电子技术基础第五康华光 半导体二极管及其基本电路

3二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.3二极管3.4二极管的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13.1半导体的基本知识

半导体材料

半导体的共价键结构

本征半导体

杂质半导体2

半导体材料根据物质导电能力(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、锗Ge、砷化镓GaAs和一些硫化物、氧化物等。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。半导体材料多以晶体的形式存在。3

半导体的共价键结构晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子（束缚电子）。+4+4+4+4价电子4

本征半导体本征半导体——完全纯净的、具有晶体结构的半导体。在绝对0度和没有外界激发时，价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。+4+4+4+4价电子5

本征半导体当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。但常温下，通过本征激发产生的载流子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。+4+4+4+4价电子6价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。价电子自由电子+4+4+4+4空穴7+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。8本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流注意：温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。

自由电子和空穴都是载流子。

自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。9半导萍体的料导电眨特性（本征占半导布体的杨导电炭能力好很差圣）掺杂躬性:往纯挡净的处半导罢体中弄掺入之某些场杂质迎，导耽电能爱力明鬼显增强亩。(可谈做成残各种位不同嘴用途低的半赠导体避器件岩，如兔二极姥管、云三极缠管和泄晶闸跌管等什）。光敏液性:当受售到光昆照时嫂，导扯电能牺力明虚显变东化。(可殖做成制各种万光敏怨元件恢)热敏石性:当环等境温芬度升耀高时欠，导抵电能训力显悔著增色强。（可乐做成妻温度骄敏感吸元件林，如玩热敏通电阻微)10杂质桐半导迈体N型半台导体——隔掺入役五价始杂质痕元素朗（如嘱磷）贞的半段导体法。P型半挥导体——揪掺入章三价丑杂质仰元素途（如脚硼）咸的半涂导体近。在常把温下揭，本鸦征半练导体染的两派种载骗流子科数量惩还是齿极少禾的，踏其导诊电能元力相庆当低促。在本食征半勿导体篮中掺取入微话量的街杂质翼元素净，形悦成杂质趟半导史体。杂质盗半导瞒体的堤导电蝇能力俭将大稳大提获高。111.第N型专半导株体（掺入惠五价狡元素附）在N耻型半盖导体雀中自由仇电子江是多捡数载肥流子，它勤主要控由杂卡质原雅子提度供；空穴阔是少牌数载刚流子,由本断征激离发形杀成。

Si

Si

Si

Sip+多余仇电子磷原派子在常婶温下孙即可支变为押自由证电子失去粗一个没电子尊变为佣正离僚子自由民电子焰导电起成为但这种惨半导反体的民主要但导电讽方式违，称驱为N型匆半导替体（电杂子半匹导体甲）。施主隔杂质122.析P型嫂半导做体（掺入晕三价准元素未）在P细型半徒导体灯中空穴任是多煌数载硬流子泥，它主尺要由身掺杂艺形成；自由电子寺是少控数载谨流子店，由本浆征激庸发形肝成。掺杂扫后空对穴数街目大医量增肉加，惨空穴歉导电换成为扛这种叮半导届体的排主要汽导电寸方式底，称咱为P型滨半导欣体(空求穴半共导体通)。

Si

Si

Si

SiB–硼原微子接受北一个究电子叙变为返负离期子空穴杂质勒半导白体对辽外是摇否显衰电性丑？受主命杂质13掺入已杂质为对本俗征半使导体喷的导征电性帽有很寺大的飘影响完，一吐些典鼓型的尼数据辞如下纲:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.45×1010/cm32本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

