第1章 半导体二极管及其基本电路

1、模 拟 电 子 技 术1.1半导体的基础知识半导体的基础知识1.2半导体二极管半导体二极管1.3稳压稳压二极管二极管小结小结模 拟 电 子 技 术1.1.1本征半导体本征半导体1.1.2杂质半导体杂质半导体1.1.3PN结及其特性结及其特性模 拟 电 子 技 术半导体的特点半导体的特点1.热敏性：热敏性：半导体的导电能力与温度有关利半导体的导电能力与温度有关利用该特性可做成热敏电阻用该特性可做成热敏电阻2.光敏性：光敏性：半导体的导电能力与光的照射有关半导体的导电能力与光的照射有关系利用该特性可做成光敏电阻系利用该特性可做成光敏电阻3.掺杂性：掺杂性：掺如有用的杂质可以改变半导体的掺如有用的杂

2、质可以改变半导体的导电能力利用该特性可做成半导体器件导电能力利用该特性可做成半导体器件模 拟 电 子 技 术1.1.1 本征半导体本征半导体半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。模 拟 电 子 技 术硅硅( (锗锗) )的原子结构的原子结构简化简化模型模型惯性核惯性核价电子价电子( (束缚电子束缚电子) )1、半导体的原子结构、半导体的原子结构模 拟 电 子 技 术2、本征半导体的晶体结构、本征半导体的晶体结构硅硅( (锗锗) )的共价键结构的共价键结构共价键共价键

3、 相邻原子共有价电子所形成的束缚。相邻原子共有价电子所形成的束缚。模 拟 电 子 技 术3、本征半导体的导电情况、本征半导体的导电情况自自由由电电子子空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动当温度为绝对零度以下时，该结构为绝缘体当温度为绝对零度以下时，该结构为绝缘体在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位成为自由电子，并在共价键中留下一个空位( (空穴空穴) )模 拟 电 子 技 术本征激发：本征激发：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程

4、。对消失的过程。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。 在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位个空位( (空穴空穴) )的过程。的过程。自由运动的自由运动的带电粒子带电粒子模 拟 电 子 技 术两种载流子两种载流子电子电子( (自由电子自由电子) )空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由电子自由电子( (在共价键以外在共价键以外) )的运动的运动空穴空穴( (在共价键以内在共价键以内) )的运动的运动 结论结论：1. 本征半

5、导体中电子空穴成对出现，且数量少；本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。模 拟 电 子 技 术1.1.2 杂质半导体杂质半导体一、一、N 型半导体型半导体N 型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数模 拟 电 子 技 术二、二、 P 型半导体型半导体P 型型+3+4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电

6、子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数模 拟 电 子 技 术三、杂质半导体的导电作用三、杂质半导体的导电作用IIPINI = IP + INN 型半导体型半导体 I INP 型半导体型半导体 I IP模 拟 电 子 技 术四、四、P 型、型、N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子正离子正离子多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子P 型：型：N 型：型：模 拟 电 子 技 术1.1.3 PN 结结一、一、PN 结结( (PN Junction) )的形成的形成1. 载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2. 复合

7、使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区产生了一个内电场，电场的作用是阻碍多子产生了一个内电场，电场的作用是阻碍多子的扩散促进少子产生漂移的扩散促进少子产生漂移内建电场内建电场此时产生了两种电流：扩散电流和漂移电流此时产生了两种电流：扩散电流和漂移电流模 拟 电 子 技 术3. 继续扩散和漂移达到继续扩散和漂移达到动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流， 总电流总电流 I = 0。二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性 1）. 外加外加正向正向电压电压( (正向偏置正向偏置) ) forward bias此时形成的空间电荷区域称为此时形成的空间电荷区域称为PN

8、结（耗尽层）结（耗尽层）1.定性分析定性分析模 拟 电 子 技 术P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。 IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF 。IF = I多子多子 I少子少子 I多子多子2）. 外加外加反向反向电压电压( (反向偏置反向偏置) ) reverse bias P 区区N 区区内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动， 空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电

