模电第三章二极管及其基本电路

1、学习内容：半导体的基本知识； pn结的形成及特性；二极 管的基本电路及其分析方法；特殊二极管重点： 半导体相关的基本概念，pn的形成及单向导电 性；二极管的基本电路及其分析方法；二极管 电路的简化模型；难点： pn结的形成机制，pn结的反向击穿及电容效 应；二极管电路的简化模型分析3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用 3.1.4 杂质半导体杂质半导体3.1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率

2、)的不同，来划的不同，来划分导体、绝缘体和半导体分导体、绝缘体和半导体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。一、一、导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 3.1.2 半导体的共价

3、键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体称为本征半导体 将硅或锗材料提将硅或锗材料提纯便形成单晶体，纯便形成单晶体，它的原子结构为它的原子结构为共价键结构。共价键结构。价价电电子子共共价价键键图图 1.1.1本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图本征半导体的本征半导体的晶体晶体结构结构当温度当温度 t = 0 k 时，半导时，半导体不导电，如同绝缘体。体不导电，如同绝缘体。 3.1.3 本征半导体、

4、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 1.1.2本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 若若 t ，将有少数价电，将有少数价电子克服共价键的束缚成为子克服共价键的束缚成为自自由电子由电子，在原来的共价键中，在原来的共价键中留下一个空位留下一个空位空穴。空穴。t 自由电子自由电子和和空穴空穴使使本本征半导体具有导电能力，征半导体具有导电能力，但很微弱。但很微弱。空穴可看成带正电的空穴可看成带正电的载流子。载流子。本征半导体本征半导体中的两种载流子中的两种载流子（动画1-1） （动画1-2）四、本征半导体中

5、本征半导体中载流子的浓度载流子的浓度在一定温度下在一定温度下本征半导体中本征半导体中载流子的浓度是一定的，载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。并且自由电子与空穴的浓度相等。本征半导体中本征半导体中载流子的浓度公式：载流子的浓度公式：t=300 k室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.431010/cm3本征锗的电子和空穴浓度本征锗的电子和空穴浓度: : n = p =2.381013/cm3ni=pi=k1t3/2 e -ego/(2kt)本征激发本征激发复合复合动态平衡动态平衡 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中

6、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质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质可使半导体的导电性发生显著变化。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主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为称为杂质半导体杂质半导体。 n n型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。半导体。 p p型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。半导体。 1. n1. n型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导

7、体原子中的围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。 在在n 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。 2. p2. p型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因三价杂质

8、原子因三价杂质原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电键时，缺少一个价电子而在共价键中留下子而在共价键中留下一个空穴。一个空穴。 在在p p型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；它主要由掺杂形成；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。三价杂质。三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。 3. 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影掺入

9、杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下响，一些典型的数据如下: : t=300 k室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:3以上三个浓度基本上依次相差约以上三个浓度基本上依次相差约106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 n 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 4.961022/cm3 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自由电子、空穴自由电子、空穴 n n型半导体、型半导体、p p型半导体型半导体 多数

10、载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质end3.2 pn结的形成及特性结的形成及特性 3.2.1 pn结的形成结的形成 3.2.3 pn结的单向导电性结的单向导电性 3.2.4 pn结的反向击穿结的反向击穿 3.2.5 pn结的电容效应结的电容效应 3.2.2 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 p 型半导体，另型半导体，另一侧掺杂成为一侧掺杂成为 n 型半导体，两个区域的交界处就形成了型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 pn 结结。 pnpn结结图图

11、 pn 结的形成结的形成3.2.1 pn 3.2.1 pn 结的形成结的形成 3.2.2 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散漂移运动：漂移运动： 由电场作用引起的载流子的运动称为由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动漂移运动。扩散运动：扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散扩散运动运动。 pn 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区pn1. 扩散运动扩散运动2. 扩散运动扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区电 子 和 空 穴电 子 和 空 穴浓度差形成浓度差形成多数多数载流子的扩散运载流子的扩散运动。动。 pn 结