1以上户三个它浓度妖基本恒上依泊次相欢差1览06/c锦m3。

3掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3杂质对堆半导贞体导迟电性热的影渗响本征骗半导垮体中病载流象子数弓目极益少,碰其肠导电拉性能船很差堂；掺贝入杂路质后竞，导拳电能镇力大寒大增舍强。141.在杂往质半忙导体著中多办子的穴数量祝主要货与（a宁.弱掺杂天浓度嫌、b兽.温农度）煤有关皮。2.财在杂钓质半医导体未中少握子的持数量拳主要弹与（a树.叶掺杂爽浓度堆、b底.温锦度）秩有关锯。3.腰当温谨度升抵高时静，少革子的川数量（a扩.添减少党、b絮.付不变鼻、c钢.动增多聪）。abc4.徐在外谢加电钢压的焦作用宜下，善P逐型半亮导体饼中的百电流主要妥是，N拿型记半导愿体中粱的电族流主蛾要是趋。（a肢.怨电子税电流此、b案.空妥穴电袭流）ba思考修题：153.诸2份P秘N结的店形成作及特盼性PN黎结的构形成PN菊结的广单向鸦导电适性PN称结的秒反向岭击穿PN寸结的驳电容悔效应16不论腿是P搅型半弹导体泛还是那N型锦半导和体，穗都只指能看脊做是咏一般修的导炼电材至料，暂不具查有半漫导体美器件火的任级何特屯点。半导袋体器抬件的凑核心冷是PN支结，是爬采取醒一定朗的工扔艺措驻施在鸡一块漂半导具体基愧片的考两侧胡分别婚制成区P型术半导酱体和初N型站半导丙体，飘在两缓种半旺导体崭的交互界面仔上形氏成P果N结嚼。各种图各样渐的半抄导体环器件袋都是乖以P岁N结脑为核镜心而把制成艘的，裳正确夕认识辆PN狸结是困了解悠和运死用各煮种半稀导体总器件蹦的关谷键所局在。PN境结17载流受子的招漂移裳与扩抚散漂移美运动准：在电匆场作速用引合起的私载流皂子的摸运动欺称为壁漂移胸运动。扩散膝运动朋：由载御流子辅浓度杆差引延起的梢载流换子的劣运动蕉称为盈扩散什运动半。183.件2.们1煮P墨N结萝的形暮成多子正的扩扔散运咽动内电场少子庄的漂伐移运面动浓度横差P型半裂导体N型半兴导体内电晓场越推强，惧漂移旬运动棉越强惨，而西漂移丢使空末间电巧荷区醋变薄火。扩散砌的结北果使五空间义电荷桂区变殃宽。扩散丈和漂舟移这危一对桐相反妥的运索动最载终达斑到动莲态平等衡，歉空间谷电荷何区的僻厚度损固定荡不变瓜。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成肝空间辽电荷颜区即烟PN语结19在一指块本疑征半径导体奏在两尘侧通拖过扩匆散不吊同的葱杂质插,分禾别形橡成N型半剧导体肌和P型半慕导体莫。此巷时将侨在N型半皆导体虚和P型半闪导体而的结筒合面搂上形束成如佳下物尸理过斩程:因浓趋度差空间脊电荷扣区形只成内呈电场内电消场促站使少蜻子漂辫移内电防场阻漆止多欢子扩津散最后罪,多繁子的扩散和少察子的漂移达到动态仰平衡。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，由于缺少载流子，所以也称耗尽层。多子统的扩砌散运欣动由杂质喊离子衔形成添空间还电荷探区20PN恋结21PN否结的闷单向晋导电咳性PN恼结加正兆向电唇压，即陡：P村区接垦电源泄正极肺，N本区接涛电源刃负极决，又趴称为泪PN标结正向湾偏置。PN类结加反口向电血压，即丘：P晌区接奇电源敏负极赖，N从区接示电源庄正极字，又担称为疤PN岛结反向贞偏置。22PN研结的勿单向糖导电碑性1.PN效结捐加正裳向电冒压（正恳向偏伤置）P接促正、禽N接述负外电场IF内电猴场被桥削弱棉，多投子的地扩散径加强虏，形熄成较暂大的藏扩散必电流冈。PN脖结加正帽向电狭压时，P宿N结寒变窄甲，正里向扩绕散电胜流较拼大，团正向江电阻伍较小棕，P蜻N结处于伶导通健状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–232.萄P铅N耗结加轨反向妨电压（反到向偏疼置）外电场P接判负、雪N接透正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+24PN监结愚变宽外电场内电访场被伟加强坚，少厌子的闲漂移直加强亦，由存于少逗子数脚量很仍少，抢形成汁很小镜的反痕向漂晚移电宋流。IR–+PN投结加反走向电兔压时，P咐N结青变宽袋，反蹄向漂躬移电观流较德小，兽反向淡电阻冷较大跑，P翻N结疗处于截止熊状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－2.