模拟电子技术华中理工版第二章学习课件

2半导体二极管及其基本电路重点：晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。难点：1.两种载流子2.PN结的形成3.单向导电性4.载流子的运动重点难点2半导体二极管及其基本电路2.1半导体的基本知识2.3半导体二极管2.4二极管基本电路及其分析方法2.5特殊二极管2.2PN结的形成及特性2.1半导体的基本知识

2.1.1半导体材料

2.1.2半导体的共价键结构

2.1.3本征半导体

2.1.4杂质半导体

2.1.1半导体材料一、物体的导电特性根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体：介于导体与绝缘体之间，如：典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。二、半导体的特点1、光敏性和热敏性:2、掺杂性：2.1.3本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。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，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：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共价键中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。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，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。+4+4+4+4二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,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（即载流子），它的导电能力为0，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脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。这种现象称为本征激发。1.载流子、自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子子空穴束缚电子子2.本征半导导体的导导电机理理+4+4+4+4在其它力力的作用用下，空空穴吸引引附近的的电子来来填补，，这样的的结果相相当于空空穴的迁迁移，而而空穴的的迁移相相当于正正电荷的的移动，，因此可可以认为为空穴是是载流子子。本征半导导体中存存在数量量相等的的两种载载流子，，即自由电子子和空穴。2.1.3本征半导导体本征半导导体——化学成分分纯净的的半导体体。它在在物理结结构上呈单晶晶体形态态。空穴——共价价键中的的空位。电子空穴穴对——由热激发发而产生生的自由由电子和和空穴对对。空穴的移移动——空穴的运运动是靠靠相邻共共价键中中的价电电子依次次填充空空穴来实实现的。。空穴的移移动温度越高高，载流流子的浓浓度越高高。因此此本征半半导体的的导电能能力越强强，温度度是影响响半导体体性能的的一个重重要的外外部因素素，这是是半导体体的一大大特点。。本征半导导体的导导电能力力取决于于载流子子的浓度度。本征半导导体中电电流由两两部分组组成：1.自由电电子移动产生生的电流。2.空穴移移动产生的电电流。2.1.4杂质半导体在本征半导体体中掺入某些些微量元素作作为杂质，可可使半导体的的导电性发生生显著变化。。掺入的杂质质主要是三价价或五价元素素。掺入杂质质的本征半导导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价价杂质元素（（如磷）的半半导体。P型半导体——掺入三价价杂质元素（（如硼）的半半导体。1.N型型半导体因五价杂质原原子中只有四四个价电子能能与周围四个个半导体原子子中的价电子子形成共价键键，而多余的的一个价电子子因无共价键键束缚而很容容易形成自由由电子。在N型半导体体中自由电子是多数载载流子，它主要由杂质质原子提供；空穴是少数载载流子,由热激发形成成。提供自由电子子的五价杂质质原子因带正正电荷而成为为正离子，因此五价杂杂质原子也称称为施主杂质。2.P型型半导体因三价杂质原原子在与硅原原子形成共价价键时，缺少少一个价电子子而在共价键键中留下一个个空穴。在P型半导体体中空穴是多数载载流子，它主要由掺杂杂形成；自由电子是少数载载流子，由热激发形成成。空穴很容易俘俘获电子，使使杂质原子成成为负离子。三价杂质因因而也称为为受主杂质。本征半导体、、杂质半导体体本节中的有关关概念自由电子、空空穴N型半导体、、P型半导体体多数载流子、、少数载流子子施主杂质、受受主杂质2.2PN结的形成及特特性2.2.1PN结的形成成2.2.2PN结的单向向导电性2.2.3PN结的反向向击穿2.2.1PN结的的形成图2.2.1PN结结的形成PN结的形成P区N区扩散运动载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成成为扩散电流内电场内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运运动扩散运动=漂漂移运动时达到动态平衡3在一块本征半半导体在两侧侧通过扩散不不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此此时将在N型半导体和P型半导体的结结合面上形成成如下物理过过程:因浓度差空间电荷区形形成内电场内电场促使少少子漂移多子的扩散运运动由杂质离子形成成空间电荷区区对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。2.2.2PN结的单向向导电性当外加电压使使PN结中P区的电位高于于N区的电位，称称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向向电压时低电阻大的正向扩散散电流PN结的伏安特性－－－－++++RE（1）PN结正向偏置内电场外电场变窄PN+_内电场被削弱弱，多子的扩扩散加强能够够形成较大的的扩散电流。。I扩散运动〉漂漂移运动（2）PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加加强，多子的的扩散受抑制制。少子漂移移加强，但少少子数量有限限，只能形成成较小的反向向电流。REI≈0－－－－++++扩散运动〈漂漂移运动2.2.2PN结的单向向导电性当外加电压使使PN结中P区的电位高于于N区的电位，称称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向向电压时高电阻很小的反向漂漂移电流

