半导体器件的基本特性

1、6.1 半导体的基本知识半导体的基本知识6.3 二极管二极管6.5 特殊二极管特殊二极管6.2 PN结的形成及特性结的形成及特性6.4 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6.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 6.1.1 半导体材料半导体材料 6.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 6.1.3 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 6.1.4 杂质半导体杂质半导体 根据材料导电能力根据材料导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。来划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体典型的半导体材料材料有硅有硅(Si)

2、和锗和锗(Ge)以及以及砷化镓砷化镓(GaAs)等。等。导导 体：体： 电阻率电阻率 109 cm半导体：电阻率半导体：电阻率介于前两者之间介于前两者之间。 6.1.1 半导体材料半导体材料 6.1.1 半导体材料半导体材料 当半导体受到光照时，导电能力大幅度增强，制成的光当半导体受到光照时，导电能力大幅度增强，制成的光敏二极管可以用于光敏控制。敏二极管可以用于光敏控制。半导体半导体材料材料三大基本特性：三大基本特性：1.半导体的热敏性半导体的热敏性(temperature sensitive). 环境温度升高时，半导体的导电能力大幅度增环境温度升高时，半导体的导电能力大幅度增强，制成的热敏电

3、阻可以用于温度控制。强，制成的热敏电阻可以用于温度控制。T电导率电导率 s s 2.半导体的光敏性半导体的光敏性( light sensitive)IVmA半导体半导体T 1. 5光照度光照度 光照光照Doping impuritive) 6.1.1 半导体材料半导体材料 要理解这些特性，就必须从半导体要理解这些特性，就必须从半导体的原子结构谈起。半导体的导电能力与的原子结构谈起。半导体的导电能力与价电子密切相关，所以为了突出价电子价电子密切相关，所以为了突出价电子的作用，我们采用下图所示的简化原子的作用，我们采用下图所示的简化原子结构模型。结构模型。 6.1.2 半导体的共价键结构半导体的共

4、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本征半导体本征半导体 半导体的原子结构为半导体的原子结构为每个原子每个原子都处在正四面体的中心，都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四而四个其它原子位于四面体的顶点。面体的顶点。完全纯净、结构完整的半导体晶体。称为本征半完全纯净、结构完整的半导体晶体。称为本征半导体。导体。纯度纯度 6个个9(99.9999 %) 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。半导

5、体的共价键结构半导体的共价键结构(coovalent bond) 共价键结构共价键结构硅单晶材料硅单晶材料+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4 纯净的单晶半导体称为本征半导体。在本征硅和锗的纯净的单晶半导体称为本征半导体。在本征硅和锗的单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵单晶中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵(称为称为晶格晶格)。由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子。由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子所共有，从而形成共价键。这样四

6、个价电子与为相邻原子所共有，从而形成共价键。这样四个价电子与相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共相邻的四个原子中的价电子分别组成四对共价键，依靠共价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。上图是单晶硅或价键使晶体中的原子紧密地结合在一起。上图是单晶硅或锗的共价键结构平面示意图。共价键中的电子，由于受到锗的共价键结构平面示意图。共价键中的电子，由于受到其原子核的吸引，是不能在晶体中自由移动的，所以是束其原子核的吸引，是不能在晶体中自由移动的，所以是束缚电子，不能参与导电。缚电子，不能参与导电。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度(T =0K)和没有外界激发时和没有外

7、界激发时, ,价电子完全被共价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流即载流子子) , 它的导电能力为它的导电能力为0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个，同时共价键上留下一个空位，称为空位，称为空穴空穴。本征半导体中的载流子：本征半导体中的载流子：free electron)空穴空穴(mobile hole)+4+4+4+4空穴空穴自由电子自由电

8、子 6.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。晶体形态。空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而产生的自由电子和空穴对。产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子是靠相邻共价键中的价电子依次填依次填充充空穴来实现的。空穴来实现的。由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对 6.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中在本征半

