第1章 晶体二极管

第1章晶体二极管1.0概述1.1半导体物理基础知识1.2

PN结1.3晶体二极管电路分析方法1.4晶体二极管的应用教学要求了解PN结的基本特性。熟悉晶体二极管的数学模型、曲线模型、简化电路模型，掌握各种模型的特定及应用场合。熟悉二极管电路的三种分析方法：图解法、简化分析法、小信号分析法。能熟练利用简化分析法分析各种功能电路。本章1.4节与1.5节根据教学需要，可作为扩展内容。概述晶体二极管结构及电路符号：PN结正偏(P接+、N接-)，D导通。PN正极负极晶体二极管的主要特性：单方向导电特性PN结反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、开关、检波电路中。第1章晶体二极管PositiveNegative1.1半导体物理基础知识导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。1.1半导体物理基础知识半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：

当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。

往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。1.1半导体物理基础知识半导体：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价电子惯性核第1章晶体二极管

硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。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。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和锗共价键结构示意图：共价键1.1.1本征半导体第1章晶体二极管动画11.1.1本征半导体形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。+4+4+4+4共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。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。本征激发这种现象称注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。本征激发。第1章晶体二极管动画2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。当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子—带负电半导体中有两种导电的载流子空穴的运动空穴—带正电第1章晶体二极管温度一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：本征半导体中本征激发——产生自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量——复合。T导电能力ni或光照热敏特性光敏特性第1章晶体二极管

N型半导体：1.1.2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构成。第1章晶体二极管N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。

P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素构成。第1章晶体二极管P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。P型半导体中空穴是多子，电子是少子。杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。杂质半导体中载流浓度计算N型半导体(质量作用定理)(电中性方程)P型半导体杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。多子浓度取决于掺杂浓度。第1章晶体二极管1.1.3两种导电机理——漂移和扩散漂移与漂移电流载流子在电场作用下的运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。漂移电流密度总漂移电流密度：迁移率第1章晶体二极管半导体的电导率电压：

V=E

l电流：I=SJt+-V长度l截面积S电场EI电阻：电导率：第1章晶体二极管载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散电流。扩散电流密度：扩散与扩散电流N型硅光照n(x)p(x)载流子浓度xn0p0第1章晶体二极管1.2PN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。掺杂N型P型PN结第1章晶体二极管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渐加宽，空间电荷区越宽。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。1.2.1动态平衡下的PN结阻止多子扩散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利于少子漂移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。

PN结形成的物理过程第1章晶体二极管动画3内建电位差：室温时锗管VB

0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V阻挡层宽度：注意：掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位差VB越大，阻

挡层宽度l0

越小。第1章晶体二极管1.2.2

PN结的伏安特性

PN结——单向导电特性－正偏P+N内建电场El0+-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1章晶体二极管动画4－－－－++++REPN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。

PN结——单向导电特性－反偏P+N内建电场

El0-+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结论：PN结具有单方向导电特性第1章晶体二极管动画5PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE

PN结——伏安特性方程式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：反偏时：第1章晶体二极管

PN结——伏安特性曲线IDVVD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN结VD(on)=0.25V锗PN结IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)时随着V

正向R

很小I

PN结导通；V<VD(on)时IR很小(IR-IS)反向R很大PN结截止。温度每升高10℃，IS

约增加一倍。温度每升高1℃，VD(on)

约减小2.5mV。第1章晶体二极管O1.2.3

PN结的击穿特性|V反|

=V(BR)时，IR急剧，

PN结反向击穿雪崩击穿齐纳击穿PN结掺杂浓度较低(l0

较宽)发生条件外加反向电压较大(>6V)

形成原因：碰撞电离V(BR)IDV形成原因：场致激发

发生条件PN结掺杂浓度较高(l0

较窄)外加反向电压较小(<6V)第1章晶体二极管O因为T

载流子运动的平均自由路程V(BR)击穿电压的温度特性雪崩击穿电压具有正温度系数齐纳击穿电压具有负温度系数因为T

价电子获得的能量V(BR)稳压二极管利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管要求：IZmin<IZ<IZmax第1章晶体二极管VZIDVIZminIZmax+-VZO1.2.4

