1半导体材料及二极管小结含习题

1、半导体知识二极管知识二极管应用半导体材料及二极管 小结 1本征半导体纯净且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。在一定的温度下，本征半导体内的最重要的物理现象是本征激发（又称热激发或产生）。本征激发产生两种带电性质相反的载流子自由电子-空穴对。温度越高，本征激发越强。空穴是半导体中的一种等效载流子。空穴导电的本质是价电子依次填补本征晶格中的空位，使局部显示电荷的空位宏观定向运动。在一定的温度下，自由电子与空穴在热运动中相遇，使一对自由电子和空穴消失的现象称为载流子复合。复合是产生的相反过程，当产生等于复合时，称载流子处于平衡状态。小结一：半导体在本征Si（或Ge）中掺入微量5价（或3价）元素

2、后形成N型（或P型）杂质半导体。在很低的温度下，N型（P型）半导体中的杂质会全部电离，产生自由电子-杂质正离子对（空穴-杂质负离子对）。由于杂质电离，使N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴，而P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。在常温下，多子少子,且多子浓度几乎等于杂质浓度，与温度无关；少子浓度是温度的敏感函数。在相同掺杂和常温下，Si的少子浓度远小于Ge的少子浓度。这也是Si器件工作温度高于Ge器件的原因。2杂质半导体关键名词：本征半导体、价电子、本征激发、电子-空穴对、载流子杂质半导体、施主杂质、受主杂质N型半导体、P型半导体、多子、少子漂移电流、扩散电流导体或半导体的导电作用是

3、通过载流子的运动（形成电流）来实现的。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。在半导体中存在两类电流：一是因电场作用产生的载流子漂移电流（这与金属导电一致）；二是因载流子浓度差而产生的载流子扩散电流。 3半导体中的两种电流制作在同一硅或锗片上的P型和N型半导体的物理界面附近，会形成一个特殊的薄层PN结。PN结是非中性区（称空间电荷区），存在由N区指向P区的内建电场和内建电压；PN结内载流子数远少于结外的中性区（称耗尽层）；PN结内的电场是阻止结外两区的多子越结扩散的（称势垒层或阻挡层）。偏置外加在器件上的直流电压或电流。PN结的单向导通特性、伏安特性、电容效应

4、小结二：PN结0普通二极管内芯片就是一个PN结，P区引出正电极，N区引出负电极。在低频运用时，二极管具有单向导电特性，正偏时导通，Si管和Ge管导通电压典型值分别是0.7V和0.2V；反偏时截止，但Ge管的反向饱和电流(A量级)比Si管(pA量级)大得多。二极管的低频小信号模型就是交流电阻，它反映了在工作点Q(VD, ID)处，二极管的微变电流与微变电压之间的关系。二极管的低频大信号模型是一种开关模型，有理想开关、恒压源模型和折线模型三种近似。小结三：二极管二极管伏安特性:二极管交流电阻定义： ，估算:RD：工作点与原点连线的斜率的倒数rd：工作点切点处 斜率的倒数vD/ViDvD/ViD0.

5、14.58pA-0.1-0.098pA0.20.219nA-0.2-0.098pA0.310.26nA-0.3-0.099954pA0.40.48A-0.4-0.09999998pA0.522.45 A-0.5-0.1pA0.61.052mA-0.6-0.1pA0.657.2mA-0.7-0.1pA0.749.3mA-1-0.1pA0.75337.1mA-10-0.1pA特点：反向偏压工作状态下，电流饱和，表现出反向电流恒定的特征。将反向电流命名为：单向导电死区电压 开启电压 恒压 VON压控器件（电压控制电流）VON二极管的低频大信号模型：1. 理想开关模型：二极管正偏导通时，认为vD0，

6、RD0， rd0，正向电流由外电路决定；二极管反偏截止时，认为iD0， RD， rd， 反向管压降vD由外电路决定；2. 恒压源模型：二极管正偏导通时，认为vDVON， RD0， rd0，正向电流由外电路决定；二极管反偏或正偏电压小于VON时，二极管截止，认为iD0， RD， rd， 管压降vD由外电路决定；3. 折线近似模型：二极管vDVON时，二极管导通，且交流电阻 rd不变。 二极管的低频小信号模型： 在低频小信号条件下，二极管工作点Q附近的伏安特性曲线可近似堪称直线，二极管可近似等效为一个线性元件（交流电阻），这种模型用来计算叠加在工作点Q上微小电压或电流变化时的响应。重点难点之一：二

7、极管的四种模型单向导电特性应用：整流器：半波整流，全波整流，桥式整流。滤波电路限幅器：顶部限幅，底部限幅，双向限幅。钳位电路*电容效应应用变容二极管反向击穿特性稳压二极管小结四：二极管应用重点难点之二：二极管应用电路分析可用图解法（即负载线法）来分析。将稳压管的外电路用戴维宁定理化简。空载输出电阻：空载输出电压稳压管稳压电路的稳压原理负载线方程：负载线方程：求负载线方程的第二种方法：稳压二极管限流电阻 R 的取值范围当输入电压最高，负载电阻又最大时，稳压管电流最大，但必须满足IZIzmin，则有：先假设二极管断开，确定二极管两端电位差。根据二极管两端加的是正电压还是反电压判定二极管是否导通，若