9、导体中有选择地掺入少量其它元素有选择地掺入少量其它元素，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, ,这些少量元素这些少量元素统称为杂质。掺入杂质的半导体称为统称为杂质。掺入杂质的半导体称为杂质半导体杂质半导体。根据掺入的杂质不同，有根据掺入的杂质不同，有N型半导体型半导体和和P型半导体型半导体两种。两种。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入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杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。一般采用一般采用高高温扩散工艺温扩散工艺进行掺杂进行掺杂. 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

10、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。Semiconductors )在硅或锗晶体中掺入少量的五在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子很容必定多出一个电子，这个电子很容易被激发而成为自由电子，磷原子易被激发而成为自由电子，磷原子是不能移动的带正电的离子。每个是不能移动的带正电

11、的离子。每个磷原子给出一个电子，称为磷原子给出一个电子，称为施主杂施主杂质质(donor impurity)。本征本征硅或锗硅或锗 +少量磷少量磷 N型半导体型半导体多余电子多余电子在在N型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子( 多子多子 )，它主要由杂，它主要由杂质原子提供；质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子( 少子少子 ), , 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正离子，由提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，由于五价原子释放电子，因此五价杂质原子也称为于五价原子释放电子，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质

12、。施主杂质施主杂质自由电子自由电子2. P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些原子被杂质取代。硼原子的的某些原子被杂质取代。硼原子的最外层有三个价电子最外层有三个价电子, 与相临的硅与相临的硅或锗原子形成共价键时或锗原子形成共价键时, 产生一个产生一个空穴空穴, 这个空穴可能吸引束缚电子这个空穴可能吸引束缚电子来填补。来填补。 使得硼原子成为不能移使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受电子，所以称为受主杂质受主杂质(acceptor

13、impurity) 。本征硅或锗本征硅或锗 +少量硼少量硼 P型半导体型半导体空穴空穴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；自由电子是少数载流子自由电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。受主杂质受主杂质杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法半导体半导体半导体半导体3、杂质半导体的载流子浓度、杂质半导体的载流子浓度 在以上两种杂质半导体中，尽管掺入的在以上两种杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流杂质浓度很小，但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征载流子数。子数却远大于本征载流子数。 杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，

14、杂质半导体中的少子浓度，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两会随多子浓度的变化而变化。在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。用的平方。用 ND表示施主原子的浓度，表示施主原子的浓度， NA表示受主原子的表示受主原子的浓度；即对浓度；即对N型半导体，多子型半导体，多子nn与少子与少子pn有有AipipippDinininnNnpnnnnpNnnnpnpn222222对P型半导体，多子pp与少子np有 (12a) (12b)(13a) (13b) 由以上分析可

15、知，本征半导体通过由以上分析可知，本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，而另一种载浓度，并使一种载流子多，而另一种载流子少。对于多子，通过控制掺杂可严流子少。对于多子，通过控制掺杂可严格控制其浓度，而温度变化对其影响很格控制其浓度，而温度变化对其影响很小；对于少子，主要由本征激发决定，小；对于少子，主要由本征激发决定，因掺杂使其浓度大大减小，但温度变化因掺杂使其浓度大大减小，但温度变化时，由于时，由于ni的变化，会使少子浓度有明的变化，会使少子浓度有明显变化。显变化。 4. 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 6

16、.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、

17、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6.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 6.2.2 PN结的形成结的形成 6.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 6.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 6.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 6.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 6.2.1 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和和漂移电流漂移电流： 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。在电场作用下，半导体中

18、的载流子作定向漂移运动在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，称为形成的电流，称为漂移电流漂移电流。它类似于金属导体中。它类似于金属导体中的传导电流。的传导电流。扩散运动扩散运动和和扩散电流扩散电流： 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀形成浓度差时，载流子会从浓度大的地方向浓均匀形成浓度差时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作度小的地方作扩散运动扩散运动，从而形成，从而形成扩散电流扩散电流。 半导体中有两种载流子半导体中有两种载流子电子和空电子和空穴，当外加电场时，电子逆电场方向作定穴，当外加电场时，电子逆电场方向作定向

