第2章二极管及基本电路

3半导体二极管

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23.1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杂质半导体半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。导电的重要特点1、其能力容易受环境因素影响（温度、光照等）2、掺杂可以显著提高导电能力33.1.2半导体的共价键结构原子结构简化模型—完全纯净、结构完整的半导体晶体。3.1.3本征半导体在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电两个价电子的共价键正离子核4

3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用温度光照自由电子空穴本征激发空穴

——共价键中的空位空穴的移动——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。由热激发或光照而产生自由电子和空穴对。温度

载流子浓度＋5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*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响

温度↑→载流子浓度↑→导电能力↑3.1.4杂质半导体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）自由电子＝多子空穴＝少子空穴＝多子自由电子＝少子由热激发形成它主要由杂质原子提供空间电荷7

掺入杂质对本征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=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3

。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3杂质对半导体导电性的影响8本征半导体、本征激发本节中的有关概念自由电子空穴N型半导体、施主杂质(5价)P型半导体、受主杂质(3价)多数载流子、少数载流子杂质半导体复合*半导体导电特点1： 其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度↑→载流子浓度↑→导电能力↑*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力93.2PN结的形成及特性

3.2.1PN结的形成

3.2.2PN结的单向导电性

*

3.2.3PN结的反向击穿

3.2.4PN结的电容效应103.2.1PN结的形成1.浓度差多子的扩散运动2.扩散空间电荷区内电场3.内电场少子的漂移运动

阻止多子的扩散4、扩散与漂移达到动态平衡载流子的运动：扩散运动——浓度差产生的载流子移动漂移运动——在电场作用下，载流子的移动P区N区扩散：空穴电子漂移：电子空穴形成过程可分成4步(动画)内电场11PN结形成的物理过程：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。多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区对于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。扩散>漂移否是宽123.2.2PN结的单向导电性只有在外加电压时才…扩散与漂移的动态平衡将…定义：加正向电压，简称正偏加反向电压，简称反偏扩散>漂移大的正向扩散电流（多子）低电阻正向导通漂移>扩散很小的反向漂移电流（少子）高电阻反向截止133.2.2PN结的单向导电性PN结特性描述2、PN结方程PN结的伏安特性陡峭电阻小正向导通1、PN结的伏安特性特性平坦反向截止一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的非线性其中IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）近似估算正向：反向：143.2.3PN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。热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿p66电击穿——可逆153.2.4PN结的电容效应

(1)势垒电容CB势垒电容示意图扩散电容示意图(2)扩散电容CD163.3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3.3.3二极管的参数PN结加上引线和封装二极管按结构分类点接触型面接触型平面型17半导体二极管图片点接触型面接触型平面型183.3.2二极管的伏安特性3.PN结方程（近似）硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）注意1.死区电压（门坎电压）2.反向饱和电流 硅：0.1A；锗：10A193.3.3二极管的参数(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硅二极管2CP10的V-I特性从二极管的伏安特性可以反映出：

1.单向导电性2.

伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10℃212.4二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5、应用电路分析举例2、二极管状态判断1、二极管电路的分析概述3、图解分析法4、等效电路（模型）分析法讲课思路：三、二极管的等效电路理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0导通时△i与△u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！1.将伏安特性折线化2.微变等效电路(小信号模型)Q越高，rd越小。

当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流常温下（T=300K）24

5、应用电路分析举例例5:（例3.4.1）求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V时（b）VDD=1V时VDD理想模型恒压模型折线模型理想模型恒压模型折线模型25

1、二极管电路的分析概述应用电路举例例3.4.2（习题3.4.12）习题3.4.5整流 限幅习题3.4.6初步分析——依据二极管的单向导电性D导通：vO=vI-vDD截止：vO=0D导通：vO=vDD截止：vO=vI左图中图显然，vO与

vI的关系由D的状态决定而且，D处于反向截止时最简单！26分析思路分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO

，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。首先，判断D的状态？若D反向截止，则相当于开路（iD

0，ROFF∞）；若D正向导通，则？正向导通分析方法：图解法等效电路（模型）法——将非线性线性先静态（直流），后动态（交流）静态：vI=0（正弦波过0点）动态：vI

01、二极管电路的分析概述27

2、二极管状态判断例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向击穿iD=

？vD=

？二极管状态判断方法假设D截止(开路)，求D两端开路电压普通：热击穿－损坏齐纳：电击穿VD=-VBR=-40VVD>0VD正向导通？-VBR<VD0VD反向截止,ID=0VD-VBRD反向击穿,VD=-VBRD正向导通？D正向导通！28

例2：一二极管开关电路如图所示。当V1和V2为0V或5V时，求V1和V2的值不同组合情况下，输出电压0的值。设二极管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-29

解：(1)当V1=0V,V2=5V时,D1为正向偏置，

V0=0V,此时D2的阴极电位为5V，阳极为0V，处于反向偏置，故D2截止。(2)以此类推，将V1和V2的其余三种组合及输出电压列于下表：

V1

V2

D1

D2

V0

0V

0V导通导通

0V

0V

5V导通截止

0V

5V

0V截止导通

0V

5V

5V截止截止

5V30习题3.4.6试判断图题3.4.6中二极管导通还是截止，为什么?图题3.4.6(a)例3:习题3.4.5电路如下图所示，判断D的状态2、二极管状态判断31例3:已知伏安特性,求VD、ID。

3、图解分析法例1(a)图线性线性:vD=

VI-iDR非线性:非线性联立求解，可得VD、ID图解法直线与伏安特性的交点图解法关键——画直线又称为负载线vD=

0iD=

VI/R=1mAvD=

1ViD=(VI-vD)/R=0.9mA静态工作点QVD0.7VID0.95mA解32例4:已知伏安特性,求vD、iD。例3:已知伏安特性,求VD、ID。3、图解分析法VI=

10Vvi=

1Vsint先静态分析－直流负载线:再动态分析－交流负载线:vD=

VI+vi-iDRVD0.7VID0.95mAiD=ID+DiD

=0.95mA+0.1mAsintvD=VD+DvD0.7V

33iD=ID+DiDvD=VD+DvD

VI=

10V，vi=

1VsintVD0.7VID0.95mA静态分析ui=0动态分析VI=0叠加原理例4:已知伏安特性,求vD、iD。3、图解分析法34VI=

10V，vi=

1Vsint例4:已知伏安特性,求vD、iD。5、应用电路分析举例iD=ID+DiD=0.95mA+0.1mAsintvD=VD+DvD0.7V

静态分析vi=0叠加原理动态分析VI=0小信号模型(小信号等效电路)355、应用电路分析举例例7:(小信号分析)例4中求vD、iD。VI=

10V，vi=

1Vsint解题步骤:(1)静态分析(令vi=0）由恒压降模型得VD0.7V;ID0.93mA(2)动态分析(令VI=0）由小信号模型得36分析方法小结3.4二极管基本电路及其分析方法假设D截止（开路）求D两端开路电压VD