第1章 半导体二极管及其应用电路

1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础第第1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路半导体基础知识半导体基础知识1.1半导体二极管半导体二极管1.2二极管组成的基本应用电路二极管组成的基本应用电路1.31.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体1.1 半导体基础知识半导体基础知识 导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，如硅、锗、硒、砷化镓等。如硅、锗、硒、砷化镓等。 常用的半导体材料是硅（常用的半导体材料是硅（SiSi）和锗（）和锗（GeGe），它们都是），它们都是4 4价元素，原子的最外层轨道上都有价元素，原子的最外层轨道上都有

2、4 4个价电子个价电子， 完全纯净的具有晶体结构的半导体称为完全纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。本征半导体。 由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子。而成为自由电子。自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴。留有一个空位置，称为空穴。共价键共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡动态平

3、衡 本征激发本征激发 复合复合运载电荷的粒子称为运载电荷的粒子称为载流子载流子，半导体中有半导体中有两种载流子参与导电两种载流子参与导电 。外加电场时，外加电场时，自由电子作定向运动形成自由电子作定向运动形成 电子电流电子电流。 价电子递补空穴的运动形成价电子递补空穴的运动形成 空穴电流。空穴电流。 总电流是总电流是电子电流电子电流和和空穴电流空穴电流之和。之和。 1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体杂质半导体。 1.N1.N型半导体型半导体在本征半导体中掺入五价元素，例如磷，砷等

4、，称为在本征半导体中掺入五价元素，例如磷，砷等，称为N N型半导体型半导体。 5磷（磷（P P）多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴施主原子施主原子N N型半导体主要靠电子导电，掺入杂质型半导体主要靠电子导电，掺入杂质越多，电子浓度越高，导电性越强。越多，电子浓度越高，导电性越强。 2.P2.P型半导体型半导体在本征半导体中掺入三价元素，例如在本征半导体中掺入三价元素，例如硼、镓硼、镓等，称为等，称为P P型半导体型半导体。 多数载流子多数载流子空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子3硼（硼（B）受主原子受主原子P P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质型半导体主

5、要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。越多，空穴浓度越高，导电性越强。少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度由掺杂决定由掺杂决定1.1.3 PN1.1.3 PN结结1.PN1.PN结的形成结的形成物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。扩散运动扩散运动P区空穴浓区空穴浓度远高于度远高于N区。区。N区自由电子区自由电子浓度远高于浓度远高于P区。区。 扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电区的自由电子浓度降低，产生内电场。子浓度降低，产生内电场。因内电场作用所产

6、生的因内电场作用所产生的运动称为漂移运动。运动称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。也称也称“耗尽层耗尽层”2. PN结的单向导电性结的单向导电性（1 1）PNPN结外加正向电压结外加正向电压 PN结加正向

7、电压导通：结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。结处于导通状态。2. PN结的单向导电性结的单向导电性（2 2）PNPN结外加反向电压结外加反向电压 PN结加反向电压截止：结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。3. PN结的电容效应结的电容效应PNPN结具有电容效应，与之等效的电容，称为结电容。结具有电容效应，与之等效的

8、电容，称为结电容。 结电容一般都很小，结面积小的约结电容一般都很小，结面积小的约1pF左右，结面积大左右，结面积大的大约的大约几十至几百几十至几百pF。 对于低频信号呈现很大的容抗，其作用可以忽略不计，对于低频信号呈现很大的容抗，其作用可以忽略不计，只有在信号频率较高时才考虑结电容的影响。只有在信号频率较高时才考虑结电容的影响。 若若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！考虑结电容时的等效电路考虑结电容时的等效电路1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 二极管的结构和类型二极管的结构和类型将将PNPN结加上两个电极引线和管壳，就成为

9、半导体二极管。结加上两个电极引线和管壳，就成为半导体二极管。 小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管点接触型：点接触型：它的它的PNPN结面积很小，因此不能通过较大电流，但由于结电容小，结面积很小，因此不能通过较大电流，但由于结电容小，能在高频下工作，故一般适用于高频检波和小功率的工作，也用作能在高频下工作，故一般适用于高频检波和小功率的工作，也用作数字电路中的开关元件。数字电路中的开关元件。 面接触型：面接触型：结面积大，结电容大，故可通过较大电流，适用于低频及大结面积大，结电容大，故可通过较大电流，适用于低频及大功率整流电路中。功率整流电路