船P群N杜结加站反向宣电压（反型向偏妖置）P接挨负、兆N接手正反向抗漂移拒电流衔的大布小是呀否与锦温度温有关签？25PN结的汇伏安兽特性PN扣结具幅有单向映导电受性，即野正向其导通魂、反枣向截毫止。263.酿PN园结V-I特性宴表达掩式其中IS——挖反向芬饱和史电流VT——化温度健的电涂压当泄量且在居常温池下（T=3绑00紫K）PN结的伏安特性27PN售结的缝反向插击穿当P歪N结肢的反述向电斜压增污加到皮一定寨数值悠时，饶反向叔电流业突然弟快速巨增加铺，此日现象裕称为副PN降结的反向许击穿但。热击呼穿—乱—不话可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆28PN诸结的座电容钻效应1.氧势垒镇电容CB势垒电容示意图292.然扩散现电容CD扩散电容示意图303.当3烦半爬导体鸦二极勾管半导勾体二姿极管帖的结晕构二极壤管的强伏安筛特性二极茎管的甜参数31半导符体二塞极管烦的结凑构将P油N结冬加上探引线刃和封毒装，快就成角为一卵个二极扭管。表示姨符号辛：P区往引出演的线茶称为阳极（正极），属用“a”表旧示；N区姐引出揪的线符称为阴极（负极），寻用“k”表劳示。k阴极阳极aD按结构分点接触型面接触型按材料分硅管锗管按用途分普通管整流管…321.拣点接订触型张二极烛管PN孔结面堆积小哑、结甩电容局小、士正向牌电流块小。脾用于篮检波鸭和变圾频等震高频却电路市。金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型332.逐面接稿触型冰二极催管铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型PN威结面姻积大售、正有向电漏流大景、结写电容笛大，考用于握工频棋大电践流整绍流电眨路。343.捉平面君型二咏极管阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型往往粗用于怠集成游电路姑制造泉工艺纽奉中。桥PN雪结干面积因可大庆可小持，用橡于高筋频整亲流和剖开关月电路尺中。35硅管0.吹5V锗管0.拿1V反向廊击穿容电压VBR正向姓压降VF外加们电压前大于狱死区与电压宵，二向极管磨才能掩导通相。外加继电压合大于都反向野击穿列电压织，二耗极管枕被击珠穿，缎失去鞠单向款导电墙性。正向饼特性反向咸特性特点朴：非线侍性硅0.7只V锗0.2汤VvDiD死区颈电压VthPN+–PN–+常温独下，面反向电酷流很呼小二极凑管的铸伏安前特性36硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性在工桃程实辨践中挤，为嚷什么浓硅二冈极管候应用建得较判普遍授？硅二文极管思的反必向电欣流一乖般在登纳安免(n壤A)恩级；控锗二虾极管公的反张向电只流一画般在字微安印(u芹A)末级。37二极绵管的单连向导糕电性1.毫二极件管加忍正向漂电压腔（正闪向偏店置，墙阳极面接正拉、阴拾极接角负剩）时平，珠二极蚊管处阁于正腊向导牢通状隙态，羽二极塘管正奥向电贝阻较态小，酸正向五电流锐较大萝。2.未二极波管加泼反向某电压畜（反纠向偏证置，欧阳极忌接负皮、阴迹极接廉正拔）时债，赶二极企管处脱于反葱向截篇止状帝态，坟二极概管反脉向电幅阻较答大，构反向师电流巨很小蚕。3.伪外框加电纤压大趴于反灾向击埋穿电符压二围极管芒被击绍穿，伍失去汁单向乘导电患性。4.跃二晓极管途的反污向电凯流受盆温度暖的影集响，华温度兆愈高目反向汽电流县愈大家。38二极弦管的豆参数1.位最大另整流川电流IF2.汽反向忌击穿拔电压VBR二极咐管长挽期使铃用时罩，允啄许流棕过二励极管斩的最烫大正元向平仅均电原流。最高锯反向饿工作绩电压VRM二极猫管反攻向击崇穿时饥的电补压值雹。是保咽证二揭极管堂不被租击穿进而给辛出的殊反向芒峰值霸电压设，一都般是库二极哭管反奴向击道穿电蒙压VBR的一嚷半或街三分床之二月。锗二极管2AP15的V-I特性——浮选凯择二吊极管夏的依蓄据393.嘴正育向压晚降VF锗二极管2AP15的V-I特性门坎抢电压找：硅管增0.悔5V伴，锗管声0.槐1V纲。导通剖压降补:硅管拜0.暴7V隐,锗管姻0.浑2V庭。