模拟电子技术(模电)第1章 半导体二极管及其基本电路

第1章半导体二极管及其基本电路1.1

半导体的基础知识和PN结1.2

晶体二极管1.3

二极管电路的分析方法1.5

特殊二极管小结1.4

半导体二极管的应用1.1

半导体的基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3

PN结半导体的特点1.热敏性：半导体的导电能力与温度有关利用该特性可做成热敏电阻2.光敏性：半导体的导电能力与光的照射有关系利用该特性可做成光敏电阻半导体定义导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。1.1.1本征半导体本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。3.掺杂性：掺如有用的杂质可以改变半导体的导电能力利用该特性可做成半导体器件硅(锗)的原子结构简化模型惯性核价电子(束缚电子)1、半导体的原子结构2、本征半导体的晶体结构硅(锗)的共价键结构共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。3、本征半导体的导电情况自由电子空穴空穴空穴可在共价键内移动当温度为绝对零度以下时，该结构为绝缘体在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)本征激发：复合：

自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：

自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。载流子：自由运动的带电粒子两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动

结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；

2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；

3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。1.1.2杂质半导体一、N型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数二、P型半导体P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—

多子电子—

少子载流子数

空穴数三、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体I

INP型半导体

I

IP四、P型、N型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子P型：N型：1.1.3PN结一、PN结(PNJunction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区产生了一个内电场，电场的作用是阻碍多子的扩散促进少子产生漂移内建电场此时产生了两种电流：扩散电流和漂移电流3.继续扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，

总电流

I=0。二、PN结的单向导电性1）外加正向电压(正向偏置)—forwardbias此时形成的空间电荷区域称为PN结（耗尽层）1.定性分析P区N区内电场外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子

I多子2）.外加反向电压(反向偏置)

—reversebias

P

区N

区内电场外电场外电场使多子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;

反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子

02、定量估算反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT

=26mV加正向电压时加反向电压时i≈–IS3、伏安特性Ou

/VI

/mA反向击穿正向特性1.2

半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构和类型1.2.2二极管的伏安特性1.2.3二极管的主要参数1.2.1半导体二极管的结构和类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金正极

引线负极

引线集成电路中平面型PNP型支持衬底1.2.2二极管的伏安特性一、PN结的伏安方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT

=26mV二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0U

Uth

UD(on)

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)

几十A

(锗)U<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。

(击穿电压<6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压>6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020温度对二极管特性的影响T

升高时，UD(on)以

(22.5)mV/C下降1.2.3二极管的主要参数1.

IF—

最大整流电流(最大正向平均电流)2.

URM—

最高反向工作电压，为U(BR)/2

3.

IR

—

反向电流(越小单向导电性越好)4.

fM—

最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO影响工作频率的原因—PN结的电容效应

结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。1.3

二极管的模型1.3.1理想二极管模型1.3.２二极管恒压源模型1.3.３二极管的交流小信号模型1.3.1理想二极管模型特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)1.3.1二极管的恒压降模型1.3.３二极管的交流小信号模型图解法公式法：rd=Ud/Id1.4半导体二极管的应用

二极管在电路中有着广泛的应用，利用它的单向导电性，可组成整流、限幅、检波电路，还可做元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。1.4.1二极管在限幅电路中的应用限幅电路分为串联限幅电路、并联限幅电路和双向限幅电路三种

。

1.串联限幅电路

E0时传输特性（恒压降模型）电路组成E0时输出波形

E=0时输出波形

E0时输出波形工作原理2.并联限幅电路（恒压降）3.双向限幅电路1.4.2二极管在整流电路中的应用1.单相半波整流电路（理想模型）2.全波整流电路1.5

特殊二极管1.5.1稳压二极管1.5.2光电二极管1.5.1稳压二极管一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性二、主要参数1.

稳定电压UZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ

Imin

<IZ<IMAX，大于IMAX烧毁小于Imin时不稳压。3.

最大工作电流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.动态电阻rZrZ=UZ/IZ

越小稳压效果越好。几几十5.稳定电压温度系数CT一般，UZ<4V，CT<0(为齐纳击穿)具有负温度系数；UZ>7V，CT>0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4V<UZ<7V，CT很小。例1.5.1

分析简单稳压电路的工作原理，

R为限流电阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRRUIUORRLILIRIZ当UI恒定而RL减小时，将产生如下的自动调节RL↓→IL↑→IR↑→UO↓→IZ↓→IR↓→UO↑1.5.2发光二极管与光敏二极管一、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压2-2.5V,若低于，则不发光。工作电流几十mA，导通电压(12)V符号特性2.主要参数IFM

，U(BR)

，IR发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,二、光敏二极管1．符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.主要参数暗电流，光电流，最高工作范围等实物照片特点：通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。它的反向电流与照度成正比。小结第1

章一.半导体的特性

1.热敏性

2.光敏性

3.掺杂性

二、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子空穴两种半导体N型(多电子)P型(多空穴)三、二极管1.特性—单向导电性（正向导通，反向截止）正向电阻小(理想为0)，反向电阻大()。iDO

uDU(BR)IFURM2.主要参数正向—最大平均电流IF反向—最大反向击穿电压U(BR)(超过则击穿)反向饱和电流IR(IS)(受温度影响)IS3.二极管的等效模型理想模型(大