半导体二极管及其基本应用电路

1、半导体二极管及其基本应用电路第1页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二本章重点:1、理解并掌握半导体的基本知识；理解PN结的工作 原理，掌握PN结的单向导电性2、二极管的伏安特性3、二极管电路分析方法4、二极管的应用：整流、稳压、限幅等电路第2页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二 根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的特点：1）导电能力不同于导体、绝缘体；2）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化光敏元件、热敏元件；3）掺进微量杂质，

2、导电能力显著增加半导体。3、1 半导体基础知识一、本征半导体本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。无杂质稳定的结构第3页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二1、半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅 ( Si ) 、锗 ( Ge ) 原子结构及简化模型：+14284+3228418+4价电子惯性核硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。第4页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4 硅和锗共价键结构示意图：共价键共用电子对第5页，共75页，2022年，5月20

3、日，17点29分，星期二本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵（晶格），每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，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。硅和锗的晶体结构：2、本征半导体的晶体结构第6页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二硅和锗的共价键结构：共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子 形成共价键后，每个原子的最外层电子是8个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。第7页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二 共价键中

4、的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。+4+4+4+43、本征半导体中的载流子载流子可以自由移动的带电粒子。第8页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二 当T升高或光线照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚产生自由电子空穴对，从而参与导电 共价键具有很强的结合力。 当T=0K（无外界影响）时，共价键中无自由移动的电子，几乎不导电。这种现象称注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征；本征半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的物质。导体导电只有自

5、由电子一种载流子。本征激发 本征激发第9页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。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，导电性增强。动态平衡第10页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二 温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。因此温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于

6、载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。第11页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二1、N型半导体（电子型半导体）：二、杂质半导体+4+4+5+4+4简化模型：N型半导体多子自由电子少子空穴自由电子本征半导体中掺入少量五价元素（P）构成。 杂质半导体主要靠多子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。施主原子第12页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二2、P型半导体（空穴型半导体）+4+4+3+4+4简化模型：P型半导体少子自由电子多子空穴空 穴本征半导体中掺入少量三价元

7、素（B）构成。 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。受主原子第13页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二三、PN结 利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。PN结具有单向导电性。 掺杂N型P型PN结实际的PN结为不对称结。根据掺杂浓度的不同，有P+N结和PN+结之分。1、PN结的形成第14页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二P区空穴(多子)向N区扩散，留下不能移动的负离子；N区电子(多子)向P区扩散，留下不能移动的正离子；正负离子形成空间电荷区（阻挡层、耗尽层、势垒区）

8、由于P型和N型半导体交界面两侧，自由电子和空穴的浓度存在极大差异（导致扩散运动）:第15页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二动态平衡下的PN结出现内建电场开始因浓度差产生空间电荷区引起多子扩散最终达动态平衡注意： PN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过PN结的电流为零。空间电荷区宽度一定、内电场一定，形成PN结。 方向由N区指向P区阻止多子扩散（扩散运动 ）利于少子漂移（漂移运动 ）在电场力作用下，载流子的运动称为漂移运动。第16页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐

9、渐加宽，空间电荷区越宽，内电场越强。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区也称耗尽层第17页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。第18页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二1.动态平衡时，空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴和N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。注

10、意第19页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二2、PN结的单向导电性 外加的正向电压，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏。 (1)PN结加正向电压导通 外加正向电压越大，通过阻挡层的电流就越大。为防止PN结烧毁，一般接限流电阻 R 。第20页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二PN结正偏动画演示P区N区第21页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二 PN结单向导电特

11、性（正偏导通）P+N内建电场Elo+ -VPN结正偏阻挡层变薄内建电场减弱多子扩散少子漂移多子扩散形成较大的正向电流IPN结导通I电压V 电流I 第22页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二 外加反向电压,方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反

12、向饱和电流。 （2）PN结加反向电压截止第23页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二PN结反偏动画演示P区N区第24页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二 PN结单向导电特性（反偏截止）P+N内建电场Elo- +VPN结反偏阻挡层变宽内建电场增强少子漂移多子扩散少子漂移形成微小的反向电流IRPN结截止IRIR与V 近似无关。温度T 电流IR第25页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二PN结具有单向导电特性。总之：PN结正向电阻小，反向电阻大。 二极管 ：一个PN结就是一个二极管。单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负极时电流可以

13、通过。反之电流不能通过。符号：第26页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二3、PN结的电流方程PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述： 热电压 26mV（室温）其中： IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。正偏时： uUT 反偏时： uVD(on)时 随着V 正向R很小 I PN结导通；V 6V) 形成原因: 碰撞电离。V(BR)ID(mA)V(V)形成原因: 场致激发。 发生条件PN结掺杂浓度较高 (lo较窄)外加反向电压较小( Cd ，则 Cj Cb PN结总电容： Cj = Cb + Cd PN结正偏时，Cd Cb ，则 Cj Cd故：P