门坎踪蝶电压Vth温度即升高瞎时，仙二极梦管的便正向抛压降馒将减日小，简每增亭加1队℃，正向便压降VF大约跨减小路2m图V，悬即二遥极管裙具有负温毒度系限数。404.挥反职向电获流IR指二求极管净未击选穿时尊的反容向电测流。称反向残电流补大，弹说明轻管子敬的单贤向导杂电性刺差。5.损极烧间电呀容CJCJ=CD+CB温度浴对二贯极管密的性与能有福较大屡的影萄响，牢温度已升高瞒时，匹反向舞电流阿将呈洪指数航规律碎增加识。硅诵二极弱管温钟度每侄增加度8℃蔽，反急向电园流将喉约增委加一斜倍；利锗二专极管椒温度恰每增移加1沟2℃层，反签向电骄流大介约增鞭加一念倍。413.间4二极间管基躺本电尺路及糟其分碗析方仁法3.惯4.刺2二极臂管电阴路的纺简化取模型宝分析登方法3.纠4.戚1简单惨二极鄙管电劝路的宵图解姨分析牌方法423.矛4.舱1夏简丛单二克极管仔电路圆的图主解分倾析方已法二极私管是袍一种般非线储性器翼件，袋因而移其电登路一犯般要压采用夕非线症性电核路的袭分析舍方法蔽，相毁对来介说比情较复慈杂，宿而图例解分稍析法女则较黎简单诸，但给前提铺条件纸是已暑知二环极管岛的V-I特性肺曲线政。43例：电路针如图逼所示臣，已椅知二荒极管客的V-I特性躬曲线死、电呈源VDD和电梢阻R，求铸二极炮管两船端电译压vD和流锄过二好极管智的电胆流iD。解：由电治路的纺KV悼L方混程，胸可得即是一蹈条斜汽率为桑-1硬/R的直园线，肾称为负载返线Q点称初为电婆路的工作忌点，Q的坐厉标值饲（VD，ID）即食为所葵求。44将指数模型分段线性化，得到二极管V-I特性的简化模型。3.吴4.满2咬二兴极管您电路放的简党化模兔型分玩析方顷法1.咸理嫩想模性型正向偏置时的电路模型反向偏置时的电路模型电源朽电压系远大栋于二拖极管仔正向登压降45定性分析：判断二极管的工作状态导通截止如何联利用灯二极乐管理愧想模补型分独析电答路？分析异方法曾：将二饿极管签断开均，分丧析二始极管脑两端锻电位馆的高杨低。若V阳>V阴(猪正向书偏置搏)剃，二巷极管导通若V阳<V阴(澡反向匀偏置棚)凭，二担极管截止理想由状况仗下，正向举导通果时，二浪极管抓可视捞作短路；反向穴截止咐时，二极枪管可怜视作断路。46例：电路辅如图酿(a收)所倡示，灶输入滔电压vs=1百8希si画n鱼t呀V,乞二抖极管险是理诊想的磁，试川画出海输出旬电压vO的波屠形。vs18V在这材里，志二极著管起整流作用撑。470V0V5V0VVCC5VRD1vI1vI2vOD25V5V0V0V5V例：电路剧如图本，利测用理胃想模恋型求层解，味当vI1和vI2为朴0V步或5V时乒，求vI1和vI2的值搏各种算组合烂情况驴下，赚输出涉电压vO的值岔。在这麻里，德二极教管用倚作开关元件炊。482.嚷恒添压降符模型正向管压降硅管0.7V锗管0.2ViD≈逆1m仰A珍或iD>韵1m博A493.达折枝线模谁型死区电压硅管0.5V锗管0.1V50理想峡模型（R=10k）（1）VDD=10V时恒压坝降模袄型（硅二极管典型值）折线潜模型（硅二极管典型值）设例：电路我如图锄，R=椒10运kΩ听，二赚极管竟为硅脖二极扫管。晓分别蛇用理马想模丝式型、唐恒压泪降模易型和袭折线映模型倡求解皮，当验(1点)VDD=粮10哭V，驶(较2)VDD=巡寿1V走时，ID和VD的值芹。51恒压烂降模蛮型（硅二极管典型值）折线粘模型（硅二极管典型值）设理想把模型（R=10k）（2）VDD=1V时52例：限幅造电路如图钥，R=滥1k衰Ω，VRE腰F=表3V罩，二联极管喝为硅赞二极眠管。呈分别铁用理白想模版型和什恒压柔降模骨型求尝解，盒当vi=继6s撑intV时将，绘顶出相荒应的扛输出辞电压vo的波湿形。理想钱模型uO-+DVREFuI-+RuO-+VREFuI-+R53恒压滋模型uO-+VFVREFuI-+RuO-+DVREFuI-+RuO-+VFVREFuI-+R544.斯小蔽信号障模型vs=岁0纠时,Q点称贷为静态雹工作刮点，反饼映直绩流时宣的工俩作状屿态。vs=Vmsi佳nt时（Vm<<VDD）,鸡将Q点附霜近小尘范围兰内的监V-领I猎特性线性呆化，即上以Q点为非切点朴作一叹条直拼线，颠得到小信厉号模叛型。55二极梨管工阔作在稳正向匀特性辱的某托一小恐范围厕内时乱，其音正向绿特性恭可以甘等效证成一染个微颂变电就阻。即根据得Q突点处普的微疯变电眠导则常温撇下（T=3窗00成K）特别注意：

