模电 晶体二极管及应用电路

绪论晶体二极管及应用电路(3.5学时）晶体三极管及应用电路场效应管及基本放大电路放大电路的频率响应负反馈放大电路双极型模拟集成电路双极型模拟集成电路的分析与应用MOS模拟集成电路（自学）直流稳压电源电路课程主要内容部分半导体二极管图片问题：二极管特性与电阻特性有何区别？二极管电阻是大还是小？二极管具有怎样的物理结构？二极管有哪些类型？二极管有哪些典型应用？主讲:刘颖第二章晶体二极管及应用电路2.1半导体基础知识2.2晶体二极管2.3二极管主要应用第二章晶体二极管及应用电路2.1半导体基础知识2.1.1半导体特性2.1.2本征半导体2.1.3杂质半导体2.1.4PN结2.1.1半导体特性导体:导电率为105s.cm-1，量级，如金属。（S:西门子)绝缘体:导电率为10-22～10-14s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。半导体:

半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性半导体元件温度增加使导电率大为增加温度特性热敏元件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光敏元件2.1.2本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度为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+4晶体特征在晶体中，质点的排列有一定的规律。硅（锗）的原子结构简化模型价电子正离子注意：为了方便，原子结构常用二维结构描述，实际上是三维结构。说明：硅原子有14个自由电子锗原子有32个自由电子锗晶体的共价键结构示意图半导体能带结构示意图价带中留下的空位称为空穴导带自由电子定向移动形成电子流本征半导体的原子结构和共价键共价键内的电子称为束缚电子价带禁带EG外电场E束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流挣脱原子核束缚的电子称为自由电子2.1.2本征半导体高低2.本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，它们是成对出现的。3.电子流和空穴流：在外电场的作用下，自由电子和空穴和的定向运动产生电流，分别称为电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的；方向与外电场方向相反；自由电子始终在导带内运动。空穴流价电子递补空穴形成的；方向与外电场方向相同；始终在价带内运动。

注意：本征半导体在热力学零度（0K）和没有外界能量激发下，晶体内无自由电子，不导电。1.载流子:运载电荷的粒子，如自由电子和空穴，统称为载流子。本征半导体的载流子的浓度电子浓度

ni

:表示单位体积内的自由电子数空穴浓度pi:表示单位体积内的空穴数。A0—

与材料有关的常数EG0—

禁带宽度T—

绝对温度k—

玻尔曼常数结论1.本征半导体中电子浓度ni=空穴浓度pi

2.载流子的浓度与T、EG0有关

了解

载流子的产生与复合载流子的产生率g：即每秒成对产生的电子空穴的浓度。载流子的复合率R：即每秒成对复合的电子空穴的浓度。当达到动态平衡时g=R

R=r

nipi

其中r—复合系数，与材料有关。2.1.3杂质半导体杂质半导体杂质半导体特点：掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高。

掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝）等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。

掺入的五价元素如P（磷）、砷等，形成N型半导体，也称电子型半导体。

N型半导体在本征半导体中掺入的五价元素，如P。价带导带+++++++施主能级自由电子是多子（即多数载流子）空穴是少子杂质原子提供由热激发形成由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质原子因提供自由电子而带正电荷成为正离子。2.1.3杂质半导体

P型半导体在本征半导体中掺入的三价元素如B。价带导带-------受主能级自由电子是少子空穴是多子杂质原子提供由热激发形成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。举例：锗原子密度为4.4×1022/cm3

，常温下锗本征半导ni=2.5×1013/cm3，若每104个锗原子中掺入1个磷原子（掺杂密度为万分之一），则在单位体积中就掺入了10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3个磷原子。则施主杂质浓度为：ND=

4.4×1018/cm3（比ni大十万多倍）杂质半导体小结：载流子的浓度主要取决于多子（即杂质）的浓度。尽管杂质含量很少（如万分之一），但提供的载流子数量仍远大于本征半导体中载流子的数量。故使导电能力激增。半导体的掺杂、温度等可人为控制。结论：在杂质型半导体中，多子浓度比本征半导体的浓度大得多，而少子浓度比本征半导体的浓度小得多，但两者乘积保持不变。其中：ni

表示本征材料中电子的浓度

pi

表示本征材料中空穴的浓度。n·p=ni·pi=ni2=C一、PN结的形成二、PN结的接触电位差三、PN结的伏安特性四、PN结的反向击穿特性五、PN结电容六、PN结的电致发光七、PN结的光电效应2.1.4PN结概念：扩散运动：物质总是从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。漂移运动：载电流（自由电子和空穴）在电场力的作用下产生的定向移动，称为漂移运动。P区N区一、PN结的形成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P区N区扩散运动内电场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产生了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡耗尽层P区N区空穴自由电子负离子正离子正离子区负离子区PN结U内电场的建立，使PN结中产生了电位差

