第一章二极管及其基本电路

1第1章半导体二极管及其基本电路§1.1半导体的基本知识一、半导体材料半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导体：导电的物质。绝缘体：几乎不导电的物质。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。2、半导体的特点1、什么是半导体:热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。掺杂性：在纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。2GeSi+4电子器件中，用的最多的半导体材料是硅和锗。通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。§1.1半导体的基本知识3二、本征半导体—完全纯净、结构完整的半导体晶体。本征半导体§1.1半导体的基本知识原子结构简化模型硅晶体的空间排列硅单晶中的共价健结构

Si

Si

Si

Si共价健半导体的共价键结构4载流子：运载电荷的粒子。本征激发：

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，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）。自由电子空穴＋在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电。§1.1半导体的基本知识二、本征半导体—完全纯净、结构完整的半导体晶体。本征半导体空穴：共价键中的空位。电子空穴对：由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动：相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现。本征半导体内的自由电子和空穴总是成对出现的。自由电子空穴＋§1.1半导体的基本知识6结论：(1)半导体有两种载流子——（负）电子、（正）空穴(2)自由电子和空穴成对产生，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。(3)载流子的数量受温度影响较大，温度高数量就多。所以，温度对半导体器件性能影响很大。(4)载流子的数量少，故导电性能很差。(5)当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（漂移运动），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§1.1半导体的基本知识三、杂质半导体：

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。【Positive】【Negative】8

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一个电子变为负离子空穴1.P型半导体

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素（如硼）自由电子：少子（少数载流子）主要由杂质原子提供空穴：多子（多数载流子）由热激发形成

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。三、杂质半导体92.N型半导体失去一个电子变为正离子掺入五价元素（如磷）

掺杂后电子数目大量增加，电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。自由电子:多子空穴:少子主要由杂质原子提供由热激发形成

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。

Si

Si

Si

Si多余电子在常温下即可变为自由电子pp+磷原子三、杂质半导体10杂质半导体的示意表示－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半导体N型半导体少子浓度——只与温度有关多子浓度——主要受掺入杂质浓度的影响负离子空穴正离子自由电子注意：半导体中的正负电荷数是相等的，其作用相互抵消，因此对外保持电中性。三、杂质半导体11四、PN结的形成及特性1.载流子的漂移与扩散载流子的运动：扩散运动——浓度差产生的载流子移动漂移运动——在电场作用下，载流子的移动2.PN结的形成12PN结形成的物理过程：空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动

杂质离子形成空间电荷区

扩散>

漂移否是宽••••••••PN结的形成过程可分成4步：13耗尽层PN结势垒区阻挡层V0（电位势垒）2.PN结的形成+-＋－内电场143.PN结的单向导电性定义：加正向电压，称加正向偏置电压，简称正偏。加反向电压，称加反向偏置电压，简称反偏。

PN结的单向导电性只有在外加电压时才会显示出来PN结加正向电压：P区接正，N区接负PN结加反向电压：P区接负，N区接正15⑴PN结加正向电压:P区接正，N区接负－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－外电场P区N区多子空穴多子电子VF空间电荷区内电场3.PN结的单向导电性变薄16－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++变薄＋－内电场外电场P区N区IFVFI：扩散电流内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流I。小结3.PN结的单向导电性⑴PN结加正向电压:P区接正，N区接负17内外电场方向相反，故势垒降低，有利于扩散运动的进行。PN结加正向电压时，正向电阻较小，处于导通状态。3.PN结的单向导电性⑴PN结加正向电压:P区接正，N区接负18⑵PN结加反向电压：P区接负，N区接正－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++空间电荷区＋－内电场外电场P区N区少子电子少子空穴VR漂移运动3.PN结的单向导电性－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－内电场外电场P区N区VR变厚IRI：漂移电流反向电流温度一定时，反向电流IR趋于恒定值，称为反向饱和电流IS。3.PN结的单向导电性⑵PN结加反向电压：P区接负，N区接正20－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－内电场外电场P区N区VR变厚IRI：漂移电流小结内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流IR。3.PN结的单向导电性⑵PN结加反向电压：P区接负，N区接正21内外电场方向相同，故势垒升高，有利于漂移运动的进行。PN

结加反向电压时，反向电阻较大，处于截止状态。3.PN结的单向导电性⑵PN结加反向电压：P区接负，N区接正22归纳：

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。在于它的耗尽层的存在，且其宽度随外加电压而变化。关键这就是PN结的单向导电性。3.PN结的单向导电性23⑶PN结V-I特性：PN结方程PN结的伏安特性其中：IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量常温下（T=300K）近似估算正向：反向：vD—PN结两端的外加电压n

—发射系数陡峭电阻小正向导通非线性特性平坦反向截止一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的iD/mAVBRvD/ViD=-IS＋－＋－IFIR(μA)反向击穿电压反向击穿电击穿热击穿雪崩击穿齐纳击穿可逆不可逆

4.PN结的反向击穿25

5.PN结的电容效应

(1)势垒电容CB(2)扩散电容CDPN结在反偏时主要考虑势垒电容。PN结在正偏时主要考虑扩散电容。26§1.2半导体二极管及其基本应用电路一、二极管的结构PN结加上引线和封装→

二极管按材料分硅管锗管按用途分普通管整流管……阴极阳极符号D按结构分类点接触型面接触型平面型§1.2二极管阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)

点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型二极管的结构示意图§1.2二极管29半导体二极管图片§1.2二极管30国家标准对半导体器件型号的命名举例：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。§1.2二极管图1.2.3锗二极管的V-I特性二、二极管的V-I特性反向击穿特性反向特性正向特性vDiDiD=f(vD)§1.2二极管图1.2.2硅二极管的V-I特性