10、中。平面型：平面型：它用二氧化硅作保护层，使它用二氧化硅作保护层，使PN结不受污染，从而大大减小了结不受污染，从而大大减小了PN结两端的漏电流。因此，它的质量较好，批量生产中产品性能比结两端的漏电流。因此，它的质量较好，批量生产中产品性能比较较致。其中致。其中PN结面积大的可用作大功率整流和调整管，结面积大的可用作大功率整流和调整管，PN结面积小结面积小的可作高频管或高速开关管。的可作高频管或高速开关管。 材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.60.8V1A以下以下锗锗Ge0.1V0.20.3V几几十十A 1.2.2 二极管的伏安特性曲线二极管的伏

11、安特性曲线二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。开启开启电压电压反向饱和反向饱和电流电流击穿击穿电压电压) 1(TVvSeIi二极管的电流方程：二极管的电流方程：常温下（常温下（T=300K），）， 26mV。 TV从二极管的伏安特性可以看出从二极管的伏安特性可以看出：1.单向导电性单向导电性) 1e (TSVvIi正向特性为指正向特性为指数曲线数曲线TeSTVvIiVv，则若正向电压STIiVv，则若反向电压反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线2.伏安特性受温度影响性伏安特性受温度影响性T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降v

12、 反向饱和电流反向饱和电流IS，V(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移增大增大1倍倍/10 1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IFM二极管长期连续工二极管长期连续工作时，作时，允许通过的最大正允许通过的最大正向平均电流。向平均电流。 (2) 最高反向工作电压最高反向工作电压VRM保证二极管不被保证二极管不被反向击穿而允许外加的反向击穿而允许外加的最大反向电压。最大反向电压。 (3) 反向饱和电流反向饱和电流IS 是管子未击穿时的反向电流值。是管子未击穿时的反向电流值。IS越小，二极管的单向导电性越好。越小，二极管的单向

13、导电性越好。硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安级；锗二极管在微安( A)级。级。 (4) 最高工作频率最高工作频率fM fM是是二极管工作的上限频率。超过此值，由于结电容的作用，二极管二极管工作的上限频率。超过此值，由于结电容的作用，二极管的单向导电性将不能很好的体现。的单向导电性将不能很好的体现。 1.2.4 二极管的等效模型二极管的等效模型1. 实用模型实用模型近似分析近似分析中最常用中最常用导通时导通时VDVon截止截止时时IS02. 理想模型理想模型理想理想二极管二极管理想开关理想开关导通时导通时 VD0截止时截止时IS0应应根据不同情况

14、选择根据不同情况选择不同的等效模型！不同的等效模型！100V？5V？3. 低频小信号交流等效模型（低频小信号交流等效模型（微变等效电路微变等效电路） 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用DDdivrDDdvir1DDdvdi) 1(eTSVvDDIiDVvSdveIdTD)1(TDVvTSeVITDVvSTeIV1) 1(1TDVvSTeIVTDVI)()(26mAImVI

15、VrDDTdQ点越高，点越高，rd越小。越小。静态电流静态电流 1.2.5 其它类型二极管其它类型二极管1. 稳压二极管稳压二极管稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管。稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用，故简称稳压管。故简称稳压管。 进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流（1）稳定电压）稳定电压VZ稳压管的主要参数稳压管的主要参数: : 稳定电压是稳压管在正常工作时管子两端的电压。稳定电压是稳压管在正常工

16、作时管子两端的电压。 （2）稳定电流）稳定电流IZ（3 3）电压温度系数）电压温度系数IZ是稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流小于此值，稳压管的是稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流小于此值，稳压管的稳压效果变差，电流大于此值，只要不超过额定功耗，电流越大，稳稳压效果变差，电流大于此值，只要不超过额定功耗，电流越大，稳压效果越好。压效果越好。表示温度每变化表示温度每变化1，稳压值的变化量。这是说明稳压值受温度变化，稳压值的变化量。这是说明稳压值受温度变化影响的参数。影响的参数。 （4 4）动态电阻动态电阻rzrzVZ /IZ（5）最大允许耗散功率）最大允许耗散功率PZMPZM IZM V