9、阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR = I少子少子 0模 拟 电 子 技 术2、定量估算、定量估算) 1e (/STUuII反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T = 300( (27 C) )：加正向电压时加正向电压时加反向电压时加反向电压时iISUT = 26 mV模 拟 电 子 技 术3、伏安特性、伏安特性Ou /VI /mA反向击穿反向击穿正向特性正向特性反向特性

10、反向特性模 拟 电 子 技 术1.2.1 半导体二极管的结构和类型1.2.2 半导体二极管的伏安特性1.2.3 半导体二极管的主要参数1.2.4 半导体二极管的模型模 拟 电 子 技 术1.2.1 半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型构成：构成： PN 结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管( (Diode) )符号：符号：A ( (anode) )C ( (cathode) )分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型模 拟 电 子 技 术点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型

11、锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性一、一、PN 结的伏安方程结的伏安方程)1e (/SDD TUuIi反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 电子电量电子电量玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数当当 T = 300( (27 C) )：UT = 26 mV模 拟 电 子 技 术二、二极管的伏安特性

12、二、二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V( (硅管硅管) )( (锗管锗管) )U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3) V锗管锗管 0.2 V反向特性反向特性U (BR)反向击穿反向击穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A( (硅硅) ) 几十几十 A ( (锗锗) )U U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大 ( (反向击穿反向击穿) )模 拟 电 子 技 术反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击

13、穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因： 齐纳击穿齐纳击穿：( (Zener) )反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 ( (击穿电压击穿电压 6 V，正，正温度系数温度系数) )击穿电压在击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。模 拟 电 子 技 术硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020模 拟 电 子 技 术1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.

14、IF 最大整流电流最大整流电流( (最大正向平均电流最大正向平均电流) )2. URM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为为 U(BR) / 2 3. IR 反向电流反向电流( (越小单向导电性越好越小单向导电性越好) )4. fM 最高工作频率最高工作频率( (超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差) )iDuDU (BR)I FURMO模 拟 电 子 技 术1 理想二极管模型理想二极管模型特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD = 0；反偏截止，；反偏截止， iD = 0 U(BR) = 1.2.4 半导体二极管的模型半导体二极管的模型模 拟 电 子

15、技 术uD = UD(on)0.7 V (Si)0.2 V (Ge)2 二极管的恒压降模型二极管的恒压降模型模 拟 电 子 技 术1. 3特殊二极管特殊二极管 稳压二极管稳压二极管模 拟 电 子 技 术 稳压二极管稳压二极管一、伏安特性一、伏安特性符号符号工作条件：工作条件：反向击穿反向击穿iZ /mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ特性特性模 拟 电 子 技 术二、主要参数二、主要参数1. 稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。两端的反向电压值。2. 稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，越大稳压效果越好， 小于小于

16、 Imin 时不稳压。时不稳压。3. 最大工作电流最大工作电流 IZM 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 动态电阻动态电阻 rZrZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几几 几十几十 模 拟 电 子 技 术5. 稳定电压温度系数稳定电压温度系数 C%/100ZZTUU模 拟 电 子 技 术小小 结结第第 1 章章模 拟 电 子 技 术一、两种半导体和两种载流子一、两种半导体和两种载流子两种载流两种载流子的运动子的运动电子电子 自由电子自由电子空穴空穴 价电子价电子两两 种种半导体半导体N 型型 ( (多电子多电子) )P 型型 ( (多空穴多空穴) )二极管二极管单向单向正向电阻小正向电阻小( (理想为理想为 0) )，反向电阻大反向电阻大( ( ) )。)1e (DSD TUuIi)1e ( , 0DSDD TUuIiu0 , 0SD IIu模 拟 电 子 技 术iDO uDU (BR)I FURM正向正向 最大平均电流最大平均电流 IF反向反向 最大反向工作电压最大反向工作电压 U(BR)( (超过则击穿超过则击穿) )反向饱和电流反向饱和电流 IR ( (IS) )( (受温度影响受温度影响) )IS模 拟 电 子 技 术3. 二极管的等效