模拟电子技术基础：第二章 半导体二极管及其基本电路

第二章半导体二极管及其基本电路电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础本章主要内容介绍半导体的基本知识；半导体器件的核心环节——PN结的形成及其特性；简介半导体二极管的结构及主要参数；半导体二极管的几种常用等效电路及其应用；简介几种特殊二极管（除“稳压管”外均作为一般了解内容）电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2.1半导体的基本知识在自然界中，根据物质导电能力的差别，可将它们划分为导体、绝缘体和半导体。如：金属如：橡胶、陶瓷、塑料和石英等等返回电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础半导体：常见的半导体材料有：锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。其中最典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。这种物质的导电特性处于导体和绝缘体之间。2.1半导体的基本知识电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础一.半导体的共价键结构硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。硅原子和锗原子的结构GeSi+4半导体的导电性能是由其原子结构决定的。为方便起见，常表示如下：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础半导体的共价键结构图+4+4+4+4共价键共用电子对共价键正离子核一.半导体的共价键结构电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础二.本征半导体定义：纯净的、不含其他杂质的半导体。在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚其中，不能成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。+4+4+4+4T=0K时本征半导体结构图：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础+4+4+4+4动画演示自由电子空穴温度升高后，本征半导体结构图电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础+4+4+4+4动画演示这一现象称为本征激发，也称热激发。所谓本征激发，就是由于随机热振动致使共价键被打破而产生电子—空穴对的过程。电子空穴对温度升高后，本征半导体结构图电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础+4+4+4+4电子空穴对复合：与本征激发现象相反，即自由电子遇到空穴并填补空穴，从而使两者同时消失的现象。在一定温度下，本征激发与复合这二者产生的电子－空穴对数目相等，达到一种动态平衡。温度升高后，本征半导体结构图电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础温度升高后，本征半导体结构图+4+4+4+4电子空穴对注意：在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，故在任何时候，本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础E＋－自由电子——带负电荷，形成电子流两种载流子空穴——视为带正电荷，形成空穴流本征半导体的导电机制+4+4+4+4自由电子空穴电子流空穴流本征半导体中产生电流的根本原因：共价键中空穴的出现。空穴越多，载流子数目就越多，形成的电流就越大。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础自由电子——带负电荷，形成电子流E＋－两种载流子空穴——视为带正电荷，形成空穴流+4+4+4+4自由电子空穴电子流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。本征半导体的导电机制电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础三.杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。因掺入杂质性质不同，可分为：空穴（P）型半导体电子（N）型半导体【Positive】【Negative】电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础+4+4+3+4P型半导体的结构图在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如硼、镓等。1.P型半导体空穴

多数载流子（多子）—空穴；少数载流子（少子）－自由电子。空穴的来源：（1）本征激发产生（少量的）（2）掺入杂质元素后多余出来的（大量的）电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础+4+4+3+4P型半导体的结构图在硅（或锗）的晶体中掺入少量3价杂质元素，如硼、镓等。空穴受主原子

多数载流子（多子）—空穴；少数载流子（少子）－自由电子。自由电子的来源：只有本征激发产生（少量的）1.P型半导体电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础

多数载流子（多子）—自由电子；少数载流子（少子）—空穴。N型半导体的结构图+4+4+5+4在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，如磷，砷等。2.N型半导体多余的电子自由电子的来源：（1）本征激发产生（少量的）（2）掺入杂质元素后多余出来的（大量的）电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础

多数载流子（多子）—自由电子；少数载流子（少子）—空穴。N型半导体的结构图+4+4+5+4在硅（或锗）的晶体中掺入少量5价杂质元素，如磷，砷等。多余的电子施主原子空穴的来源：只有本征激发产生（少量的）2.N型半导体电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础杂质半导体的示意表示方法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++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电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半导体N型半导体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。杂质半导体的示意表示方法电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础【半导体知识】小结半导体与导体在导电机理上的区别： 导体的载流子只有一种：自由电子； 半导体的载流子有两种：自由电子和空穴。何谓本征半导体和杂质半导体？杂质半导体分类？

电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2.2PN结的形成及特性一.PN结的形成电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础耗尽层动画演示PN结势垒区V0（电位势垒）+-电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础耗尽层动画演示＋－内电场PN结势垒区阻挡层V0（电位势垒）+-电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础PN结中进行着两种载流子的运动：

多数载流子的扩散运动

少数载流子的漂移运动产生的电流称为扩散电流产生的电流称为漂移电流P区空穴→N区N区电子→P区N区空穴→P区P区电子→N区电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础空间电荷的变化趋势：

