章半导体二极管及其基本电路精

第1章半导体二极管及其基本电路半导体的基础知识半导体二极管二极管电路的分析方法1.4

半导体二极管的应用1.5

特殊二极管小

结1.1

半导体的基础知识本征半导体杂质半导体PN结半导体的特点热敏性：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光敏性：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掺杂性：掺入有用的杂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1.1.1

本征半导体半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。1、半导体的原子结构硅(锗)的原子结构简化模型惯性核价电子(

电子)2、本征半导体的晶体结构硅(锗)的共价键结构共价键—相邻原子共有价电子所形成的。空穴3、本征半导体的导电情况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空穴可在共价键内移动成为电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)自由电子空穴本征激发：复

合：电子和空穴在运动中相遇重新结对的过程。漂

移：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价键的成为电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。载流子：运动的带电粒子两种载流子电子(

电子)空穴两种载流子的运动电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动结论：本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；本征半导体导电能力弱，并与温度有关。1.1.2

杂质半导体一、N

型半导体N

型+5+4+4+4+4+4磷原子电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数二、P

型半导体P

型+3+4+4+4+4硼原子+4空穴空穴

—

多子电子

—

少子载流子数

空穴数三、杂质半导体的导电作用IIPINI

=

IP

+

INN

型半导体I

INP

型半导体

I

IP四、P

型、N

型半导体的简化图示负离子少数载流子正离子少数载流子P

型：多数载流子N

型：多数载流子1.1.3 PN

结一、PN

结(PN

Junction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散内建电场2.复合使交界面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的扩散促进少子产生漂移此时产生了两种电流：扩散电流和漂移电流3.继续扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。此时形成的空间电荷区域称为PN结（耗尽层）二、PN

结的单向导电性1.定性分析1）.

外加正向电压(正向偏置)—

forward

biasP

区N

区内电场外电场外电场使多子向PN

结移动,IF扩散运动加强形成正向电流IF

。I中F和=部I多分子离子I少使子空间I电多子荷区变窄P

区

N

区内电场外电场限流电阻2）.外加反向电压(反向偏置)—reverse

biasIR漂外移电运场动使加多强子形背成离反P向N电结流移I动，PN

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。RIR

=I少子空0间电荷区变宽。2、定量估算I

IS

(e

T

1)u

/U反向饱和电流温度的电压当量UT

=

26mV加正向电压时加反向电压时

i≈–ISqkTUT

当T

=300(27C)：电子电量常数3、伏安特性Ou

/VI

/mA反向击穿正向特性1.2

半导体二极管半导体二极管的结构和类型二极管的伏安特性二极管的主要参数1.2.1

半导体二极管的结构和类型构成：

PN

结

+引线

+

管壳=

二极管(Diode)符号：A

(anode)

C

(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型点接触型正极引线触丝N

型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN

结正极引线铝合金小球底座金锑合金正极 负极引线 引线PNP

型支持衬底集成电路中平面型1.2.2

二极管的伏安特性一、PN

结的伏安方程iD

IS(euD

/

UT

1)反向饱和电流温度的电压当量q

kTUT电子电量常数当T

=300(27C)：UT

=

26

mV二、二极管的伏安特性OuD

/ViD

/mA正向特性Uth死区电压iD

=

0(硅管)(锗管)Uth

=0.5

V0.1

VU

UthDi

急剧上升0

U

UthUD(on)=(0.6

0.8)

V

硅管0.7

V(0.1

0.3)

V

锗管0.2

V反向特性U(BR)反向击穿U(BR)

U

0iD

=IS

<0.1

A(硅)几十A

(锗)反向电流急剧增大

(反向击穿)U

<

U(BR)反向击穿原因：击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(Zener) (击穿电压<4

