第1章 二极管及其基本电路

了解半导体的结构、导电机理及特性，理解PN结的形成及单向导电性，掌握二极管的外特性及主要参数，掌握二电路的分析方法。

重点：

PN结的单向导电性、二极管的伏安特性及主要参数。难点：

PN结的形成，二极管电路分析。半导体的基本知识、PN结的形成和特性，二极管的结构及主要参数、其他类型的二极管、二极管整流电路及二极管应用电路分析。教学要求主要内容难点重点第1章二极管及其基本电路1.3二极管及其参数1.1半导体的基础知识1.4二极管应用电路1.2PN结的形成及特性第1章二极管及其基本电路1.1.1半导体材料

导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。

导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。

绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。1.1

半导体的基本知识

根据物体导电能力(电阻率)的不同，物质可以划分为导体、绝缘体和半导体。半导体分类：①元素半导体：硅Si和锗Ge；②化合物半导体：砷化镓GaAs等半导体特点：①受外界光和热的激励时，导电能力发生显著变化；②在纯净的半导体中加入微量杂质，导电能力显著增加。原因是？将硅或锗材料提纯便形成单晶体共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为价电子。半导体的原子结构为共价键结构。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，结构稳定。常温下价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。在T=0K和没有外界激发时，本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。硅晶体的空间排列+4+4+4+4共价键价电子1.1

半导体的基本知识1.1.2本征半导体的结构本征半导体——化学成分纯净、结构完整的半导体晶体。它在物理结构上呈单晶体形态。+4+4+4+4原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。这一现象称为本征激发，也称热激发。可见本征激发同时产生电子-空穴对。1.1.3本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子自由电子：温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子。空穴：自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。1.1

半导体的基本知识空穴能运动吗？空穴的运动方向与自由电子的运动方向相反本征半导体的导电机理动画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。这种现象称为复合。T↑1.1

半导体的基本知识1.1.3本征半导体中的两种载流子1.1

半导体的基本知识在一定的温度下，本征导体中的载流子浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。温度越高载流子浓度升高，导电能力增强，反之导电能力减弱。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：

本征半导体的导电能力很差，且与温度密切相关，根据这种特性，半导体可以用来作热敏和光敏器件。1.1

半导体的基本知识1.1.3本征半导体中的两种载流子

通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可使半导体的导电性发生显著变化。这种半导体称为杂质半导体。按掺入的杂质元素不同，可形成N型半导体和P型半导体；控制掺入杂质元素的浓度，就可以控制杂质半导体的导电性能。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。（Negative负的字头）P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。（Positive正的字头)1.1.4杂质半导体1.1

半导体的基本知识

1.N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，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。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。+5自由电子

N型半导体的共价键结构施主杂质1.1

半导体的基本知识1.1.4杂质半导体

2.P型半导体空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。在本征半导体中掺入三价杂质元素，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位，即形成一个空穴。空穴受主杂质+3P型半导体的共价键结构1.1

半导体的基本知识1.1.4杂质半导体a.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。b.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。如：T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm3，掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3，本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

，以上三个浓度基本上依次相差106/cm3

。c.杂质半导体总体上保持电中性。(a)N型半导体(b)P型半导体

3.杂质对半导体导电性的影响4.杂质半导体的简化表示1.1

半导体的基本知识1.1.4杂质半导体什么是漂移运动？1.2.1漂移运动与扩散运动1.2

PN结的形成及特性由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。什么是扩散运动？由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。内电场Uho阻挡层空间电荷区PNP区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。（1）扩散运动PN（2）空间电荷区形成内电场（3）动态平衡-PN结形成1.2.2PN结的形成

物质总是由浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动使靠近接触面P区的一侧留下负离子、靠近接触面N区的一铡留下负离子，形成空间电荷区。1.2

PN结的形成及特性

因浓度差

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区1.2.2PN结的形成

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。1.2

PN结的形成及特性PN结的形成动画1.2

PN结的形成及特性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRIPN1.2.3PN结的单向导电特性空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。1.2

PN结的形成及特性（1）PN结外加正向电压（正偏）（2）PN结外加反向电压(反偏)耗尽层PN外电场方向内电场方向VRIS反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽。不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流IS

；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS

将急剧增大。1.2

PN结的形成及特性1.2.3PN结的单向导电特性PN结的单向导电动画1.2

PN结的形成及特性

(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）1.2

PN结的形成及特性1.2.3PN结的单向导电特性为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？问题1.2

PN结的形成及特性在PN结上加上引线和封装，就成为一个半导体二极管。半导休二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型。

1.3

半导体二极管1.3.1二极管的结构小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管（1）点接触型二极管(a)点接触型

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。（2）面接触型二极管(b)面接触型PN结面积大，用于工频大电流整流电路。1.3.1二极管的结构

1.3

半导体二极管（3）平面型二极管(c)平面型（4）二极管的代表符号D往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。1.3.1二极管的结构

1.3

半导体二极管604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性二极管的伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。当二极管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。热击穿——不可逆二极管的电流和温升不断增加，使PN结的发热超过它的耗散功率。1.3.2二极管的伏安特性