，从而形成接触电位U。接触电位U决定于材料及掺杂浓度二、PN结的接触电位差硅：U≈0.7V锗：U≈0.3V三、PN结的伏安特性1.PN结加正向电压时的导电情况

原理：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。PN结正偏：外接电源E后，P区的电位高于N区的电位，称为外接正向电压，也称为正向偏置，简称正偏。内外结论：PN结正偏时，呈现低阻性。2.PN结加反向电压时的导电情况原理：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结反偏：P区的电位低于N区的电位，称为外接反向电压，也称为反向偏置，简称反偏。内外结论：PN结反偏时，呈现高阻性，近似为截止状态。问题：有必要加电阻R吗？结论：PN结具有单向导电性PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式式中Is(反向)饱和电流;

UT=kT/q等效电压

k波尔兹曼常数；q为电子的电量；

uD为PN结两端的电压；

iD为PN结的电流；当T=300k（室温）时，UT=26mv由半导体物理可推出：3.PN结电流方程(2)当加反向电压时(1)加正向电压时(uD>>UT)PN结电流方程iDuD(UBR<uD<0)常温时UT=26mViDuD反向击穿概念PN结上所加的反向电压达到某一数值时(

uD<UBR

）

，反向电流激增的现象。四、PN结的反向击穿特性可逆击穿不可逆击穿击穿类别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。掺杂浓度小的二极管容易发生。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。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结过热而永久性损坏。可逆击穿击穿五、PN结的电容PN结的电容效应：PN结偏置电压的变化将导致PN结空间电荷区的电荷数量及其两侧载流子的数目均发生变化，现象与电容相似。按照产生机理，有势垒电容和扩散电容。势垒电容CB：当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容。注意：PN结为反偏时较大V注意：势垒电容和扩散电容均是非线性电容,并同时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。扩散电容CD

外加电压不同情况下，P、N区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效为扩散电容。PN结的电致发光如果在PN结加正偏电压UD，外电场将消弱内建电场对载流子扩散的阻挡作用。在外加电场满足一定条件下，注入到耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生光增益。ED五、PN结的电致发光PNPN结用导线连接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻挡，在回路中不产生电流。当有光照射PN结材料上时，若光子能量大于半导体的禁带宽度，则在PN结的耗尽区、P区、N区内产生光生的电子-空穴对，耗尽区内的载流子在内建场的作用下电子迅速移向N区，空穴移向P区，在回路内容形成光电流，而P、N区内产生的光子无内建电场的作用只进行自由的扩散运动，多数因复合而消失，对光电流基本没有贡献。DEDDRLUDIP注意：为了充分利用在PN结各区内产生的光生载流子，PN结需加适当的反向偏压。五、PN结的光电效应2.2.1

二极管的结构类型2.2.2二极管的伏安特性2.2.3二极管的等效电阻2.2.4二极管主要参数2.2.5二极管模型2.2.6特殊二极管2.2.7二极管应用2.2晶体二极管2.2.1晶体二极管的结构类型在PN结上加上封装和引线，就成为晶体二极管，简称二极管。二极管按结构分点接触型面接触型平面型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用于工频大电流整流电路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。二极管符号正极负极伏安特性：是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线，iDOuD1.当加正向电压时PN结电流方程为：2.当加反向电压时i

随u↑呈指数规率↑iD

≈-Is电流iD基本不变2.2.2晶体二极管的伏安特性+uD

-iD晶体二极管的伏安特性①正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。硅：UR=0.5--0.6V;锗：UR=0.1--0.2V。②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UBR时再增加,反向电流激增,发生反向击穿,UBR称为反向击穿电压。实测伏安特性①②③材料门限电压导通电压Is/μA硅0.5～0.6V0.7V<0.1锗0.1～0.2V0.3V几十UBRUR温度对二极管特性的影响温度升高，开启电压UR减小，反向电流IS增大。非线性电阻用直流电阻

(也称静态电阻）和交流电阻（又称动态电阻或微变电阻）来描述二极管的电阻特性。1.直流（静态）电阻RD的计算方法定义二极管两端的直流电压与电流之比iDiDuDuDD2.2.3二极管的等效电阻UQIQ硅管UQ≥0.7V,锗管UQ≥0.3V。直流电阻的求解方法：借助于静态工作点Q（IQ，UQ）来求。iDEDDRLuD方法一：解析法列写二极管电流方程和电路方程：解方程组，得到二极管静态工作电流IQ和电压UQ，二极管直流电阻为方法二：图解法iDEDDRLuDiDuD在二极管特性曲线上绘制直流负载线，其中两个坐标点：uD=0iD=ED/RLiD=0uD=EDED/RLEDQIQUQ由静态工作点Q点得IQ和UQ，从而求出直流电阻直流负载线与伏安特性曲线的交点由电路可列出方程：2.交流电阻rD的计算方法RLEDDuiiDQuDuDiD室温（T=300K）下,UT=26mV。交流电阻：rD=26mV/IQ