14、N结正偏时，以Cd（扩散电容）为主。 故：PN结反偏时，以Cb（势垒电容）为主。通常：Cd 几十pF 几千pF。通常：Cb 几pF 几十pF。 PN结电容值很小，对低频信号呈现很大的容抗，其作用可忽略；只有在高频时才考虑结电容的作用。第32页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二总结2、PN结正向导通、反向截止。3、PN结的反向击穿有两种。雪崩击穿（低掺杂）电压高（6V），具有正温度系数；齐纳击穿（高掺杂）电压低（0，则管子导通；反之截止；实际二极管：若VVD(on)，则管子导通；反之截止。当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。二

15、极管电路分析方法第41页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二例1：判别二极管是导通还是截止。+9V-+1V- +2.5V - +12.5V - +14V -+1V-截止+18V-+2V- +2.5V - +12.5V - +14V -+1V-导通-9V+-1V+ +2.5V - +12.5V - +14V -+1V-截止第42页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二例2、由二极管构成的电路如图所示，试判断二极管导通或截止，并求出输出电压。有多个二极管时的判断方法： 将二极管全部断开，求出二极管的阳极和阴极电位，若阳极电位高于阴极电位则该管导通，否则截止。另

16、外哪只管子承受的正向电压高，则哪只管子先导通。判断结果：D1导通，D2截止。VAO= 0V 断开D1、D2，则D1（负极电位为-12V，正极电位为0）；D2 （负极电位为-12V，正极电位为-15V）。故D1优先导通，使UAO=0，迫使D2反偏截止。第43页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二例3：设二极管是理想的，求VAO的值。图(a)，假设D开路，则D两端电压： VD=V1V2= 6 12= 18 0V，VD2=V2(V1)=15V 0V 由于VD2 VD1 ，则D2优先导通。此时VD1= 6V 0V时，D导通，则vO=vi当vi 0V时，D截止，则vO=0V由此，利用

17、二极管的单向导电性，实现了半波整流。将交流电转化成脉动直流电。 若输入信号为正弦波： 平均值： VOt0vit0vO整流电路是利用二极管的单向导电作用，将交流电变成直流电的电路。 第47页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二全波整流220VuLioRLe2e2+-+220VuLioRLe2e2-+-+e2uLUL0.9E2第48页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二画输出信号波形的方法 根据输入信号大小 判断二极管的导通与截止 找出vO与vI关系 画输出信号波形。例1：设二极管是理想的，vi =6sint(V)，试画vO波形。解：vi 2V时，D导通，则

18、vO=vivi 2V时，D截止，则vO=2V由此可画出vO的波形。 +-DV+-+-2V100RvOvit620vi(V)vO(V)t026第49页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二 电路如图(a)，k，REF=3V，二极管为硅管。试分别用理想模型（图b）和恒压降模型（图c）求解：当vi=4V时，输出电压值；当vi=6Sint 时 ，输出电压波形。例2：解：（2）输出波形如（d）、（e）所示第50页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二正半周：D1、D3 导通D2、D4 截止负半周：D2、D4导通D1、D3截止例3、求整流电路的输出波形。解：-+第51页

19、，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二限幅电路是限制输出信号幅度的电路。2、限幅电路(削波电路）第52页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二两个二极管组成的限幅电路V2viV1时，D1、D2截止,vo=vi t0vit0vOVi V1时，D1导通、D2截止,vo=V1 Vi V2时，D2导通、D1截止,vo=-V2 由此 ，电路实现双向限幅功能。vOvi+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中：V1为上门限电压， V2为下门限电压。V1-V2-V2V1第53页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二钳位电路：使输出电位钳制在某一数值上保持不

20、变。设二极管为理想元件，当输入UAUB5V时，二极管V1，V2正偏导通，输出被钳制在UA和UB上，即UF5V；当UA0V，UB5V，则V1导通，输出被钳制在UFUA0V，V2反偏截止；当UA5V，UB0V，则V2导通，输出被钳制在UFUB0V，V1反偏截止。3、开关电路（钳位电路）“与门”第54页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二利用二极管的单向导电性可作为电子开关vI1 vI2二极管工作状态D1 D2v00V 0V导通 导通导通 截止截止 导通截止 截止0V 5V5V 0V5V 5V0V0V0V5V例1：求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。解： 开

21、关电路第55页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二第4次作业 P61 3.5（b）、（d）第56页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二VZID(mA)V(V)IZminIZmax3.3 稳压二极管及其基本应用电路 稳压二极管又称齐纳二极管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管。一、稳压管的伏安特性进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流 由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。限流电阻 要求：Izmin Iz VD(on)+Vz1时，D2正向导通、D1反向击穿（稳压）Vo=Vomax= VD(on)+Vz12、 V

22、i-(VD(on)+Vz2)时，D1正向导通、D2反向击穿（稳压）Vo=Vomin= -(VD(on)+Vz2)3、 -(VD(on)+Vz2)ViURH时， uO1= uO2= UOM；D1导通，D2截止； uO= UZ。 2、当uIURL时， uO2= uO1= UOM；D2导通，D1截止； uO= UZ 。 3、当URLuIR3=R2）第68页，共75页，2022年，5月20日，17点29分，星期二VA4V， VB -4V则：VN=4V，VP=-4V当VIVN时，D1截止，D2导通，输出高电平；当VIVP时，D1导通，D2截止，输出高电平。该电路为窗口比较器。电压传输特性如图所示。第69