VthV（BR）vD/ViD/mAiD/μA两点说明：①关于死区电压二、二极管的V-I特性两点注意：①关于死区电压②与温度的关系在环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。二极管的特性对温度很敏感。导通电压：VD=0.7V（硅）VD=0.2V（锗）

反向饱和电流：硅：0.1A；锗：10A33§3.3二极管三、二极管的主要参数：(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(5)反向恢复时间TRR(4)极间电容CjPN结高频小信号时的等效电路：34四、二极管的基本电路及其分析方法§1.2二极管理想二极管符号a.理想模型iDvD＋－vDiD

正偏时，管压降为0V，即vD=0V；适用当电源电压远比二极管的管压降大时可用1.二极管V-I特性的建模

反偏时，认为R=∞，电流为0。35b.恒压降模型恒压降模型

当二极管导通后，认为其管压降vD=VON。常取vD硅=VON=0.7V

vD锗=VON=0.2V适用

只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才正确。1.

二极管V-I特性的建模应用较广泛。36iDvDVthVth＋－vDiDc.折线模型折线模型

当二极管正向vD大于Vth后其电流iD与vD成线性关系，直线斜率为1/rD。

截止时反向电流为0Vth为二极管的门槛电压，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。1.

二极管V-I特性的建模斜率1rDrD的确定：假设当二极管的导通电流为1mA时，管压降vD=0.7V，则有：vD=Vth+iDrD适用电源电压较低时的情况37c.折线模型a.理想模型b.恒压降模型正偏：反偏：vDvD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.2V。vth二极管的门坎电压。硅管0.5V；锗管0.1V。1.

二极管V-I特性的建模38d.

小信号模型1.

二极管V-I特性的建模△vDvDVDD微变电阻△iDvs=Vmsin

t（Vm<<VDD）△vD由对vD求微分，得Q点处的微变电导：(在Q点上)(记住！)d.

小信号模型1.

二极管V-I特性的建模（a）V-I特性（b）电路模型

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

。

常温下（T=300K）402．模型分析法应用举例二极管主要应用：整流、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。（1）整流电路：二极管半波整流(理想模型)vsvottRvsvo+-+-412．模型分析法应用举例（2）限幅电路：

一限幅电路如图所示，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。①当vI=0V、4V、6V时，求相应的输出电压vO的值；②当vI=6sinωt(V)时，分别对于理想模型和恒压降模型绘出相应的输出电压vO的波形。当VI=0V时当VI=4V时当VI=6V时a.理想模型D截止

vO

=vI=0

D导通

vO

=vREF=3VD导通

vO

=vREF=3V硅管：VD=Von=0.7VD截止

vO

=vI=0

D导通

vO

=3.7VD导通

vO

=3.7Vb.恒压降模型42②vI=6sinωt(V)时2．模型分析法应用举例（2）限幅电路：a.理想模型vI

to6b.恒压降模型

to633.72．模型分析法应用举例（3）开关电路：电路如图，求：VAB例1：

取

B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。二极管起钳位作用D6V12V3k

BAVAB+–V阳

=－6VV阴

=－12VV阳>V阴

二极管导通恒压降模型：VAB=－6.3Ｖ或VAB=－6.7V理想模型：VAB=－6V静态工作情况分析二极管电路分析：先判断二极管的工作状态导通截止恒压降二极管：硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V若

V阳

>V阴或

VD为正，二极管导通若

V阳

<V阴或

VD为负，二极管截止

理想二极管：正向导通时管压降为零反向截止时相当于开路

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压VD的正负。2．模型分析法应用举例+VCC5VRD1D20VD1D20V导通导通0V0V5V导通截止0V5V0V截止导通0V5V5V截止截止5V2．模型分析法应用举例例2:（3）开关电路：000010100111§1.3特殊二极管

稳压二极管（齐纳）、变容二极管、肖特基二极管、光电子器件（光电二极管、发光二极管、激光二极管）等。

一、齐纳二极管(稳压二极管)1.符号及稳压特性VZ——反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。(1)稳定电压VZ(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(4)最大耗散功率

PM(3)最大稳定工作电流

IZmax和最小稳定工作电流IZmin(5)温度系数——CTV(10-4/℃)2.稳压二极管主要参数rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。

保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。

稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PM=VZIZmax

。超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压值受温度变化影响的的系数。

一、齐纳(稳压)二极管3.稳压电路正常稳压时VO=VZR-----限流电阻

一、齐纳(稳压)二极管IZ(min)<IZ<

IZ(max)保证稳压管正常工作：VO=VZ

IZ=IR－IL

稳压管工作时电量关系：IL为最小值IL(min)VI为最大值VI(max)IZ值最大:

IZ值最小:

IL为最大值IL(max)当VI为最小值VI(min)输出电压稳定的条件（保证稳压管被击穿）49IZ=IR－IL

IL为最小值IL(min)VI为最大值VI(max)IZ值最大:

IZ值最小:

IL为最大值IL(max)当VI为最小值VI(min)≤≥≤≤50稳压管正常工作的两个条件：a.必须工作在反向击穿状态（利用其正向特性除外）；b.流过管子的电流必须介于稳定电流和最大电流之间。4.使用稳压管组成稳压电路时，需注意几点：

一、齐纳(稳压)二极管（1）应使外加电源的正极接管子的N区，电源的负极接P区，以保证稳压管工作在反向击穿区【！！！】。（2）稳压管应与负载电阻RL并联，由于稳压管两端电压的变化量很小，因而使输出电压比较稳定。（3）必须限制流过稳压管的电流IZ，不要超过规定值，以免因过热而烧坏管子。51稳压管的一种实物图黑头一侧为阴极，即k端

一、齐纳(稳压)二极管

已知vi

=10sintV,VZ=5.5V（稳压值），正向压降为0.7V，试画