小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vD>>VT。

56如何女利用拉二极首管小说信号神模型泛分析浑电路百？1、怪判断凭二极赏管是从否工当作于正向碧导通倚状态；2、规分析百电路摧的静兽态工禾作情性况，挽求得静态怎工作甩点Q；3、滑根据梯静态砍工作猴点Q计算曾出微变梢电阻rd；4、滨根据溪小信早号模杏型的交流储通路，计享算出彩交流纯小信常号作尊用下士电路净的交摘流电冷压、惯电流苦；5、触将交悉流量朝与静吉态直亦流量轿叠加城，得闹到电女压、确电流总量。57小信虹号工司作情梁况分摘析例：图示枕电路桐中，VDD=敌5V下，R=肝5k，恒臂压降侮模型血的VD=0因.7砌V，vs=验0.例1s穴inwtV。水（1督）求荒输出头电压vO的交扬流量膀和总琴量；父（2征）绘妻出vO的波文形。5859直流江通路、交流容通路、静态、动态等概粉念，路在放广大电刮路的芬分析宏中非总常重售要。二极狐管的赚用途导：整流蒙、限擦幅、晴开关旨、低傲电压然稳压青、检持波、倘钳位萍、隔带离、馋元件密保护训、温网度补旦偿等唇。603.姐5周特汇殊二都极管稳压岭二极察管光电睁子器薯件1.燃光电轨二极瞧管2.页发光膝二极竟管613.盈5.般1琴稳匪压二叠极管表示守符号还：稳压它二极悄管是一查种特爸殊的穿面接忧触型舰二极蚀管。质它在爪电路份中常鞋实现堤稳定帜电压弱的作富用。+-阴极阳极DZ621.驻伏安傅特性-VZ-IZ(截mi弊n)-IZ(慈ma材x)VZIZvDiDO1）正向揪特性胜：同普随通二蚀极管2）反向器击穿初特性施：a、反向决击穿伙特性余曲线悟比普骄通二撤极管没更陡晴一些煤，即较大送的I较小层的Vb、再在一挣定的语范围膜内，锡反向碎击穿它具有裳可逆武性稳压归二极测管稳罪压时忧工作省在反寒向电等击穿创状态枝，利柴用其宪反向鲜击穿捉特性端实现装稳压创。击穿加区-VZ0-IZT63-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZTQ2.亮简化词模型64(1摊)情稳定已电压VZ在规兄定的宝稳压闭管反光向工文作电津流IZT下，予所对盾应的建反向忽工作织电压票。(2叛)漏最大携稳定扑工作卧电流IZ(舱ma延x)3.乐主洋要参绞数最小饰稳定苏工作浩电流IZ(票mi摆n)-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZT若I<Iz(交mi砌n)，则日不能损稳压若I>Iz(车ma纪x)，则购稳压杏管会晶过热锻损坏65(3私)破动态耳电阻rZrZ=VZ/IZ(4博)渣最大摘耗散枪功率PZM(5酷)肤稳定借电压匪温度碍系数豆——VZ3.悟主摊要参鸡数保证须稳压匆管不坝发生礼热击蠢穿的车最大刮功率足损耗PZM=VZIZm单ax-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZTQrZ越小麦，说某明稳缎压管形稳压左特性语越好664.趋稳迫压电碌路并联式稳压电路当电巾源波裂动或成负载页电流捎的变船化引凶起Vo变化滥时：VOVZVO=VI-VRIZ缘瑞IR=(IZ+IO)VR=IRR正常陷稳压好时：VO=VZ稳压北条件因是什晴么？IZm克in≤IZ≤IZm拴ax不加R可以锤吗？R移到懒稳压略管后章面可箱以吗溉？注：痛稳压