8、为正电压且大于阈值电压则导通，否则为截止。若电路出现两个或两个以上二极管，应判定承受正向电压较大者优先导通，再按照上面所讲述的方法，判断余下的二极管是否导通。判断电路中二极管状态的方法解：将二极管两端断开 10V5VABVAB=(-5)-(-10)=5VVthVB=-10VVA=-5V所以二极管导通所以D2截止。VB1A=0-(-9)=9VVB2A=(-6)-(-9)=3V所以：D1先导通D1导通后，VA=-0.7VVB2A=(-6)-(-0.7)=-5.3V解：先将二极管两端断开A开路比较法（判断二极管的状态）：二极管正偏最高端口电压优先，再启用回路或结点方法对电路实施分析的一种方法。2.

9、估算法：将二极管用恒压源近似，并根据二极管的材料性质设定导通电压VON值，后求解路中变量。估算法多用于静态工作点电流ID求解。3. 模型法（交直流电路等效分析法）：将电路中的二极管用简化电路模型替代，利用简化电路直接分析求解。具体方法是：巧用开路、短路法，分别获得电路的直流通路求解直流变量，获得电路的交流通路求解动态变量。4. 图解法(负载线法)：利用二极管的伏安特性曲线与外电路所确定的负载线，用作图的方法进行求解。 二极管电路的分析方法必须建立的工程概念 1、条件的概念（任何结论都有前提条件）。 2、近似的概念（突出主要矛盾）。 3、数量级的概念。模电中符号大小写的约定大写字母大写下标表示直

10、流量小写字母大写下标表示包含直流量的瞬时总量大写字母小写下标表示交流有效值小写字母小写下标表示交流瞬时值 第1章 习题解题方法指导解：画出直流等效电路（利用开 路、短路法建立）直流通路图画法：电容。电感。直流通路图1.8 二极管电路如图1.8所示，设二极管的正向导通电压 为0.7V，电容C1和C2容量足够大，对信号可视为短 路，vi(t)=sint（mV）。（1）试画出直流等效电路和交流等效电路；（2）求输出电压vo的值。采取上述方法，剩余的电路，即为直流等效电路，直流通路图即-直流通路图2. 画出交流等效电路（利用开 路、短路法，剩余电路）交流通路画法:交流通路图4. 根据交流通路图求交流输

11、出电压 vo1.15 稳压二极管电路如图1.15所示，已知稳压管的稳定 电压Vz=6V，动态电阻rz=10，输入电压的标称值 VI为10V，但有1V的波动。（1）当RL=200时，试求标称电压下流过稳压管的电 流Iz和输出电压Vo。在输入电压波动时，输出电压 的变化量Vo有多大？（2）当RL=50时， Iz =？ Vo =？解：（1）假设稳压二极管开路，计算其开路端电压VO是否大于VZ稳压值，如果大于，则判定处于稳压状态。稳压管稳压。（2）画出稳压状态下动态电路图解Vo的方式有两种：1 精细算法求解；2 估算法求解1 精细算法求解. 根据KVL和VCR求Vo. 根据KVL和VCR求IZ.输入电

12、压的波动交流峰峰值状态交流通路图.画出稳压状态下动态电路图2 估算法求解. 待求电压Vo=串联分压系数输入电压VI. 根据KVL和VCR求IZ. 并联电压相等求Vo. 画出交流通路图. 化简电路. 利用Vo=串联分压系数输入电压VI当 RL=50时，首先用开路稳压管法，判定能否稳压！所以，稳压管处于截止状态，IZ01. 雪崩击穿与齐纳击穿的本质区别是什么？思考题雪崩击穿发生条件：大多发生在掺杂浓度较低、空间电荷层较宽、反向偏压较高的PN结中；形成原因：碰撞电离。少数载流子在较高的反偏电压加速下，获得很大的动能足以把空间电荷区内共价键的价电子撞出，由于阻挡层较宽，碰撞电离的机会增多，使载流子数目剧增，反向电流急剧增大，造成雪崩击穿。雪崩击穿电压具有正的温度系数。齐纳（Zener）击穿发生条件：发生在掺杂浓度较高、PN结较薄、反向偏压较小的PN结中；形成原因：场致激发。由于空间电荷区较窄，即使不大的反向偏压也会建立起很强的电场，该电场可直接将共价键的价电子拉出，使载流子数目剧增，反向电流急剧增大，造成齐纳击穿。齐纳击穿电压具有负的温度系数。思考题Vth的大小与材料、温度、工艺等因素有关。计算公式：Vth=(KT/q)ln(NaNd/Ni2)，K是波尔兹曼常数1