模电-第1章半导体二极管课件

模拟电子技术基础1§

1.1PN结导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一、导体、半导体和绝缘体PNJunction2一、导体、半导体和绝缘体PNJunction

1.1PN结3一、导体、半导体和绝缘体

本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。

制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。5+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图1.1.1本征半导体结构示意图二、本征半导体的晶体结构当温度T=0

K时，半导体不导电，如同绝缘体。6+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1.1.2本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴若T

，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。三、本征半导体中的两种载流子（动画1-1）（动画1-2）71.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴

2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni和pi表示，显然ni

=pi

。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。小结91.1.2杂质半导体杂质半导体有两种N型半导体P型半导体一、N型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。10本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。11自由电子浓度远大于空穴的浓度，即n>>p。

电子称为多数载流子(简称多子)，

空穴称为少数载流子(简称少子)。13二、P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3空穴浓度多于电子浓度，即p>>n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。3价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴图1.1.4P型半导体14说明：1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N型半导体(b)P型半导体图杂质半导体的的简化表示法15PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。PN（动画1-3）173.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差Uho

——电位壁垒；——

内电场；内电场阻止多子的扩散——

阻挡层。4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。少子的运动与多子运动方向相反阻挡层185.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PN19二、PN结的单向导电性1.PN结外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图1.1.6PN21在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。2.PN结外加反向电压时处于截止状态(反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。22耗尽层图1.1.7PN结加反相电压时截止反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，

随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS23

当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。

（动画1-4）

（动画1-5）综上所述：可见，PN结具有单向导电性。25IS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300K)下，UT

26mV三、PN结的电流方程PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为公式推导过程略26四、PN结的伏安特性

i=f

(u

)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性图1.1.10PN结的伏安特性反向击穿271点接触型二极管(a)点接触型

二极管的结构示意图1.2.1半导体二极管的几种常见结构PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。293平面型二极管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。2面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型4二极管的代表符号D30PowerElectronics1.2.1PN结与电力二极管以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成，外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。图1-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号整流二极管及模块31

1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2CP10的伏安特性正向特性反向特性反向击穿特性开启电压：0.5V导通电压：0.7一、伏安特性锗二极管2AP15的伏安特性UonU(BR)开启电压：0.1V导通电压：0.2V32二、温度对二极管伏安特性的影响(了解)在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感。–50I/mAU

/V0.20.4–2551015–0.01–0.020温度增加331.2.3、二极管的主要参数1.最大平均整流电流IF2.最高反向工作电压URM二极管长期运行时允许通过的最大平均电流。二极管工作时允许加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。半导体的参数是对其特性和极限应用的定量描述，是设计电路时选择器件的主要依据。34

1.2.3二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压U（BR）和最高反向工作电压URM(3)反向电流IR(4)最高工作频率fM(5)极间电容Cj在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。35

1.2.4二极管等效电路一、由伏安特性折线化得到的等效电路1.理想模型2.恒压降模型3.折线模型36二、二极管的微变等效电路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。即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）图1.2.7二极管的微变等效电路37

应用举例

二极管的静态工作情况分析

分析步骤：

1.根据已知条件或实际情况确定二极管采用的模型2.将二极管断开，分别计算VA,VK并判断二极管的通断3.套入相应的模型对原电路进行变换4.计算38

应用举例

计算二极管电流和两端的电压理想模型（R=10k）VDD=10V时恒压模型（硅二极管典型值）39

应用举例

二极管的静态工作情况分析（R=10k）VDD=10V时折线模型（硅二极管典型值）设401.3半导体二极管的应用1.3.1在整流电路中的应用整流——将交流电变成直流电的过程整流电路——完成整流功能的电路常见的整流电路有半波整流电路全波整流电路桥式整流电路41一.单相半波整流电路（1）当v2为正半周时，二极管VD加正向电压，处于导通状态，RL上产生正半周电压vO，如图（b）所示。（2）当v2为负半周时，二极管VD加反向电压，处于截止状态，RL上无电流流过，如图（c）所示。工作原理示意图如图所示。1．工作原理42

各波形之间的对应关系如图所示。一.单相半波整流电路43

半波整流：电路仅利用电源电压的半个波，故称半波整流。

脉动直流电：大小波动，方向不变的电流（或电压）称为脉动直流电。

半波整流后的输出信号为半波脉动直流电。半波整流电路的缺点是电源利用率低，且输出脉动大。一.单相半波整流电路44

单相全波整流电路如图所示。二.单相全波整流电路451．工作原理

（2）当v1为负半周时，如图（b）所示，VD2导通，VD1截止，RL两端输出电压。二.单相全波整流电路

（1）当v1为正半周时，如图（b）所示，VD1导通，VD2截止，RL两端输出电压。46全波整流波形如图所示。二.单相全波整流电路47设三.单相桥式整流电路+_uOTru2+_u1ab+_RLD1D2D4D3481.工作原理a.

当u2>0时输出波形电流流动方向D1D2D4D3+_uOTru2+_u1ab+_RL49b.

