第三章 半导体二极管及基本电路

第

3

章二极管及基本电路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

一.

半导体材料

根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。

半导体的特点:1.半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2.半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。

3.在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。3.1

半导体的基本知识二.半导体的共价键结构硅(锗)的原子结构简化模型价电子通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构(c)晶体：原子排列规则、有规律的物质1.本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体硅(锗)的共价键结构共价键共用电子对三.本征半导体、空穴及其导电作用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成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子2.本征激发载流子:

可以自移动的带电粒子

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。空穴的出现使半导体区别于导体的一个重要特征。本征激发动画本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。3.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。ABC电子空穴移动动画E本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。

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。四.

杂质半导体1、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子

电子是少子P型半导体形成动画2、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中空穴是少子，电子是多子。Ｎ型半导体形成动画杂质半导体的示意表示法：－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。

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/cm32比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。

3掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3

3.杂质对半导体导电性的影响

本征硅的原子浓度:

4.96×1022/cm3

1本节小结

1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。

2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。

3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。

4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。

5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。3.2PN结的形成及特性一.PN

结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，ＰＮ结的形成动画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

空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。3.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1.外加正向电压(正偏)当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

PN结正偏,外电场削弱内电场,PN结变窄,多子扩散运动远大于少子漂移运动,形成较大的正向电流,正向电阻很小,PN结导通2.外加反向电压(反偏)P

区N

区内电场外电场空间电荷区变宽。IR漂移运动加强形成反向电流IR，IR=I少子

0PN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。PN结反偏,外电场加强内电场,PN结变宽,多子扩散运动削弱,少子漂移运动相对加强,由浓度很小少子漂移运动形成很小的反向电流,反向电阻很大,PN结截止在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。三、PN结的伏安特性反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数常温下T=300K(27C)：VT

=26mVOVD

/ViD

/mA正向特性反向特性加正向电压时加反向电压时表达式:四、PN结的反向击穿特性OVD

/ViD

/mA反向击穿VBR反向击穿类型：电击穿热击穿:PN结未损坏，断电即恢复。:PN结烧毁。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。反向击穿原因：齐纳击穿：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：(击穿电压

>6V,正温度系数)反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。电击穿只有在杂质浓度特别大的PN结中才能达到1.势垒电容CB(PN结反偏)2.扩散电容CD

(PN结正偏)PN结高频等效电路：Cd=CB+CDrCd五、PN结的电容效应势垒电容示意图

结论：1.低频时，因容抗很大，对PN结影响很小。

高频时，因容抗减小，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。势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的电子在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。扩散电容示意图3.3半导体二极管一.半导体二极管的结构和类型PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：ak阴极分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型阳极点接触型二极管面接触型二极管

PN结面积大，用于大电流整流电路。

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。1、PN结的伏安特性方程反向饱和电流温度的电压当量当T=300(27C)：VT

=26mV二、二极管的伏安特性电子电量玻尔兹曼常数2、二极管的伏安特性OvD

/ViD/mA正向特性Vth门坎(死区)电压iD

=0Vth

=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)VVthiD急剧上升0V

Vth

VD(on)

=(0.60.8)V(导通电压)硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISV(BR)反向击穿V(BR)

V0iD=IS<

0.1A(硅)

;几十A

(锗)V<

V(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)1).正向特性2).反向特性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

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.0203).反向击穿特性：当PN结的反向电压增加到一定数值(VBR)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

电击穿——可逆三.二极管的主要参数2.

VBR—反向击穿电压4.

IR

—

反向电流(越小单向导电性越好)iDVDV(BR)IFO1.

IF—

最大整流电流(最大正向平均电流)5.

极间电容:势垒电容CB

扩散电容CDCd=CB+CD6.

fM

—

最高工作频率(超过时单向导电性变差)3.