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，这个电流也称为反向饱和电流。PN结的伏安特性小结：PN结加正向向电压时，呈呈现低电阻，，具有较大的的正向扩散电电流；PN结加反向向电压时，呈呈现高电阻，，具有很小的的反向漂移电电流。由此可以得出出结论：PN结具有单单向导电性。。2.2.2PN结的单向向导电性(3)PN结V-I特性表达式其中PN结的伏安特性IS——反向饱和和电流VT——温度的电电压当量且在常温下（（T=300K））2.2.3PN结的反向向击穿当PN结的反反向电压增加加到一定数值值时，反向电电流突然快速速增加，此现现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆2.3半半导体二极管管2.3.1半导体二极管管的结构2.3.2二极管的伏安安特性2.3.3二极管的参数数2.3.1半导体二极管管的结构在PN结上加加上引线和封封装，就成为为一个二极管管。二极管按按结构分有点接触型、面面接触型和平平面型三大类。(1)点点接触型二极极管PN结面积小小，结电容小小，用于检波波和变频等高高频电路。(a)点接触型

二极管的结构示意图(3)平平面型二极管管往往用于集成成电路制造艺艺中。PN结结面积可大大可小，用于于高频整流和和开关电路中中。(2)面面接触型二极极管PN结面积大大，用于工频频大电流整流流电路。(b)面接触型(c)平面型(4)二极极管的代表符符号半导体二极管管图片半导体二极管管图片半导体二极管管图片2.3.2二极管的伏安安特性二极管的伏安安特性曲线可可用下式表示示硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性性2.3.3二极管的参数数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)极间电容Cd二极管电路分分析定性分析：判断二极管的的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V分析方法：将二极管断开开，分析二极极管两端电位位的高低或所加加电压UD的正负。若V阳>V阴或UD为正(正向向偏置)，，二极管导通通若V阳<V阴或UD为负(反向向偏置)，二极管截止若二极管是理理想的，正向导通时正正向管压降为为零，反向截截止时二极管管相当于断开开。2.4.2应用举例二极管的应用用应用一、箝制制电位的作用用：将电路某点的的电位箝制在在某一数值。例1：已知：DA和DB为硅二极管，，求下列情况况下输出端电电位VF的值。（1）电路如图，求求：UABV阳=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降降，二极管可可看作短路，，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一一个管压降，，为－6.3Ｖ或－6.7V例2：取B点作参考点，，断开二极管管，分析二极极管阳极和阴阴极的电位。。在这里，二极极管起箝位作作用。D6V12V3kBAUAB+–例3:电路如图图所示示，设二极极管D1，D2，D3的正向压压降忽忽略不计计，求输输出电压压uO。两个二极管的的阴极接在一一起取B点作参考点，，断开二极管管，分析二极极管阳极和阴阴极的电位。。V1阳=－6V，，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2>UD1∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降降，二极管可可看作短路，，UAB=0V例4:D1承受反向电压压为－6V流过D2的电流为求：UAB在这里，D2起箝位作用，，D1起隔离作用。。BD16V12V3kAD2UAB+–应用二、隔离离的作用：二极管截止时时相当于开路路，可用来隔隔断电路或信信号之间的联联系。ui>2V，二二极管导通，，可看作短路路uo=2Vui<2V，二二极管截止，，可看作开路路uo=ui已知：