V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使

电子数突增。(击穿电压>7

V，正温度系数)击穿电压在4V、7

V

左右时，温度特性较好。硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–

0.02–

0.040–25–50iD

/

mA0.4

0.8

uD

/

VuD

/

V0.4iD

/

mA15105–

50 –

25–0.01

0

0.2–0.02温度对二极管特性的影响60402000.4–25–50iD

/

mAuD

/

V90C20C–

0.02T升高时，UD(on)以(2

2.5)

mV/C下降正向特性左移；T

升高时，IS

增大，反向特性下移。1.2.3

二极管的主要参数IF

—最大整流电流(最大正向平均电流)URM

—最高反向工作电压，为U(BR)/2IR—反向电流(越小单向导电性越好)fM

—最高工作频率(超过时单向导电性变差)uDU

(BR)iDI

FURMO影响工作频率的原因—PN

结的电容效应结论：低频时，因结电容很小，对

PN

结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。结面积小时结电容小，工作频率高。1.3

二极管的模型1.3.1

理想二极管模型1.3.２二极管恒压源模型1.3.３二极管的交流小信号模型1.3.1

理想二极管模型特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD

=0；反偏截止，iD

=0U(BR)

=

Du

=

UD(on)0.7

V

(Si)0.2

V

(Ge)1.3.1二极管的恒压降模型d

UrI1.3.３二极管的交流小信号模型图解法公式法：dTTI eu

/

uTDQUdIIdU

U

U

S

I

r

T

dr

UI注意：rd为交流电阻，与直流电阻RD不同。1.4

半导体二极管的应用

二极管在电路中有着广泛的应用，利用它的单向导电性，可组成整流、限幅、检波电路，还可做保护元件以及在数字电路中作为开关元件等。1.4.1

二极管在限幅电路中的应用限幅电路分为串联限幅电路、并联限幅电路、并联限幅电路和双向限幅电路三种。1.串联限幅电路+_uoVD+_uiER_+uD0uoEE+UonuiE0时传输特性电路组成ui

UmE+Uont0uoUm-UonEt0ui

UmtUon0t0uoUm-Uonui

Umtuo0E+Uont0EUm-UonE0时输出波形E=0时输出波形E0时输出波形工作原理(b)

传输特性0uiuoE+UonE+Uon(a)

电路图+_uoVD+_uiE2.并联限幅电路R+u_D(c)

输出波形tuoE+Uont00uiUmE+Uon3.双向限幅电路0uiuoE1+UonE2Uon(b)

传输特性E1+UonE2Uon+_uo+_uiRVD1

VD2E1

E2(a)

电路图uiUmtuot(c)

输出波形E

+U1

on0E2UonE1+Uon0E2UonP17

例1-41.4.2

二极管在整流电路中的应用1.单相半波整流电路tt00U2muou2U2mRL+_uo_u2a++u1_bVD

io

2.全波整流电路u2U2mt0t0uoU2mRL+uo_+_u1abu21_+ioVD1+u22cVD21.

5

特殊二极管稳压二极管光电二极管1.5.1

稳压二极管一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ

/mAZu

/VOUZ

IZminUZIZIZIZmax特性二、主要参数1.稳定电压UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。越大稳压效果越好，小于IZmin

时不稳压。2.稳定电流IZ3.最大工作电流IZM最大耗散功率PZMP

ZM

=UZ

IZM4.动态电阻rZrZ

=UZ

/IZ

越小稳压效果越好。几

几十5.稳定电压温度系数

CT

100%UZTUZTC

UZ

<

4

V，CT

<

0

(为

击穿)具有负温度系数；UZ

>7

V，CT

>0

(为雪崩击穿)具有正温度系数；4

V<UZ

<7

V，CT

很小。例

1.5.1

分析简单稳压电路的工作原理，R

为限流电阻。UIUOR

IR

ILRLIZIR

=

IZ

+

ILUO=UI

–

IR

R限流电阻的选择1.5.2

发光二极管与光敏二极管一、发光二极管LED

(Light

Emitting

Diode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十

mA，导通电压(1

2)V符号u

/Vi

/mAO2特性2.主要参数电学参数：I

FM

，U(BR)，IR光学参数：峰值波长P，亮度L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿不可见光：红外光显示类型：普通LED

，七段LED,点阵LED二、光敏二极管1．符号和特性符号2.主要参数电学参数：uiO暗电流E

=

200lxE

=

400lx特性工作条件：反向偏置暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物补充：选择二极管限流电阻步骤：设定工作电压UD(如0.7

V；2

V

(LED))确定工作电流ID(如1

mA；10

mA；5

mA)根据欧姆定律求电阻

R

=(UI

UD)/ID(R

要选择标称值)小

结第

1

章一、两种半导体和两种载流子两种载流

电子— 电子

两

种子的运动

空穴

—

价电子半导体N

型(多电子)