模拟电子技术：第3章 二极管及其基本电路

3二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.3半导体二极管3.4二极管基本电路及其分析方法3.5特殊二极管3.2PN结的形成及特性3.1半导体的基本知识

3.1.1

半导体材料

3.1.2

半导体的共价键结构

3.1.3

本征半导体

3.1.4

杂质半导体3.1.1半导体材料根据材料导电能力(电阻率)的不同，可以把材料划分为:导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。硅(锗)的原子结构简化模型

每一个硅（锗）原子都与周围四个原子构成“共价键”，即每个外层电子均为两个原子所共有，互相吸引，很牢固——键。硅和锗的晶体结构外层电子称为价电子。

3.1.2

半导体的共价键结构3.1.3本征半导体本征半导体——化学成分完全纯净的、晶格结构完整的半导体。空穴——共价键中的空位。（看成一个带正电荷的粒子，所带电量与电子电量相同，但极性相反）空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。由于共价键被打破而产生的空穴－电子对电子空穴对——由于共价键被打破而产生的电子空穴总是成对出现的，称为电子空穴对。3.1.4杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。本征半导体中掺入了杂质后称为杂质半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。1.N型半导体3.1.4杂质半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。五价杂质原子释放电子后带正电荷而成为正离子，五价杂质原子也称为施主杂质。2.P型半导体3.1.4杂质半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。邻近的电子很容易落入受主的空穴，从而在半导体中产生可移动的空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由杂质原子提供；自由电子是少数载流子，由热激发形成。三价杂质原子接受电子（即释放空穴）后带负电荷而成为负离子，三价杂质原子也称为受主杂质。

3.杂质对半导体导电性的影响

3.1.4杂质半导体掺入杂质对半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:

T=300K（室温）下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.5×1010/cm31本征硅的原子密度:4.96×1022/cm3

3

2硅中的掺杂浓度一般大于（见刘恩科，半物P85，图4－15）

1×1014/cm3本征半导体、杂质半导体

本节中的有关概念自由电子、可移动空穴

N型半导体、P型半导体施主杂质、受主杂质3.2PN结的形成及特性

3.2.2

PN结的形成

3.2.3

PN结的单向导电性

3.2.4

PN结的反向击穿

3.2.5

PN结的电容效应

3.2.1

载流子的漂移与扩散3.2.1载流子的漂移与扩散漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。3.2.2PN结的形成同一个半导体单晶片上的N型区和P型区的交界面处会出现如下物理过程:因浓度差

空间电荷区形成内建电场内建电场使载流子发生漂移（方向与扩散相反）

最后,

扩散和漂移达到动态平衡，形成平衡的PN结。多子发生扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

在P型半导体和N型半导体结合面处，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区内，由于载流子浓度相对于P区和N区内的多子来说很少，所以空间电荷区也称耗尽区。势垒区:

3.2.3PN结的单向导电性在PN结两端施加电压，P区接电源正极，N区接电源负极，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结加正向电压时低电阻（耗尽区变薄，其中载流子浓度高）形成大的正向电流

3.2.3PN结的单向导电性在PN结两端施加电压，P区接电源正极，N区接电源负极，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结加反向电压时高电阻（耗尽区厚，其中载流子浓度低）形成很小的反向电流IR

PN结反向电流是由少子的反向扩散形成的。在一定的温度下，由本征激发决定的少子浓度相对多子而言很少，而且浓度也不随外加电压变化，所以反向电流IR很小，并且随反向电压的增大，反向电流很快趋于恒定，这时的反向电流也称为反向饱和电流IS

。

PN结加正向电压时，呈现低电阻，PN结导通，具有较大的正向电流；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，PN结截止，具有很小的反向电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。

PN结具有单向导电性的关键在于它的耗尽区的存在，且其宽度随外加电压而变化(如何变化？)。3.2.3PN结的单向导电性

(3)PN结V-I特性表达式其中PN结的伏安特性IS——反向饱和电流VT

——温度的电压当量且在常温下（T=300K）n

——发射系数，通常取为1VD——外加电压

3.2.4PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿(电击穿)。

雪崩击穿

齐纳击穿雪崩击穿：由于碰撞电离使载流子产生倍增效应，使反向电流急剧增大。齐纳击穿：在(杂质浓度特别大的)PN结上加有较高的反向电压时，空间电荷区电场强度很大，它能够破坏共价键，将束缚电子分离出来产生电子空穴对，使反向电流急剧增大。热击穿——不可逆(大的正向电流或反向击穿电流均可引起热击穿)PN结发生电击穿后，如果PN结的发热超过它的耗散功率，使PN结热量散不出去，而使其温度上升，直至过热而烧毁。3.2.5PN结的电容效应(1)扩散电容CD当PN结处于正向偏置时，结电容较大（主要决定于扩散电容）当PN结处于反向偏置时，结电容较小（主要决定于势垒电容）

(2)势垒电容CB3.3半导体二极管

3.3.1

半导体二极管的结构

3.3.2

二极管的伏安特性

3.3.3

二极管的主要参数3.3.1半导体二极管的结构

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1)点接触型二极管(a)点接触型

二极管的结构示意图

PN结面积小，结电容小，用于高频电路和数字电路,但不能承受高的反向偏压和大的电流。示意图见第四版P39(2)面接触型二极管(b)面接触型3.3.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管2CP10的V-I特性门坎电压(死区电压)Vth

:硅管0.5伏，锗管0.1伏;导通压降:硅管0.7伏，锗管0.2伏。3.3.3二极管的主要参数(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)反向恢复时间TRR(5)极间电容Cd=CB+CD3.4二极管基本电路及其分析方法

3.4.1简单二极管电路的图解分析方法

3.4.2

二极管电路的简化模型分析方法3.4.1简单二极管电路的图解分析方法二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线。例3.4.1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD

。解：由电路的KVL方程，可得即是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线

Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。

≥0就看作“正”偏（导通），<0才是反偏（截止）断开二极管：（适应范围）

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（2）恒压降模型（适应范围）（a）V-I特性（b）电路模型（3）折线模型（a）V-I特性（b）电路模型3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（4）小信号模型vs

=0时,Q点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。vs

=Vmsint时（Vm<<VDD）,工作点将在和间移动,二极管特性曲线上和间的一段将反映随变化的规律。将Q点附近小范围内的V-I特性看作直线（以Q点为切点的一条直线），就得到二极管在Q点附近的小信号模型。（因为线性化,所以可以应用叠加原理）3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（4）小信号模型过Q点的切线的斜率就是小信号模型的等效电阻—微变电阻即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）（a）V-I特性（b）电路模型3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模特别注意：小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且VD>>VT。（因为线性化,所以可以应用叠加原理）3.4.2二极管电路的简化模型分析方法2．模型分析法应用举例（1）整流电路（a）电路图（b）vs和vo的波形2．模型分析法应用举例（2）静态工作情况分析理想模型（R=10k）当VDD=10V时，恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设当VDD=1V时，（自看）（a）简单二极管电路（b）习惯画法2．模型分析法应用举例（3）限幅电路电路如图，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sintV时，绘出相应的输出电压vO的波形。2．模型分析法应用举例（4）开关电路（自己看)判断二极管状态的方法（5）低压稳压电路（自己看)2．模型分析法应用举例（6）小信号工作情况分析图示电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs

=0.1sinwtV。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。