1.3

半导体二极管硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。1.3.2二极管的伏安特性

1.3

半导体二极管(1)最大整流电流IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。(2)反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。1.3.3二极管的主要参数

1.3

半导体二极管1.3.4其他类型的二极管（1）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。（2）主要参数稳定电压UZ、稳定电流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ动态电阻rz＝ΔUZ

/ΔIZ

若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！限流电阻斜率？限流电阻斜率？进入稳压区的最小电流限流电阻斜率？不至于损坏的最大电流限流电阻斜率？1.稳压二极管

1.3

半导体二极管2.发光二极管LED(LightEmittingDiode)(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(12)V符号u/Vi

/mAO2特性(2)发光类型：可见光：红、黄、绿不可见光：红外光1.3.4其他类型的二极管

1.3

半导体二极管(3)显示类型：普通LED，点阵LED七段LED,2.发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.3.4其他类型的二极管

1.3

半导体二极管(3)显示类型：普通LED，点阵LED七段LED,2.发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.3.4其他类型的二极管

1.3

半导体二极管(3)显示类型：普通LED，点阵LED七段LED,2.发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.3.4其他类型的二极管

1.3

半导体二极管3.光电二极管符号和特性符号特性uiOE=200lxE=400lx工作原理：无光照时，与普通二极管一样。有光照时，分布在第三、四象限。1.3.4其他类型的二极管

1.3

半导体二极管u1u2TD3D2D1D4RLuo电路图结构1.4.1单相桥式整流滤波电路1.4二极管应用电路u2>0时D1,D4导通D2,D3截止电流通路:a

D1RLD4bu2<0时D2,D3导通D1,D4截止电流通路:bD2RLD4au2uoiLu2D3D2D1D4RLuoabiL单相桥式整流电路输出电压及负载电流波形。1.工作原理1.4.1单相桥式整流滤波电路1.4二极管应用电路（一）整流电路纹波系数(1)平均整流电流(2)最大反向电压3.整流元件参数的计算2.负载上的直流电压VL和直流电流IL的计算1.4.1单相桥式整流滤波电路1.4二极管应用电路经过整流后的电源电压虽然没有交流变化成分，但其脉动较大，需要经过滤波电路消除其脉动成分，使其更接近于直流。滤波的方法一般采用无源元件电容或电感，利用其对电压、电流的储能特性达到滤波的目的。常见滤波电路如下所示。（a）电容滤波电路（b）电感电容滤波电路（c）型滤波电路（二）滤波电路1.4二极管应用电路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC当RL接入时（假设RL是u2在从0上升时接入的）：u2tuot无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形1)电容滤波原理（二）滤波电路（只介绍电容滤波）1.4二极管应用电路u2上升,当u2大于电容上的电压uc，u2对电容充电，uo=ucu2u2下降，当u2小于电容上的电压uc时,二极管承受反向电压而截止。电容C通过RL放电，uc按指数规律下降，时间常数=RLCuotau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC1)电容滤波原理（二）滤波电路（只介绍电容滤波）1.4二极管应用电路uotRLC愈大C放电愈慢UO(平均值)愈大电容滤波电路的特点：RLC较大RLC较小RLC愈小C放电愈快UO(平均值)愈小UO平均值UO平均值au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC1)电容滤波原理（二）滤波电路（只介绍电容滤波）1.4二极管应用电路因为滤波的过程中含有正弦波、指数曲线及谐波成分，一般很难用精确的数学表达式进行计算，所以一般使用中多采用近似估算来确定其参数。输出电压可以近似看成锯齿波，如图所示。后按RLC放电的初始斜率线并令在T/2（T为正弦波周期）处为电容充放电转换时的电压值Uomin。则：设uc每次充电到峰值性下降，经过τ=RLC放电结束交于横轴；2)输出电压平均值（二）滤波电路（只介绍电容滤波）1.4二极管应用电路由相似三角形关系可得：则：即：为了获得较好的滤波效果，应使滤波电容满足RLC=(3~5)T/2的条件。此时UO(AV)≈1.2U22)输出电压平均值（二）滤波电路（只介绍电容滤波）1.4二极管应用电路交流分量的基波的峰-峰值为（Uomax－Uomin）,则基波峰值为实际uo的波动没有近似波形误差大，故实际S比计算值要小。所以脉动系数为3)脉动系数S（二）滤波电路（只介绍电容滤波）1.4二极管应用电路iDtu2t二极管中的电流在未加滤波电路之前，无论是哪种整流电路中的二极管的导通角都为π。加滤波电容之后，只有电容充电时二极管才导通，因此每只二极管的导通角都小于π。RLC越大，滤波效果越好，而导通角越小，因此二极管中的电流是脉冲波。在滤波电路中，二极管中的最大整流平均电流IF通常选择大于负载电流的2～3倍。4)整流二极管的导通角（二）滤波电路（只介绍电容滤波）1.4二极管应用电路分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳

<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止1.4.2二极管电路分析举例D6V12V3kBAUAB+–V阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V在这里，二极管起钳位作用。[例1]：电路如右图，求：UAB解：取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。1.4二极管应用电路V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1