随着扩散运动的进行， 空间电荷区的宽度将逐渐增大；

随着漂移运动的进行， 空间电荷区的宽度将逐渐减小。

到达平衡时，扩散电流＝漂移电流PN结中总电流＝0空间电荷区的宽度也达到稳定电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础外加正向电压二.PN结的单向导电性即电源的正极接P区，负极接N区。PN结的这种接法称为正向接法或正向偏置（简称正偏）。前提：只有在外加电压时才会显示出来电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础PN结加正向电压时导通－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－外电场P区N区多子空穴多子电子VF空间电荷区内电场扩散运动电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－内电场外电场P区N区多子空穴多子电子VF变薄PN结加正向电压时导通电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++变薄＋－内电场外电场P区N区多子空穴多子电子IFVF正向电流I：扩散电流PN结加正向电压时导通电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++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PN结加正向电压时导通电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础动画演示内外电场方向相反，故势垒降低，有利于扩散运动的进行。PN结加正向电压时导通电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础外加反向电压即电源的正极接N区，负极接P区。PN结的这种接法称为反向接法或反向偏置（简称反偏）。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础PN结加反向电压时截止－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++空间电荷区＋－内电场外电场P区N区少子电子少子空穴VR漂移运动电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－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。PN结加反向电压时截止电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++＋－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。PN结加反向电压时截止电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础动画演示内外电场方向相同，故势垒升高，有利于漂移运动的进行。PN结加反向电压时截止电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础归纳：

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。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础PN结V-I特性的表达式iD/mAVBRvD/ViD=-IS＋－＋－式中：iD:通过PN结的电流；vD:PN结两端的外加电压；VT:温度的电压当量，在常温(300K)下，VT≈26mV；IS:反向饱和电流IFIR(μA)电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础iD/mAVBRvD/ViD=-IS＋－＋－IFIR(μA)

当加正向电压时：vD为正值，表达式等效成：

当加反向电压时：vD为负值，表达式等效成：常数指数关系PN结V-I特性的表达式电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础iD/mAVBRvD/ViD=-IS＋－＋－IFIR(μA)

PN结的反向击穿：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PN结V-I特性的表达式电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2.3半导体二极管一.半导体二极管的结构二极管的几种常见外形电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础二极管的几种常见结构二极管的符号(a)点接触型(b)面接触型(c)集成电路中的平面型ak【Anode】【Cathode】电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础几种常见二极管实物图触发二极管开关二极管电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。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代表三极管电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础二.二极管的V-I特性VthV（BR）vD/ViD/mAiD/μA硅管约为0.5V锗管约为0.1V它的大小与二极管的材料及温度等因素有关。两点说明：①关于死区电压门槛电压（或称死区电压）（或称开启电压）电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础VthV（BR）vD/ViD/mAiD/μA两点说明：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。二.二极管的V-I特性电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础IF：最大整流电流三.二极管的参数指二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。VBR：反向击穿电压指管子反向击穿时的电压值。一般手册上给出的最大反向工作电压约为VBR的一半。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础指管子未击穿时的反向电流。其值愈小，则管子的单向导电性愈好。温度对它影响很大，使用时应注意。极间电容（1）势垒电容CB（2）扩散电容CDIR：反向电流低频或中频信号时二极管极间电容作用不予考虑；高频信号时才考虑作用。三.二极管的参数电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2.4二极管基本电路及其分析方法理想模型iDvD＋－vDiD（或）

正偏时，管压降为0V，即vD=0V；反偏时，认为R=∞，电流为0。适用当电源电压远比二极管的管压降大时可用电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础恒压降模型恒压降模型iDvDVONVON＋－vDiD

当二极管导通后，认为其管压降vD=VON。

对硅而言，常取vD=VON=0.7V。适用只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才正确。应用较广泛。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础折线模型折线模型iDvDVthVth＋－vDiD斜率1rD

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0

Vth为二极管的门槛电压，约为0.5V。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础折线模型

rD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折线模型iDvDVthVth＋－vDiD斜率1rD电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础小信号模型（微变等效电路）△vD△vDvDVD微变电阻△iD求rd？电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础小信号模型（也称二极管的微变等效电路）由对vD求微分，有：(在Q点上)(当T=300K时)(记住！)电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础模型分析法应用举例设简单二极管基本电路如图a所示，R=10kΩ，图b是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值：（1）VDD=10V;（2）VDD=1V。在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。例1：（1）二极管电路的静态工作情况分析电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础VD=0V=0.1mAVD=0V=1mA（a）简单二极管电路iDRVDDD＋－vD（b）习惯画法D＋－VDRIDVDD解：（1）理想模型D＋－VDRIDVDD当VDD=10V时当VDD=1V时电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础VD=Von=0.7V=0.03mAVD=Von=0.7V=0.93mA（b）习惯画法D＋－VDRIDVDD（2）恒压降模型当VDD=10V时当VDD=1V时D＋－VDRIDVDDVon电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础VD=IDrD+Vth=0.51V=0.049mAVD=IDrD+Vth=0.69V=0.931mA（b）习惯画法D＋－VDRIDVDD当VDD=10V时当VDD=1V时（3）折线模型D＋－VDRIDVDDVthrD电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础VD=Von=0.7V=0.93mA恒压降模型当VDD=10V时VD=IDrD+Vth=0.69V=0.931mA折线模型二者相比较:ID间相差0.001mAVD间相差0.01V电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础VD=IDrD+Vth=0.51V=0.049mAVD=Von=0.7V=0.03mA恒压降模型当VDD=1V时折线模型二者相比较:