当u2<0时输出波形电流流动方向+_uOTru2+_u1ab+_RLD1D2D4D3501.3.2在检波电路中的应用（无线通信）用音频信号去控制高频信号的幅值音频信号高频信号载波信号调制的过程Otuu1tOu2Ot音频放大器话筒高频振荡器调制器发射器u2u1u51检波的过程u1Otu2OtOtu3DCLC2u3高放大器频低频放大C1R2R1u2u1+–+–+–器521.3.3限幅电路工作原理a.当ui较小使二极管D1、D2截止时电路正常放大b.当ui使二极管D1或D2导通时RD2ARi+–+–D1+–53uitO输入电压波形RD2ARi+–+–D1+–54输入端电压波形uitO2UFRD2ARi+–+–D1+–551.4.1稳压二极管一、稳压管的伏安特性(a)符号(b)2CW17伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。DZ1.4特种二极管56(1)稳定电压UZ(2)动态电阻rZ

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。rZ=VZ/IZ(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)温度系数——VZ二、稳压管的主要参数57稳压电路正常稳压时UO=UZ#不加R可以吗？#上述电路UI为正弦波，且幅值大于UZ，UO的波形是怎样的？（1）.设电源电压波动(负载不变)UI↑→UO↑→UZ↑→IZ↑↓UO↓←UR↑←IR↑（2）.设负载变化(电源不变)略如电路参数变化？UOUI58稳压管的稳压条件稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。必须工作在反向击穿状态；流过稳压管的电流在IZ和IZM之间。注意！59(2)限流电阻计算输出电压稳定的条件（保证稳压管被击穿）DZIZRLUOUIRIIO+_+_≥60IZ(min)≤IZ≤IZM稳压管正常工作的条件DZIZRLUOUIRIIO+_+_61UO=UZ

图中

IZ=I－IO

DZIZRLUOUIRIIO+_+_62DZIZRLUOUIRIIO+_+_此时当IO为最小值IO(min)时，IZ值最大。当UI为最大值UI(max)时，I值最大；IZ=I－IO

由式知63由此可得为保证管子安全工作,应使DZIZRLUOUIRIIO+_+_≤≥64DZIZRLUOUIRIIO+_+_IZ=I－IO

由式此时当IO为最大值IO(max)时，IZ值最小。

当UI为最大值UI(min)时，I值最小；知65由此可得为保证电路正常工作，应使DZIZRLUOUIRIIO+_+_≥≤66得由式及≥≤≤≤67例1：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200，求iZ。若负载电阻变化范围为1.5k--4k，是否还能稳压？68RLuiuORDZiiziLUZUZ=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用69例2：稳压二极管的应用解：ui和uo的波形如图所示

（UZ＝3V）uiuODZR(a)(b)uiuORDZ70一、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流几mA，导通电压(12)V符号u/Vi

/mAO2特性1.4.2其它类型的二极管71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,72二、光电二极管符号和特性符号特性uiOE=200lxE=400lx工作原理：三、变容二极管四、隧道二极管五、肖特基二极管无光照时，与普通二极管一样。有光照时，分布在第三、四象限。低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流大.优点是开关特性好，速度快、工作频率高731.4.2变容二极管当PN上的电压发生变化时，PN结中储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。电容效应包括两部分势垒电容扩散电容1.扩散电容Cd(a)PN结加正向电压（b)PN结加反向电压741.扩散电容CdQ是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，P区中的电子浓度np(或N区的空穴浓度pn)分布曲线如图中曲线1所示。x=0处为P与耗尽层的交界处当电压加大，np(或pn)会升高，如曲线2所示(反之浓度会降低)。OxnPQ12Q当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。Q正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程——扩散电容效应。图1.1.12PNPN结751.4.2变容二极管1.PN结的电容效应(1)扩散电容CD非平衡少子的积累PN++++............................................76△U变化时，P区积累的非平衡少子浓度分布图ΔU>03ΔU=0ΔU<021x电子浓度321PN++++............................................77这种电容效应用扩散电容CD表征。PN结正向偏置电压越高，非平衡少子的积累越多。PN++++............................................782.势垒电容Cb是由PN结的空间电荷区变化形成的。(a)PN结加正向电压（b)PN结加反向电压-N空间电荷区PVRI+UN空间电荷区PRI+-UV79空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：由于PN结宽度l随外加电压u而变化，因此势垒电容Cb不是一个常数。其Cb=f(U)曲线如图示。：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。OuCb图1.1.11（b)80PN结变窄空间电荷层中的电荷量减少a.当PN结正向偏置电压升高时U+U(U>0)PN++++81PN结变宽空间电荷层中的电荷量增大b.当PN结正向偏置电压降低时可见，空间电荷量随着PN结偏置电压的变化而变化。这种电容效应用势垒电容CB表征。U-U(U>0)PN++++++++++++82综上所述：PN结总的结电容Cj包括势垒电容Cb和扩散电容Cd两部分。Cb和Cd

值都很小，通常为几个皮法~几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为Cj

Cb。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为Cj

Cd；在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。83变容二极管的特点b.电容量与所加的反向偏置电压的大小有关。a.当二极管反向偏置时，因反向电阻很大，可作电容使用。84变容二极管的符号及C－U特性曲线符号20240608010004681012uDCC－U特性曲线852.变容二极管及其应用示例谐振频率式中高频放大器LC1DCR+––+V+UDu186由于故谐振频率高频放大器LC1DCR+––+V+UDu187PowerElectronics1.4.4电力二极管的主要类型普通二极管(整流二极管）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中

反向恢复时间长一般在5µs以上正