度区 域移动的现象域移动的现象空穴的移动方向与电场方向相同电子的移动方向与电场方向相反p p型半导体型半导体n n型半导体型半导体+扩散运动内电场e漂移运动3.2.2 pn3.2.2 pn结的形成结的形成 漂移运动p p型半导

8、体型半导体n n型半导体型半导体+扩散运动内电场e3.2 pn3.2 pn结的形成及其特性结的形成及其特性内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。漂移运动p p型半导体型半导体n n型半导体型半导体+扩散运动内电场e所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。3.2.2 pn

9、3.2.2 pn结的形成结的形成 3.2 pn3.2 pn结的形成及其特性结的形成及其特性 因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 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 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, ,分别分别形成形成n型半导体和型半导体和p型半导体。型半导体。 3.2.1 pn 3.2.1 pn结的形成结的形成 3.2 pn3.

10、2 pn结结一、一、pn结外加正向偏置电压时的导电情况：结外加正向偏置电压时的导电情况：电源电源vf+ p- n空间电荷区厚度空间电荷区厚度 内电场内电场 i扩扩 i漂漂扩散扩散 漂移漂移 正向导通状态正向导通状态、小电阻、小电阻 ，正向导通电流正向导通电流 if i扩扩 if 3.2.3 pn结单向导电性结单向导电性:二、二、pn结加反向偏置电压时的导电情况：结加反向偏置电压时的导电情况：空间电荷区厚度空间电荷区厚度 内电场内电场 漂移漂移 扩散扩散 i漂漂 i扩扩反向截止状态，反向截止状态，大电阻大电阻反向电流反向电流 ir= i漂漂ir电源电源vr+ n- p反向反向饱和电流饱和电流is

11、pn结正偏结正偏pn结反偏结反偏pn结具有结具有单向导电性。单向导电性。 pn结加正向电压时，结加正向电压时，正向导通正向导通： 电阻值很小，具有较大的正向导通电流，电阻值很小，具有较大的正向导通电流， 开关闭合开关闭合 pn结加反向电压时，结加反向电压时，反向截止反向截止：呈现高电阻，具有较小反向饱和电流，呈现高电阻，具有较小反向饱和电流， 开关断开开关断开ts(1)edvnvdii流过流过pn结结电流电流a反向饱反向饱和电流和电流a加在加在pn结结两端电压两端电压vvt =kt/q=26mv t=300k vd 0正正向导通向导通四、四、pn结结v-i特性表示式：特性表示式：（二极管特性方

12、程）（二极管特性方程）发射系数发射系数(1 2)3.2.4 pn的反向击穿的反向击穿（p65自学自学 熟悉）熟悉） idovbr d 当当pn结的反向电压结的反向电压增加到一定数值时，增加到一定数值时，反反向电流突然快速增加向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为pn结的结的反向反向击穿。击穿。反向击穿段反向击穿段3.2.5 pn结电容效应结电容效应（p66自学了解）自学了解）一一 、符号：、符号： 阳极阳极+-阴极阴极二、二、 结构：结构： （1）点接触型二极管：点接触型二极管：阳极阳极+-阴极阴极（2）面接触型二极管：）面接触型二极管：（3）平面型二极管：平面型二极管：3.3.1 二极管结

13、构二极管结构:3.3 二极管（diode)具体型号及参数参见具体型号及参数参见p72 表表3.3.1（v-i特性）特性）(p70)反向击穿反向击穿电压电压vbr反向特性反向特性uipn+pn+一、一、 最大整流电流最大整流电流if 二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流。向平均电流。二、二、反向击穿电压反向击穿电压vbr 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。 3.3.3 二极管主要参数二极管主要参数（p71 自学熟悉）自学熟悉）三、三、反向电流反向电流ir 在室温及规定的反向电压下的反向

14、电流值。在室温及规定的反向电压下的反向电流值。 硅管：硅管：(0.1 a)； 锗管：锗管： (几十几十 a)。四、四、结电容结电容cd 反映二极管中反映二极管中pn结结电容效应的参数。在高频结结电容效应的参数。在高频 和开关状态时运用时必须考虑。和开关状态时运用时必须考虑。五、五、最高工作频率最高工作频率fm 二极管工作上限频率。二极管工作上限频率。六、六、反向恢复时间反向恢复时间trr 二极管由正向导通过渡到反向截止时所需的时间。二极管由正向导通过渡到反向截止时所需的时间。3.4 二极管的基本电路 及其分析方法3.4.1 简单二极管电路的图解分析法简单二极管电路的图解分析法 ( p73 自学

15、了解自学了解)3.4.2 二极管电路的简化模型分析法：二极管电路的简化模型分析法：1 理想模型：理想模型： (理想二极管理想二极管) (vd 0正偏正偏) 二极管导通二极管导通v d =0 r d =0(vd 0反偏反偏) 二极管截止二极管截止id =0 rd =一、一、 二极管二极管v-i特性的建模：特性的建模：2 恒压降模型：恒压降模型：(vd vf ) 二极管导通二极管导通vd = vf r=0 开关闭合开关闭合(vd vb，二极，二极管管 1、3 导通，导通，2、4 截止截止 。 u 负半周，负半周，vavb，二极，二极管管 2、4 导通，导通，1、3 截止截止 。ut u2u2 必做必做 (p97) ：3.4.5、3.4.6(a) 3.4.9(用理想模型分析用理想模型分析)选做选做 3.4.7 3.5 特殊二极管（p84）光电二极管光电二极管发光二极管发光二极管激光二极管激光二极管齐纳二极管齐纳二极管变容二极管变容二极管光电子器件光电子器件肖特基二极管肖特基二极