US=2V，二极管是理想的，试画出uo

波形。2V例5：ui3V参考点二极管阴极电电位为2VDUSRuoui++––应用三、限幅幅的作用：将输出电压的的幅值限制在在某一数值。。思考：当Us分别为2V、4V，而ui分别为3V、3sinωtV时，uo的波形又又将如何？RLuiuouiuott（1）单相半波整流流利用二极管的的单向导电性性将交流电变变换为脉动的的直流电。特点：只利用了半个个周期。应用四、整流流的作用定义：交流直流整流逆变本课小结二极管的应用用应用一、箝制制电位作用应用二、隔离离作用二极管的特性性：单向导电性正向导通，反反向截止。应用三、限幅幅作用应用四、整流流作用2.5特特殊体二极管管2.5.1稳压二极管2.5.2变容二极管2.5.3光电子器件1.光电电二极管2.发光光二极管3.激光光二极管2.5.1稳稳压二极极管1.符号及及稳压特性(a)符号(b)伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。(1)稳定定电压VZ在规定的稳压压管反向工作作电流IZ下，所对应的的反向工作电电压。(2)最大稳稳定工作电流流IZmax和最小稳定工工作电流IZmin2.稳压二二极管主要参参数2.5.1稳稳压二极极管(1)当输入电压变变化时如何稳稳压根据电路图可可知输入电压VI的增加，必然然引起VO的增加，即VZ增加，从而使使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使使输出电压VO减小。这一稳稳压过程可概概括如下：这里VO减小应理解为为，由于输入入电压VI的增加，在稳稳压二极管的的调节下，使使VO的增加没有那那么大而已。。VO还是要增加一一点的，这是是一个有差调调节系统。VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓图10.02硅稳压二极管稳压电路(2)当负载电流变变化时如何稳稳压负载电流IL的增加，必然然引起IR的增加，即VR增加，从而使使VZ=VO减小，IZ减小。IZ的减小必然使使IR减小，VR减小，从而使使输出电压VO增加。这一稳稳压过程可概概括如下：IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑2.5.1稳稳压二极极管3.稳压电电路正常稳压时VO=VZIZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以吗？#上述电路VI为正弦波，且且幅值大于VZ，VO的波形是怎样样的？特殊类型的二二极管变容二极管利用结势势垒电容容CT随外电压压U的变变化而变变化的特特点制成成的二极极管。符号：注意：使用时，，应加反反向电压压光电二二极极管定义：有光照射射时，将将有电流流产生的的二极管管类型：PIN型型、PN型、、雪崩型结构：和普通的的二极管管基本相相同工作原理理：利用光电电导效应应工作，，PN结结工作在在反偏态态，当光光照射在在PN结结上时，，束缚电电子获得得光能变变成自由由电子，，形成光光生电子子—空穴穴对，在在外电场场的作用用下形成成光生电电流DEDDRLUDIP注意：应应在反压压状态工工作发光二二极极管定义：将电能转转换成光光能的特特殊半导导体器件件，当管子加加正向电电压时，，在正向向电流激激发下，，管子发发光，属属电致发发光常用驱动动电路：直流驱动动电路交流驱动动电路注：在交流流驱动电电路中，，为了避避免发光光二极管管发生反反向击穿穿，通常常要加入入串联或或并联的的保护二二极管发光二极极管只有有在加正正向电压压时才发发光小结结半导体是是导电能能力介于于导体和和绝缘体体之间的的一种物物体。具具有一系系列特殊殊的性能能，如掺掺杂、光光照和温温度都可可以改变变半导体体的导电电性能。。利用这