12、，耗结，耗尽层。尽层。pn （动画1-3）3. 空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场pn空间电荷区空间电荷区内电场内电场uho空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 uho 电位壁垒电位壁垒； 内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4. 漂移运动漂移运动内电场有利内电场有利于少子运动于少子运动漂漂移。移。 少子的运动少子的运动与多子运动方向与多子运动方向相反相反 阻挡层阻挡层5. 扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增

13、加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，pn 结总的电流等结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。扩散运动与漂移运动达到动态平衡。pn 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, ,分别形成分别形成n n型半导体和型半导体和p p型半导体。此时将在型半导体。此时将在n n型半型半导体和导体和p p型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: : 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

14、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 1. 外加正向电压时处于导通状态外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层vri空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。图图 1.1.6pn什么是什么是pn结的单向结的单向导电性？导电性？有什么作用？有什么

15、作用？在在 pn 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 r。2. 外加反向电压时处于截止状态外加反向电压时处于截止状态( (反偏反偏) )反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流散电流，电路中产生反向电流 i ；由于少数载流子浓度很低，反向电

16、流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。耗尽层耗尽层图图 1.1.7pn 结加反相电压时截止结加反相电压时截止 反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随着温度升高，随着温度升高， is 将急剧增大将急剧增大。pn外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向vris 当当 pn 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，正向电流， pn 结处于结处于 导通状态导通状态； 当当 pn 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，几乎等于零， pn 结处于结处于截止

17、状态截止状态。 （动画1-4） （动画1-5）综上所述：综上所述：可见，可见， pn 结具有结具有单向导电性单向导电性。 (3) pn(3) pn结结v v- -i i 特性表达式特性表达式其中其中pnpn结的伏安特性结的伏安特性)1e (/sdd tviivi is s 反向饱和电流反向饱和电流v vt t 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（t t=300k=300k）v026. 0 qktvtmv 26 3.2.4 pn结的反向击穿结的反向击穿 当当pnpn结的反向电压结的反向电压增加到一定数值时，反增加到一定数值时，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

18、现象称为pnpn结的结的反向反向击穿。击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆 3.2.5 pn结的电容效应结的电容效应(1) (1) 扩散电容扩散电容cd扩散电容示意图扩散电容示意图 当当pn结处于正向偏置时，扩结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过散运动使多数载流子穿过pn结，在结，在对方区域对方区域pn结附近有高于正常情况结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于取决于pn结上所加正向电压值的大结上所加正向电压值的大小。离结越远，由于空穴与电子的小。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随

19、之减小。复合，浓度将随之减小。 若外加正向电压有一增量若外加正向电压有一增量 v，则相应的空穴（电子）扩散运动在则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量结的附近产生一电荷增量 q，二者，二者之比之比 q/ v为扩散电容为扩散电容cd。 3.2.5 pn结的电容效应结的电容效应 (2) (2) 势垒电容势垒电容c cb bend3.3 二极管二极管 3.3.1 二极管的结构二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数3.3.1 二极管的结构二极管的结构 在在pnpn结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为

20、一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型点接触型、面接触型两大两大类。类。(1) (1) 点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 pn pn结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电路。变频等高频电路。（a）面接触型）面接触型 （b）集成电路中的平面型）集成电路中的平面型 （c）代表符号）代表符号 (2) (2) 面接触型二极管面接触型二极管 pn pn结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型半导体二极管图片end2.4 二极管

21、基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 2.4.1 二极管二极管v- i 特性的建模特性的建模 2.4.2 应用举例应用举例 3.3.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示0 d/v0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40id/ aid/ma死区死区vthvbr硅二极管硅二极管2 2cp10cp10的的伏安伏安特性特性+idvd-r正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性开启电压：开启电压：0.5v导通电压：导通电压：0.7) 1e(stuuii一、伏安特性一

22、、伏安特性0 d/v0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40id/ aid/mavthvbr锗二极管锗二极管2 2ap15ap15的的伏安伏安特性特性uonu(br)开启电压：开启电压：0.1v导通电压：导通电压：0.2v 3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数(1) (1) 最大整流电流最大整流电流i if f(2) (2) 反向击穿电压反向击穿电压v vbrbr(3) (3) 反向电流反向电流i ir r(4) (4) 极间电容极间电容c cd d（c cb b、 c cd d ）(5) (5) 反向恢复时间反向恢复时间t trrrrend3.4