VRM—

最高反向工作电压，为V(BR)/2

3.4

二极管基本电路及其分析方法

3.4.1简单二极管电路的图解分析方法

3.4.2

二极管电路的简化模型分析方法3.4.1简单二极管电路的图解分析方法二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线。例3.4.1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD

。解：由电路的KVL方程，可得即是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线

Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点3.4.2二极管电路的简化模型分析方法一、二极管伏安特性建模1、理想模型vDiD代表符号:+-正偏导通，vD=0；反偏截止，iD=0R=由图可见，在正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。

在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析是可行的.2、恒压降模型vDiD代表符号:vD

≈0.7V(Si)0.2V(Ge)+-当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时与结果接近。+-VthrD3、折线模型vDiD代表符号:门坎电压Vth

≈0.5V(Si)0.1V(Ge)为了较真实地描述二极管V-I特性，认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似。电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth:rD的值，当二极管的导通电流为1mA时，管压降为0.7V，于是rD的值可计算如下：vs

=0时,Q点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。vs

=Vmsint

时（Vm<<VDD）,将Q点附近小范围内的V-I特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。4、小信号模型vDiDQ代表符号:+-求微变电阻rD: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。常温下（T=300K）:据得Q点处的微变电导1.整流电路（a）电路图（b）vs和vo的波形二、模型分析法应用举例2、二极管电路静态工作分析例:硅二极管，R=10k，分别用二极管理想模型、恒压降模型和折线模型求出（1）VDD=10V、（2）

VDD=10V时ID和VD的值。DiDVDDvD+-RRVDDDiD+-vD理想模型:恒压模型:折线模型:(1)VDD=10V(2)VDD=1V理想模型:恒压模型:折线模型:VDD大，采用理想或恒压降

模型VDD小，采用折线模型DiDVDDvD+-R3.限幅电路电路如图，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sintV时，绘出相应的输出电压vO的波形。例

一二极管开关电路如下图所示。用理想模型分析当vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值不同组合情况下，输出电压vO的值。5V4.开关电路D1D24.7KΩVcc5VvI1vI2+-+-vI1vI24.7KΩD1D2Vcc5VvI1vI2二极管工作情况vOD1D20V0V0V5V5V0V5V5V导通导通导通导通截止截止截止截止0V0V0V5V例：电路如图所示，求AO的电压值解：先断开D，以O为基准电位，即O点为0V。则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。5.低电压稳压电源DiDVIvD+-RiDvD+-RVI+-ΔVIiD=ID+ΔiDvD=VD+ΔvDΔiDR+-ΔvOrd+-ΔvI例:在图所示的低电压稳压电路中，直流电源电压VI的正常值为10V，R=10KΩ,若VI

变化±1V时，问相应的硅二极管电压（输出电压）的变化如何？解：①当

VI的正常值为10V，利用恒压降模型，VD≈0.7V。可得Q点上的电流为:②在此Q点上，二极管的微变电阻为③VI有±1V的波动，可视为一峰-峰值为2V的交流信号作用于由R和rD组成的分压器上二极管电压vd的变化范围为±2.9mV。小信号等效电路VI波动后的电路6.小信号工作情况分析图示电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs

=0.1sinwtV。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。3.5特殊二极管一、齐纳二极管(稳压管)符号+-工作条件：反向击穿Vz—反向击穿电压

(稳压管的稳定电压)稳压作用:电流增量IZ很大只引起很小的电压VZ变化主要参数3)

最大工作电流IZM

(Imax)

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4)动态电阻rZrZ

=UZ/IZ越小稳压效果越好。几几十1)

稳定电压VZ

流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2)稳定电流IZ

小于Imin

时不稳压,

大于Imax时烧毁。5.)稳定电压温度系数CT一般，VZ<4V，CTV<0(为齐纳击穿)具有负温度系数；VZ>7V，CTV>0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4V<VZ<7V，CTV很小。并联式稳压电路VIVORRLILIRIZ(Io)稳压原理:稳压二极管的应用举例例:稳压管的技术参数:VoiZDZRViRL(1)若,试求Vi允许的变化范围