19、运动，形成电子电流向运动，形成电子电流In ，而空穴顺电场，而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流方向作定向运动，形成空穴电流Ip 。虽然。虽然它们运动的方向相反，但是电子带负电，它们运动的方向相反，但是电子带负电，其电流方向与运动方向相反，所以其电流方向与运动方向相反，所以In和和Ip的的方向是一致的，均为空穴流动的方向。因方向是一致的，均为空穴流动的方向。因此，半导体中的总电流为两者之和，即此，半导体中的总电流为两者之和，即 I=In+Ip 漂移电流的大小将由半导体中载流子漂移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。决定。

20、 6.2.2 PN结的形成结的形成 通过掺杂工艺，把本征硅通过掺杂工艺，把本征硅(或锗或锗)片片的一边做成的一边做成P型半导体，另一边做成型半导体，另一边做成N型型半导体，这样在它们的半导体，这样在它们的交界面处会形成交界面处会形成一个很薄的特殊物理层一个很薄的特殊物理层，称为，称为PN结结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由中，最简单的晶体二极管就是由PN结构结构成的。因此，讨论成的。因此，讨论PN结的特性实际上就结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性。是讨论晶体二极管的特性。 6.2.2 PN结的形成结的形成 P型半导体和型半导

21、体和N型半导体有机地结合在一型半导体有机地结合在一起时，因为起时，因为P区一侧空穴多，区一侧空穴多，N区一侧电子多，区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是于是P区中的空穴会向区中的空穴会向N区扩散，并在区扩散，并在N区被电区被电子复合。而子复合。而N区中的电子也会向区中的电子也会向P区扩散，并区扩散，并在在P区被空穴复合。这样在区被空穴复合。这样在P区和区和N区分别留下区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图过程如图32(a)所示。结果在界面的两侧形成所示。结果在界面的两侧

22、形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图32(b)所示。所示。 6.2.2 PN结的形成结的形成P(a)NP(b)N空间电荷区内电场UB 图图32 PN结的形成结的形成 6.2.2 PN结的形成结的形成 开始时，扩散运动占优势，随着扩散运开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，界面两侧显露出的正、负离子动的不断进行，界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多，空间电荷区增宽，使内电场不断增逐渐增多，空间电荷区增宽，使内电场不断增强，于是漂移运动随之增强，而扩散运动相对强，于是漂移运动随之增强，而扩散运动相对减弱。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场减弱

23、。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。这时，虽然扩散和漂移仍在不断进行，但通过这时，虽然扩散和漂移仍在不断进行，但通过界面的净载流子数为零。平衡时，空间电荷区界面的净载流子数为零。平衡时，空间电荷区的宽度一定，的宽度一定，UB也保持一定，如下图所示。由也保持一定，如下图所示。由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽区也称为耗尽区(层层)。又因为空间电荷区的内电。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它

24、为阻挡区或势垒区。称它为阻挡区或势垒区。 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: :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。浓度差浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动 杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内建电场空间电荷区形成内建电场 内电场促使少子漂移，阻止多内电场促使少子漂移，阻止多子扩散子扩散空间

25、空间电荷区电荷区离子薄层形成的离子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结也称也称耗尽层耗尽层对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结型半导体结合面，离子薄层形成的合面，离子薄层形成的空间电荷空间电荷区区称为称为PN结结。空间电荷区，由于缺少多子，所空间电荷区，由于缺少多子，所以也称以也称耗尽层耗尽层。 6.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 (1) PN(1) PN结加正向

26、电压时结加正向电压时 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流 正向电压使正向电压使PN结内结内建电场减弱，空间电建电场减弱，空间电荷区变薄荷区变薄, , 产生较大产生较大的正向扩散电流。的正向扩散电流。扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大 6.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 (2) PN(2) PN结加反向电压时结加反向电压时 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的