(mA)定义：注意:交流电阻rD与其静态工作点Q有关。说明：二极管正偏时，rD很小（几至几十欧姆）二极管反偏时，rD很大（几十千至几兆欧姆）。问题解答：电阻R的作用是限制回路电流，避免二极管电流过大而烧毁。结论：PN结具有单向导电性工程分析方法：硅：UD≈0.7V锗：UD≈0.3V2.2.4二极管的主要参数1.最大整流电流IF：指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压UBR：管子工作时所允许的最高反向电压3.反向电流IR：二极管未击穿时的反向电流，近似为IS。4.最高工作频率

fM

：二极管工作的上限频率。1.理想二极管模型特点：(1)正偏时导通，压降为0V；(2)反偏时截止，反向电流为0。2.2.5二极管的模型应用:(1)电路简化定性分析;(2)大信号时电路的近似分析。2.折线二极管模型特点：(1)正偏电压＞Uon时，导通；(2)反偏电压＜Uon时，截止。应用：工程计算。（Si管Uon

≈0.7V，Ge管0.3V)；说明：若忽略小电阻rD，则为恒压降二极管模型。3.二极管交流模型当二极管在正偏情况下，若叠加的交流为低频小信号仍能保持二极管正偏，若忽略二极管结电容和体电阻，其等效模型就是一个交流电阻rD。2.2.6特殊二极管1.稳压二极管：是应用在反向击穿区的特殊二极管。稳压特性：在反向击穿时，电流急剧增加而PN结两端的电压基本保持不变。正向部分与普通二极管相同。注意：稳压管工作区在反向击穿区。特性参数：1)稳定电压UZ:反向击穿电压。2)稳定电流Iz:稳压时的参考电流，变化范围是（Izmin，Izmax)3)额定功率PZM:就是最大工作电流和稳定电压的乘积。4)动态电阻rZ:在稳压范围内，,

很小，一般十几欧姆~几十欧姆。稳压管使用方法：稳压二极管在稳压电路工作时应反接,并串入一只电阻。稳压电路要求：输入电压ui

要求大于输出电压uo。稳压工作原理稳压工作原理电阻R的作用：(1)当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，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。(2)起限流作用，以保护稳压管。2.变容二极管：主要利用PN结的势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。符号：注意：变容二极管使用时应加反向电压。2)常用驱动电路：直流驱动电路交流驱动电路普通发光二极管红外发光二极管……1)类型3)工作原理：利用PN结的电致发光原理。注意：发光二极管在加正向电压时才发光。3.发光二极管:将电能转换成光能的特殊半导体元件。符号4.光电二极管:有光照射时有电流产生的二极管。1)类型：PIN型、PN型、雪崩型2)结构：和普通的二极管基本相同3)工作原理：PN结的光电效应。DEDDRLIP注意：光电二极管通常在反压状态工作。肖特基二极管特点：（1）具有与PN结相似的伏安特性。（2）依靠一种载流子工作的器件（3）串联电阻低。（4）正向导通电压和反向击穿电压均比PN结低。应用：适用于高频高速电路。结构符号5.肖特基二极管:利用金属和半导体之间的接触势垒而制成的元件。半导体二极管型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：附录2.2.7二极管应用整流电路（10章应用）稳压电路（10章应用）LED显示器

（常用于输出指示）限幅电路（幅度去噪等应用）钳位电路（信号电平转换用等）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工作原理：利用二极管单向导电性，限定输出信号的幅度。限幅电路工作原理:

(1)当输入ui>0时，二极管瞬间导通，C快速充电，Uc=V1，充电结束，R无电流，输出uo=0。(2)当输入ui<0时，二极管截止，C充放电缓慢，输出uo=-Uc+ui=-V1-V2。特点：钳位电路的作用是将周期信号波形的顶部或底部保持在某一确定的直流电平上，信号波形形状不变。钳位电路晶体二极管实际上就是一个PN结，描述二极管的性能常用二极管的伏安特性，可用二极管的电流方程来描述，I=Is(eU/UT-1)；硅管导通后管压降UD≈0.7V，锗管导通后UD≈0.3V；晶体二极管用途有整流、稳压和限幅等。稳压管是工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压，使用时注意加限流电阻。半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光—电、电—光转换。光电