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结的形成及特性小结2.6二极管的应用2半导体二极管及其基本电路2

半导体二极管及其基本电路主要内容

1、掌握以下基本概念：半导体材料的特点、空穴、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏；

2、了解PN结的形成过程及二极管的单向导电性；

3、掌握二极管的伏安特性及其电路的分析方法；

4、正确理解半导体二极管的主要参数；

5、掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项，了解选管的一般原则。2.1半导体的基本知识

2.1.1半导体特性

2.1.2半导体的共价键结构

2.1.3本征半导体

2.1.4杂质半导体一、何谓半导体物体分类导体如：金属绝缘体如：橡胶、云母、塑料等。—导电能力介于导体和绝缘体之。半导体二、半导体导电特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性半导体器件温度增加使导电率大为增加热敏特性热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光敏特性光敏器件光电器件常用的半导体材料有：

元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）

化合物半导体：砷化镓（GaAs）

掺杂材料：硼(B)、磷(P)2.1.1半导体特性硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构价电子是我们要研究的对象硅晶体的空间排列2.1.2半导体的共价键结构本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体Si+14284Ge+3228184+42.1.3本征半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位称为空穴自由电子定向移动形成电子流本征半导体1.本征半导体中有两种载流子—自由电子和空穴2.在外电场的作用下，产生电流—电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反空穴流价电子递补空穴形成的与外电场方向相同与自由电子运动的方向相反

本征激发

用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流电子浓度ni

=空穴浓度pi热激发产生自由电子空穴对空穴相当于带正电的粒子，带电量与电子相等，符号相反；空穴的运动相当于电子的反方向运动本征半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高掺入三价元素如B、Al、In等，形成P型半导体，也称空穴型半导体掺入五价元素如P、Sb等，形成N型半导体，也称电子型半导体2.1.4杂质半导体

N型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入五价元素如P。自由电子是多子（杂质、热激发）空穴是少子（热激发）

由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子代表符号

P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入三价元素如B。自由电子是少子（热激发）空穴是多子（杂质、热激发）因留下的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。代表符号本征半导体、杂质半导体

本节中的有关概念自由电子、空穴

N型半导体、P型半导体多数载流子、少数载流子施主杂质、受主杂质2.2PN结的形成及特性

2.2.1PN结的形成

2.2.2PN结的单向导电性

2.2.3PN结的反向击穿

2.2.4PN结的电容效应P区N区浓度差－－扩散运动（多子）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为扩散电流内电场—漂移运动（少子）内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡2.2.1PN结的形成内电场阻止多子扩散

因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动扩散运动产生扩散电流漂移运动少子向对方漂移,称漂移运动漂移运动产生漂移电流。动态平衡扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。PN结稳定的空间电荷区又称高阻区也称耗尽层V

内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V

接触电位V决定于材料及掺杂浓度硅：V=0.7锗：V=0.2PN结的接触电位1.PN结加正向电压时的导电情况外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。空间电荷区变窄，PN结呈现低阻性。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内外2.2.2PN结的单向导电性2.PN结加反向电压时的导电情况外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。ＰＮ结变宽PN结呈现高阻性P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；内外PN结的单向导电性由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。其中

Is饱和电流;UT=kT/q等效电压

k波尔兹曼常数；T=300k（室温）时

UT=26mv由半导体物理可推出：当加反向电压时：当加正向电压时：(U>>UT)PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式PN结的伏安特性三．PN结电流方程反向击穿PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象雪崩击穿当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。击穿是可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生击穿是可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生（不可逆击穿）—热击穿PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁2.2.3PN结的反向击穿一．势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。2.2.4PN结的电容效应

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。二．扩散电容CD当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。2.3半导体二极管

2.3.1半导体二极管的结构

2.3.2二极管的伏安特性

2.3.3二极管的参数实物图片

2.3.1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。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型