27、反向漂移电流外加电场与外加电场与PN结内建电场方向结内建电场方向一致，使一致，使PN结空间电荷区变宽，结空间电荷区变宽，扩散电流趋于零，只存在少数载扩散电流趋于零，只存在少数载流子的漂移流子的漂移 ,形成形成反向饱和电流反向饱和电流其数值很小，一般为微安（其数值很小，一般为微安（ A）数量级。数量级。 PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流； PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单结具有单向导电性

28、。向导电性。 6.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 (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 D PN结方程的讨论结方程的讨论在室温下（在室温下（T=300K），设），设 VD = 100 mV, 而而 VT = 26 mV，55e4/TD eVV 1所以当所以当 VD100 mV 时，时， PN结方程可以简化为结方程可以简

29、化为TDTD/S/SDe1)(eVVVVIII同样当同样当 VD -100 mV 时，时， PN结方程可以简化为结方程可以简化为SDII1)(eSDTDVVIIVDIDIS例：已知室温例：已知室温(T=300K)下，硅下，硅PN结外加正偏结外加正偏VD为为0.7V,正向电流正向电流ID为为1mA,求反向饱和电流求反向饱和电流IS 。TDTD/S/SDe1)(eVVVVIII26mVTV27026. 07 . 01eIeImASS AeIS 92731088. 1101 6.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PNPN结的反向电压增结的反向电压增加到一定数值时，反向电加到一定数值时，反向电

30、流突然快速增加，此现象流突然快速增加，此现象称为称为PNPN结的结的反向击穿。反向击穿。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 当当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为快速增加，此现象称为PN结的结的反向击穿反向击穿。 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿反向击穿反向击穿当当 VBR4V时称为时称为“齐纳击穿齐纳击穿” VBR6V时称为时称为“雪崩击穿雪崩击穿”VBR 反向击穿电压反向击穿电压(在在 VBR 附近附近 D DI 大幅度变化，而大幅度变化，而D DV 变化很小，具有稳

31、压特性。变化很小，具有稳压特性。利用利用PN结的结的反向击穿特性反向击穿特性可以制成可以制成“稳压二极管稳压二极管”。V(V)I(mA)IDBRVVDO 6.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 6.2.5 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

32、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D DV，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D DQ，二者，二者之比之比D DQ/D DV为扩散电容为扩散电容CD。PN结存在两种电容效应结存在两种电容效应 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 BEN势垒区势垒区势垒区电荷随外加反偏势垒区电荷随外加反偏vS增大而增大，结构类似电容。增大而增大，结构类似电容。6.3 半导体二极管半导体二极

33、管 6.3.1 二极管的结构二极管的结构 6.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 6.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数6.3.1 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

34、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 6.3.2 二极管的二极管的V-I 特性特性二极管的二极管的V-I 特性曲线可用下式表示特性曲线可用下式表示)1e (/SDD TVIiv锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性 6.3.2 二极管的二极管的V-I 特性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)(/S

35、DD1TVveIi 0 D/V 0.2 0.4 0.6 20 40 60 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/ A iD/mA Vth VBR 锗二极管锗二极管2AP15的的V-I 特性特性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 6.3.3 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指二极管长期工作时允许通过的最大平均正向电流指二极管长期工作时允许通过的最大平均正向电流(2) (2) 反向击穿电压反向击穿电压V VBRBR指二极管反向击穿时的电压值指二极管反向击穿时的电压值;反向击穿时二极管可反向击穿时二极管可能过热而

