第三章二极管及其基本电路

基本要求：

3、掌握二极管外特性、基本电路及分析方法、应用；4、正确理解二极管工作原理、主要参数、使用方法；1、了解半导体材料的基本结构及PN结的形成；第三章二极管及其基本电路

2、掌握以下基本概念：半导体材料的特点、空穴、多子、少子、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏；5、掌握稳压管工作原理及使用；第三章半导体二极管及其基本电路

§3.1半导体基本知识

§3.2PN结§3.4二极管基本电路及分析方法

§3.5特殊二极管

§3.3半导体二极管§3.1半导体基本知识

半导体：现代电子中非常重要的组成部分

3.1.1半导体材料

3.1.2半导体的共价键结构

3.1.3本征半导体及其导电作用

3.1.4杂质半导体

3.1.5名词

半导体器件特点：体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高。

3.1.1半导体材料

按电阻率不同，物质分为导体、半导体和绝缘体

1、半导体特性

（1）热敏性（3）掺杂特性（2）光敏性

2、为什么有三种特性？特殊的导电结构常见半导体材料：Si、Ge等元素半导体，应用广

GaAs等化合物半导体

§3.1半导体基本知识

硅单质

硅芯片

3.1.2半导体的共价键结构

简化模型最外层上的电子，决定了物质的化学特性和导电性；Si硅原子Ge锗原子

1、Si、Ge的原子结构

价电子：§3.1半导体基本知识

惯性核

3.1.2半导体的共价键结构

2、共价键硅和锗的晶体结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示惯性核§3.1半导体基本知识

3.1.2半导体的共价键结构

+4+4+4+4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。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的束缚。

2、共价键

§3.1半导体基本知识

束缚电子能获得自由吗？光敏、热敏、掺杂特性金刚石晶体

3.1.3本征半导体及其导电作用

本征半导体：结构完整，完全纯净的半导体载流子：能自由运动的带电粒子

本征半导体自由电子

加热或光照空穴1、载流子的产生

空穴：共价键中的空位§3.1半导体基本知识

3.1.3本征半导体及其导电作用

2、本征半导体特点

（1）T升高n升p升（2）n=p

3、载流子的运动无电场：无规则运动有电场：载流子定向运动§3.1半导体基本知识

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。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。§3.1半导体基本知识

1.N型半导体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。多余电子硅原子SiPSiSi五价杂质原子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硅(锗)+磷N型半导体

3.1.4

杂质半导体

2.P型半导体在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。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。因缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。空穴SiSiSiB硅原子三价杂质原子在与硅原子形成共价键硅(锗)+硼P型半导体

3.1.4杂质半导体杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++

3.1.4杂质半导体P型半导体N型半导体§3.1半导体基本知识

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§3.1半导体基本知识

§3.2PN结3.2.2PN结的形成

3.2.3PN结的单向导电性

3.2.1载流子的漂移与扩散

3.2.1载流子的漂移与扩散

§3.2半导体基本知识

扩散运动漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动3.2.2PN结的形成1、PN结形成的物理过程

§3.2PN结1、PN结形成的物理过程

扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。3.2.2PN结的形成

§3.2PN结漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。1、PN结形成的物理过程

3.2.2PN结的形成

§3.2PN结

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在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。

3.2.2PN结的形成

§3.2PN结2、空间电荷区的几个名称及含义空间电荷区阻挡层PN结耗尽层:在空间电荷区，缺少多子势垒区3.2.2PN结的形成

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++§3.2PN结PN结加反向电压时的导电情况此时，PN结处于截止状态，相当于小电阻，I反=I漂

3.2.3PN结的单向导电性

1、外加反向电压§3.2PN结正偏:加正向电压，外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位；反偏:加反向电压，外加电压使PN结中N区的电位高于P区的电位；3.2.3PN结的单向导电性

2、外加正向电压

此时，PN结相当于小电阻

I正=I扩

PN结正偏导通PN结加正向电压时情况§3.2PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；结论：单向导电性

加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。3.2.3PN结的单向导电性

§3.2PN结§3.3半导体二极管

3.3.1结构与符号在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。(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，用于检波和变频等高频电路。按结构分有点接触型、面接触型和平面型三类。(3)平面型二极管(2)面接触型二极管常用于集成电路制造艺中。

PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。§3.3半导体二极管3.3.1结构与符号

（4）二极管的代表符号§3.3半导体二极管3.3.1结构与符号

3.3.2伏安特性（1）理想模型二极管方程

PN结理想特性伏安特性曲线表示式（2）实际特性

正向特性反向特性反向击穿特性§3.3半导体二极管（1）最大整流电流IF3.3.3二极管参数（2）反向击穿电压VBR（3）反向电流IR

3.3.4极间电容3.3.5二极管选择3.3.6二极管型号、命名§3.3半导体二极管§3.4二极管基本电路及分析方法

3.4.1二极管模型

3.4.2应用电路分析

3.4.1半导体二极管等效模型：一、理想模型：理想二极管(vD

＞0)二极管导通VF

=0r=0开关闭合(vD

<0)二极管截止iD

=0r=∞开关断开§3.4

二极管基本电路及其分析方法二、恒压降模型：(vD

＞VF)二极管导通vD

=VFr=0开关闭合(vD

<VF)二极管截止iD

=0r=∞开关断开

三.折线模型§3.4二极管基本电路及分析方法四、小信号模型:二极管工作在正向特性的某个小范围内，等效为一小电阻：常温下，（T=300K）

3.4.2应用举例

1.二极管的静态工作情况分析理想模型§3.4二极管基本电路及分析方法

（硅二极管典型值）

3.4.2应用举例

1.二极管的静态工作情况分析§3.4二极管基本电路及分析方法

恒压模型（硅二极管典型值）设

3.4.2应用举例

1.二极管的静态工作情况分析§3.4二极管基本电路及分析方法

折线模型RLuiuOuiuott

3.4.2应用举例

2.整流电路§3.4二极管基本电路及分析方法

3.4.2应用举例

3.限幅电路§3.4二极管基本电路及分析方法

3.4.2应用举例

3.限幅电路§3.4二极管基本电路及分析方法

3.4.2应用举例

4.开关电路§3.4二极管基本电路及分析方法

3.4.2应用举例

4.开关电路§3.4二极管基本电路及分析方法

D1：阳极0V，阴极-12V

D2：阳极-15V，阴极-12V

D1导通，D2截止，Vo=0V

3.4.2应用举例

5电路分析举例1§3.4二极管基本电路及分析方法

V1：阳极0V，阴极-3V

V2：阳极-6V，阴极-3V

3.4.2应用举例

5电路分析举例2§3.4二极管基本电路及分析方法

V1：阳极3V，阴极0V

V2：阳极3V，阴极-2V

V2先导通

V1：阳极3V，阴极5V

3.4.2应用举例

5电路分析举例2§3.4二极管基本电路及分析方法

V1：阳极6V，阴极0V

V2：阳极0V，阴极0V

V1先导通

V2：阳极6V，阴极6V*（1+2）/（4+1+2）§3.5特殊二极管

3.5.1稳压二极管

3.5.2变容二极管

3.5.3光电子器件

1.光电二极管

2.发光二极管

3.激光二极管

1.符号及稳压特性(a)符号(b)伏安特性

3.5.1稳压二极管稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。利用二极管反向击穿特性实现稳压。电路增量很大，只引起很小的电压变化

(1)稳定电压VZ

(2)动态电阻rZ

=VZ/IZ

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。

(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.主要参数

3.5.1稳压二极管正常稳压时

VO=VZ稳压条件IZmin

≤IZ≤IZmax

3.稳压电路

3.5.1稳压二极管

3.5.2变容二极管二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。不同型号的管子，其电容最大值可能是5-300pF。最大电容与最小电容之比约为5:1。变容二极管在高频技术中应用较多。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。

3.5.3光电子器件

1.光电二极管可用来作为光的测量，将光信号转换为电信号。光电二极管的结构与PN结二极管类似，但在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。光电二极管光电子系统的电子器件。其反向电流与照度成正比。

特点：

抗干扰能力强，传输信息量大、传输损耗小且工作可靠。在信号传输和存储等环节中多用。

3.5.3光电子器件

1.光电二极管PIN光电二极管组件FC型光电二极管新型表面贴装PIN光电二极管

当这种管子通以电流时将发出光来，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。

3.5.3光电子器件

2发光二极管含有发光二极管的织物发光二极管点式LED字段式LED点阵式LED光柱式LED黑白液晶显示屏彩色液晶显示屏各种液晶显示器

3.5.3光电子器件

3.激光二极管905nm70WTO9封装脉冲激光二极管光学准直高功率激光二极管主要应用于小功率光电设备中。如：光盘驱动器和激光打印机的打印头等。

激光二极管思考题：１电路中，Ｄ１－－Ｄ3为理想二极管，Ａ、Ｂ、Ｃ灯泡全同，则最亮的灯为哪个？２Ｄ１、Ｄ２为理想二极管，Ｒ＝６Ω

，当用普通指针式万用表置Ｒ×１Ω档，用黑表笔接Ａ，红表笔接Ｂ，则万用表指示值为多少？1.两个稳压管稳压值分别为6V、7V且它们的正向导通压降为0.6V。则两管串联时可能有几种输出电压。两管并联时又可能有几种输出电压。思考题:2.稳压管的稳压值UZ＝6V，稳定电流的最小值IZmin＝5mA。求电路中UO1和UO2?3.电路如图（a）、（b）所示，稳压管的稳定电压UZ＝3V，R的取值合适，uI的波形如图（c）所示。试分别画出uO1和uO2的波形。

习题

*2.4.3二极管电路如图1所示，试判断图中的二极管是导通还是截止，