17、Z2. 发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管也具有单向导电性也具有单向导电性。只有当外加的正向电压使得正向。只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，它的开启电压比普通二极管的大，红色的电流足够大时才发光，它的开启电压比普通二极管的大，红色的在在1.61.8V之间，绿色的约为之间，绿色的约为2V。 发光二极管导通以后（有电流通过），能发出红、黄、绿、橙等发光二极管导通以后（有电流通过），能发出红、黄、绿、橙等不同颜色的光，发光颜色取决于管子所用的材料。不同颜色的光，发光颜色取决于管子所用的材料。 3光电二极管光电二极管 光电二极管是远红外线接收管，是一种光电转换器件。光电二极管是远红

18、外线接收管，是一种光电转换器件。 它的结构与它的结构与PN结二极管类似，但在它的结二极管类似，但在它的PN结处，通过管壳上的一结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照，并将接收到的光的强弱变化转换个玻璃窗口能接收外部的光照，并将接收到的光的强弱变化转换成电流的变化。成电流的变化。这种器件正常工作时，这种器件正常工作时， PN结处于反向偏置状态结处于反向偏置状态，它的反向电流会随光照强度（照度）的增加而增加。它的反向电流会随光照强度（照度）的增加而增加。 4. 变容二极管变容二极管变容二极管是根据二极管外加反向电压时，其变容二极管是根据二极管外加反向电压时，其等效电容随外加反等效电容随外加

19、反向电压的变化而变化向电压的变化而变化的特性制成的一种半导体器件相当于压控电的特性制成的一种半导体器件相当于压控电容。容。 根据二极管的等效模型分析二极管电路的方法如下：根据二极管的等效模型分析二极管电路的方法如下： 假设二极管断开，分别求出二极管的阳极和阴极电位，假设二极管断开，分别求出二极管的阳极和阴极电位，如果阳极和阴极之间的电位差大于二极管的导通电压（硅管如果阳极和阴极之间的电位差大于二极管的导通电压（硅管0.7V，锗管锗管0.2V），二极管导通，否则二极管截止。如果二极管导通，），二极管导通，否则二极管截止。如果二极管导通，二极管等效为一个电压源，二极管的阳极是电压源的正极，阴极是二

20、极管等效为一个电压源，二极管的阳极是电压源的正极，阴极是电压源的负极，电压源的大小等于二极管的导通电压。如果二极管电压源的负极，电压源的大小等于二极管的导通电压。如果二极管截止，相当于开路。截止，相当于开路。 对于理想二极管，阳极和阴极之间的电位差大于对于理想二极管，阳极和阴极之间的电位差大于0时，二极管时，二极管导通。导通时，二极管相当于短路；阳极和阴极之间的电位差小于导通。导通时，二极管相当于短路；阳极和阴极之间的电位差小于等于等于0时，二极管截止。这时，二极管看成开路。时，二极管截止。这时，二极管看成开路。1.2.6 二极管组成的基本应用电路二极管组成的基本应用电路1.2.6 二极管组成

21、的基本应用电路二极管组成的基本应用电路例例1.2.1 如图如图1.2.8所示电路，所示电路，R=1k，VREF=3V，二极管为硅管。分，二极管为硅管。分别用理想化模型和实用化模型求解以下两问：（别用理想化模型和实用化模型求解以下两问：（1）vI=0V、3.3V、5V时，求出相应的输出电压值；（时，求出相应的输出电压值；（2）当）当vI=6sint(V)时，画出相应时，画出相应的输出电压波形。的输出电压波形。 解：解：（1）vI（V）03.35(理想模型理想模型)二极管状态二极管状态vO(V） (实用模型实用模型)二极管状态二极管状态vO(V）00333.33.7截止截止导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通1. 限幅