PN结的电容特性势垒区内空间电荷量随外加电压变化产生的电容效应

势垒电容CT

扩散电容CD

阻挡层外(P区和N区)贮存的非平衡电荷量,随外加电压变化产生的电容效应

CT(0)CTVOxn少子浓度xO-xpP+N第1章晶体二极管

PN结电容

PN结反偏时，CT>>CD，则Cj

CT

PN结总电容：Cj=CT+CD

PN结正偏时，CD>>CT，则Cj≈CD故：PN结正偏时，以CD

为主。故：PN结反偏时，以CT

为主。通常：CD几十pF~几千pF。通常：CT

几pF~几十pF。第1章晶体二极管1.3晶体二极管电路分析方法晶体二极管的内部结构就是一个PN结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型：便于计算机辅助分析的数学模型适于任一工作状态的通用曲线模型直流简化电路模型交流小信号电路模型电路分析时采用的第1章晶体二极管1.3.1晶体二极管的模型数学模型——伏安特性方程式理想模型：修正模型：其中：n—非理想化因子I正常时：n1I过小或过大时：n

2rS

—体电阻+引线接触电阻

+引线电阻注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际IS

理想IS。第1章晶体二极管曲线模型—伏安特性曲线V(BR)I

/mAV/VVD(on)-IS当V>VD(on)

时二极管导通当V<VD(on)

时二极管截止当反向电压V

V(BR)

时二极管击穿晶体二极管的伏安特性曲线，通常由实测得到第1章晶体二极管简化电路模型折线等效：在主要利用二极管单向导电性的电路中，实际二极管的伏安特性IVVD(on)IVOabIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想状态：与外电路相比，VD(on)

和RD

均可忽略时，二极管的伏安特性和电路符号开关状态：与外电路相比，RD可忽略时的伏安特性简化电路模型：折线等效时，二极管的简化电路模型第1章晶体二极管小信号电路模型rsrjCjIVQrs：PN结串联电阻，数值很小。rj：为二极管增量结电阻。Cj：PN结结电容，由CD

和CT两部分构成。注意：高频电路中，需考虑Cj

影响。因高频工作时，

Cj

容抗很小，PN结单向导电性会因Cj

的交流旁路作用而变差第1章晶体二极管图解法分析二极管电路主要采用：图解法、简化分析法、小信号等效电路法。(重点掌握简化分析法)写出管外电路直流负载线方程1.3.2晶体二极管电路分析方法利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。要求：已知二极管伏安特性曲线和外围电路元件值。分析步骤：作直流负载线。分析直流工作点。优点：直观，既可分析直流，也可分析交流第1章晶体二极管例1

已知电路参数和二极管伏安特性曲线，试求电路的静态工作点电压和电流。IVQ+-RVDDDI+-V由图可写出直流负载线方程：V=VDD

-

IR在直流负载线上任取两点：解：VDDVDD/R连接两点，画出直流负载线VQIQ令I=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；所得交点(VQ

,

IQ)，即为Q

点第1章晶体二极管简化分析法即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化电路模型替代，然后分析求解(1)估算法判断二极管是导通还是截止？假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位理想二极管：若V>0，则管子导通；反之截止实际二极管：若V>VD(on)，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。第1章晶体二极管例2设二极管是理想的，求VAO值。图(a)，假设D开路，则D两端电压：VD=V1–V2=(–6–12)V=–18V<0V，解：故D截止。VAO=12V。+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3k(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3k6V9V(b)图(b)，假设D1、D2开路，则D两端电压：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V。

由于VD2>VD1，则D2

优先导通。此时VD1

=–6V<0V，故D1

截止。VAO=–V1=–6V。第1章晶体二极管(2)画输出信号波形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3设二极管是理想的，vi

=6sint(V)，试画vo波形。解：vi>2V时，D导通，则vO

=vivi

2V时，D截止，则vO

=2V由此可画出vO

的波形+-DV+-+-2V100Rvovit62OVi/VVo/VtO26第1章晶体二极管小信号分析法即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。分析步骤：将直流电源