23、 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 3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的v v - -i i 特性曲线。特性曲线。例例3.4.1 电路如图所示，

24、已知二极管的电路如图所示，已知二极管的v-i特性曲线、电源特性曲线、电源vdd和电阻和电阻r，求二极管两端电压，求二极管两端电压vd和流过二极管的电流和流过二极管的电流id 。 解：由电路的解：由电路的kvlkvl方程，可得方程，可得 rviddddv dddd11vrri v即即 是一条斜率为是一条斜率为- -1/r的直线，称为的直线，称为负载线负载线 q的坐标值（的坐标值（vd，id）即为所求。）即为所求。q点称为电路的点称为电路的工作点工作点 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管v v- -i i 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数

25、模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特性的等效模型。管特性的等效模型。)1e (dsd tviiv（1 1）理想模型）理想模型 （a a）v v- -i i特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管v v- -i i 特性的建模特性的建模（2 2）恒压降模型）恒压降模型（a）v-i特性特性 （b）电路模型）电路模型 （3 3）折线模型）折线模型（a）v-i特性特性 （b）电路模型）电路模型

26、3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管v v- -i i 特性的建模特性的建模（4 4）小信号模型）小信号模型vs =0 时时, q点称为静态工作点点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。)(11sddddvv vrrivs =vmsin t 时（时（vmvt 。 （a）v-i特性特性 （b）电路模型）电路模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（1 1）整流电路）整流电路（a）电路图）电路图 （b）vs和和vo的波形的波形2 2模型分析法应用

27、举例模型分析法应用举例（2 2）静态工作情况分析）静态工作情况分析v 0d vma 1/ddd rvi理想模型理想模型（r=10k ） 当当vdd=10v 时，时，ma 93. 0/ )(dddd rvvi恒压模型恒压模型v 7 . 0d v（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型v 5 . 0th v（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）ma 931. 0dthddd rrvvi k 2 . 0dr设设v 69. 0ddthd rivv当当vdd=1v 时，时， （自看）（自看）（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习惯画法 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举

28、例（3 3）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，r = 1k，vref = 3v，二极管为硅二极管。分别用理想模型，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当和恒压降模型求解，当vi = 6sin t v时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压vo的波形。的波形。 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（4 4）开关电路）开关电路电路如图所示，求电路如图所示，求ao的电压值的电压值解：解： 先断开先断开d，以，以o为基准电位，为基准电位， 即即o点为点为0v。 则接则接d阳极的电位为阳极的电位为- -6v，接阴，接阴极的电位为极的电位为- -12v。阳极电位高于阴极电位，

29、阳极电位高于阴极电位，d接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，d的压降等于零，即的压降等于零，即a点的电位就是点的电位就是d阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，ao的电压值为的电压值为- -6v。end2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（6 6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析图示电路中，图示电路中，vdd = 5v，r = 5k ，恒压降模型的，恒压降模型的vd=0.7v，vs = 0.1sin t v。（1）求输出电压）求输出电压vo的交流量和总量；（的交流量和总量；（2）绘出）绘出vo的波形。的波形。 直流通路、交流通路、静态、动态等直流通路、交流通路、静态、动态

30、等概念，在放大电路的分析中非常重要。概念，在放大电路的分析中非常重要。3.5 特殊二极管特殊二极管 3.5.1 齐纳二极管齐纳二极管( (稳压二极管稳压二极管) ) 3.5.2 变容二极管变容二极管 3.5.3 肖特基二极管肖特基二极管 3.5.4 光电子器件光电子器件3.5.1 稳压二极管稳压二极管一、稳压管的伏安特性一、稳压管的伏安特性(a)符号符号(b)2cw17 伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。dz(1) 稳定电压稳定电压uz(2) 动态电阻动态电阻rz 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向工作电流工作电流iz下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。rz = vz / iz(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 pzm(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 izmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 izmin(5)温度系数温度系数 vz二、稳压管的主要参数二、稳压