36、烧坏能过热而烧坏,为确保二极管安全工作为确保二极管安全工作,器件手册会给器件手册会给出反向击穿电压出反向击穿电压VBR 的一半为反相最高工作电压的一半为反相最高工作电压.(3) (3) 反向电流反向电流I IR R指二极管未反向击穿时反向工作电流指二极管未反向击穿时反向工作电流,其值愈小其值愈小,则二极则二极管的单向导电性愈好管的单向导电性愈好,与温度有关与温度有关,温度增加温度增加,反向工作电反向工作电流会明显增加流会明显增加.(4) (4) 极间电容极间电容C Cd d（C CB B、 C CD D ）在高频和作高频开关使用时在高频和作高频开关使用时, , 必须考虑到的必须考虑到的极极间电

37、容间电容Cd 的影响的影响(5) (5) 反向恢复时间反向恢复时间T TRRRR由于结电容的影响由于结电容的影响, ,二极管外加电压从正向导通二极管外加电压从正向导通到反相截止时到反相截止时, ,其其反相电流从瞬间较大恢复到较反相电流从瞬间较大恢复到较小时的时间小时的时间.其大小影响二极管的工作频率其大小影响二极管的工作频率. 6.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数6.4 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 6.4.1 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 6.4.2 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6.4.1 简单二极管

38、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，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，

39、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二极管模型分析二极管模型分析 6.4.2 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)(/1DSD TVveIi 6.4.2 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 一一. 理想开关模型理想开关模型特点：特点：vD 0时时, ,二极管导通二极管导通; ; VD 0.7V( (硅管硅管) )时时, ,二极管导通，二极管导通， VD0.7

40、V(硅管硅管)时时, ,二极管截止。二极管截止。特点：特点：VON硅二极管硅二极管VON = 0.7V锗二极管锗二极管VON = 0.3V二极管导通二极管导通(iD 0)时，时， vD= VONV = iDR + vD= iDR + VONiD= (V VON )/RiDvD+vDiD当当 VD V th 时；时；VD= V th +iD rD ; rD为为Q点折线斜率的倒数。点折线斜率的倒数。V th是二极管的开启电压，是二极管的开启电压，硅二极管的硅二极管的Vth 约为约为0.5V 。特点：特点：DIDVD+DthrRVVI D V thrD理想二极管理想二极管模型模型QV thiDvD+

41、vDiDDiDvD+DthrRVVID 6.4.2 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四、小信号模型四、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 6.4.2 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+_u1+_u2 整整流流电电路路滤滤波波电

42、电路路稳稳压压电电路路+_u3+_u4+_uO（1 1）整流电路整流电路 整流电路的目的是把交流电压转变为整流电路的目的是把交流电压转变为直流脉动的电压直流脉动的电压。常见。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式整流等。的整流电路有单相半波、全波、桥式整流等。交流变直流交流变直流 整流整流直流变交流直流变交流 逆变逆变直流稳压电源系统框图直流稳压电源系统框图直流脉动电压波形直流脉动电压波形0tu11 1、半波整流电路、半波整流电路正半周时正半周时 u2 0 0，二极管，二极管导通。导通。忽略二极管正向压降：忽略二极管正向压降： u0= u2负半周时负半周时 u2 2 0 0，二极管，二极管截止截

43、止, ,输出电流为输出电流为0 0。 uO O = 0= 0+_u1+_u2 +_uO设电路输入为正弦信号设电路输入为正弦信号半波整流波形，半波整流波形，半波整流电路电路简单，但半波整流电路电路简单，但整流效率低。整流效率低。)V ( tUusin222直流分量直流分量+_u1+_u2 +_uO222045.02)(21UUtduUOO pppLOODRUII22UUDMAX2.全波整流电路全波整流电路D4D2D1D3桥堆内部电路桥堆内部电路桥堆典型封装桥堆典型封装D4D2D1D3全波整流电路全波整流电路带输入变压器的全波整流电路带输入变压器的全波整流电路简化电路简化电路输入电压为输入电压为正