二极管的结构示意图(3)平面型二极管

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。(2)面接触型二极管

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型(4)二极管的代表符号1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。硅：Vr=0.5-0.6v;锗：Vr=0.1-0.2v2.加反向电压时，反向电流很小即Is硅(nA)<Is锗(A)

硅管比锗管稳定3.当反压增大VB时再增加，反向电流激增，发生反向击穿，VB称为反向击穿电压。①②③二极管的伏安特性可用下式表示

2.3.2二极管的伏安特性晶体二极管的电阻非线性电阻直流电阻R(也称静态电阻）交流电阻r（又称动态电阻或微变电阻）一、直流电阻定义二极管两端的直流电压UD与电流ID之比IDIUUDD二、交流电阻rRLEDDuIQUUI或实质是特性曲线静态工作点处的斜率交流电导：g=dI/dU=I/UT交流电阻：r=1/g=UT/I室温下：UT=26mv交流电阻：r=26mv/ID(mA)晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：由此可得：晶体二极管的电阻

2.3.3

二极管的参数(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)正向压降VF(5)极间电容CB二极管的型号命名2.4二极管基本电路及其分析方法（*）

2.4.1二极管V-I特性的建模

2.4.2应用举例

2.4.1二极管V-I特性的建模

1.理想模型3.折线模型

2.恒压降模型正偏时导通，管压降为0V;反偏时截止，电流为0。管子导通后,管压降认为是恒定的,典型值为0.7V。管压降不是恒定的,而是随电流的增加而增加。

4.小信号模型二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）

2.4.1二极管V-I特性的建模

5.指数模型较完整且较准确

2.4.2应用举例

1.二极管的静态工作情况分析理想模型（R=10k）（1）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（2）VDD=1V时（自看）例2.4.2电路如图：输入正弦波，分析输出信号波形。

2.限幅电路当输入信号为0V、4、6V时，分析输出信号，自己分析。1k3V~220Ve2iDuL3、整流电路整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，1)半波整流e2E2m+-iDuL整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。~220Ve2iDuL+-2)全波整流~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLe2’e2-+-+e2uL3)桥式整流~220Ve2uL+-~220Ve2uL+-e2uL4、开关电路在数字电路中实现与逻辑2.5特殊二极管

2.5.1稳压二极管

2.5.2光电子器件1.光电二极管2.发光二极管1.稳压特性稳压原理：在反向击穿时，电流在很大范围内变化时，只引起很小的电压变化。正向部分与普通二极管相同稳压管稳压时必须工作在反向电击穿状态。当反向电压加到一定值时，反向电流急剧增加，产生反向击穿。2.5.1稳压二极管(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZ：愈小稳压性能愈好

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大稳定工作电流

IZmax

和最小稳定工作电流IZmin(5)稳定电压温度系数——VZ

2.特性参数

稳压管工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管。二是当输入电压或负载电流变化时，通过电阻上压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。3.应用方法稳压电路IZmin

≤IZ≤IZmaxVIVOIZIRVRVO光电二极管是有光照射时会产生电流的二极管。其结构和普通的二极管基本相同它利用光电导效应工作，PN结工作在反偏状态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，产生电子—空穴对，在外电场的作用下形成光电流。D应在反压状态工作发光二极管是将电能转换成光能的特殊半导体器件，它只有在加正向电压时才发光。2.5.2光电子器件1、光电二极管2、发光二极管二极管应用二、

LED显示器abcdfgabcdefgabcdefg+5V共阳极电路共阴极电路控制端为高电平对应二极管发光控制端为低电平对应二极管发光e小结

1、

半导体中有两种载流子：电子和空穴。载流子有两种运动方式：扩散运动和漂移运动。

本征激发使半导体中产生电子-空穴对，但它们的数目很少，并与温度有密切关系。

2、在本征半导体中掺入不同的杂质,可分别形成P型和N型半导体,它们是各种半导体器件的基本材料。

3、PN结是各种半导