44、半周正半周时，时，D1D3导通，导通， D2D4截止。截止。输入电压为输入电压为负半周负半周时，时，D2D4导通，导通， D1D3截止。截止。全波整流电路整流原理全波整流电路整流原理正半周正半周负半周负半周输入电压的正负半周都有输入电压的正负半周都有电流流过负载而且电流方电流流过负载而且电流方向一致（单向脉动）。向一致（单向脉动）。tUusin222tt输出电压输出电压 u0的直流分量：的直流分量：202212()2 2 0 9sin.oUUtdtUU负载平均电流为：负载平均电流为： 每个二极管中流过的电流是每个二极管中流过的电流是负载电流的一半。选择整流二负载电流的一半。选择整流二极管极管要

45、求最大整流电流满足：要求最大整流电流满足：oOMo122LUIIRooLUIRoI22mRWM2UUU2 2模型分析法应用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，

46、 （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 三种模型的计算精度比较三种模型的计算精度比较V 0D VmA D1/RVimA D93. 0/ )(RVVIONmA 931. 0DthDDD rRVVIV DDthD69. 0rIVvVS正半周时正半周时D1、D3导通，导通， D2截止截止A、C被短路，被短路， VS 的的 正半周电压全部加到正半周电压全部加到B上。上。VS负半周时负半周时D1、D3截止，截止，D2导通导通B被短路，被短路， VS 的负半周的负半周电压全部加到电压全部加到A、C上。上。VS全周期加到全周期加到A、C上的平均电压只有上的平均电压只

47、有B的一半。的一半。所以所以D1D2D3VSABC例例2.解：运用戴维宁定理解：运用戴维宁定理D5V+3K ID10V3K D+ID2.5V1.5K mA D2 . 15 . 17 . 05 . 2 I例例3.D3V+120ID1.2V120 ID = 4.5833mA300D5V+200300ID2V200 ID=(3-1.2-0.7)/240 =4.5833mA解：运用戴维宁定理解：运用戴维宁定理4截止截止导通导通08t0t8sinV, E=4Viut如果考虑二极管导通电压，则此时输出电压应为如果考虑二极管导通电压，则此时输出电压应为4.7V。，导通导通， 利用二极管的单向导电性，相当于一

48、个受外加电压极利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。性控制的开关。（4） 二极管开关二极管开关电路电路半导体二极管开关特性半导体二极管开关特性二极管电路分析方法二极管电路分析方法 ：1）先将二极管从电路中断开，分别求出其两端的正向先将二极管从电路中断开，分别求出其两端的正向电压；电压；2）根据二极管的单向导电性，二极管承受正向电压则根据二极管的单向导电性，二极管承受正向电压则 导通，反之则截止。若电路中存在两只以上导通，反之则截止。若电路中存在两只以上二极管二极管，则则正向电压大的管子优先导通正向电压大的管子优先导通。2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（4 4）开

49、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，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。所以，所以，AO的电压值为的电压值为- -6V。2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（5）低电压稳压电路）低电压稳压电路通过合理设置电路参数，利用普通通过合理设置电路参数，利用普通二极管的正向导通压降特性，可以二极管的正向导通压降特性，可以获得较好的稳压效果。获得较好的稳压效

50、果。对普通硅管对普通硅管VD近似等于近似等于0.7伏；伏；VDD 变化在二极管上的压降变化很小变化在二极管上的压降变化很小2 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。I ID D=(V=

51、(VDDDD-V-VD D)/R=(5-0.7)/5=0.86mA)/R=(5-0.7)/5=0.86mAr rd d=V=VT T/I/ID D=26/0.860.03k =26/0.860.03k 6.5 特殊二极管特殊二极管 6.5.1 齐纳二极管齐纳二极管( (稳压二极管稳压二极管) ) 6.5.2 变容二极管变容二极管 6.5.3 肖特基二极管肖特基二极管 6.5.4 光电子器件光电子器件稳压稳压二极管二极管及其应用及其应用Z IDZVDZV6.5.1 齐纳齐纳二极管二极管1. 符号及稳压特性符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压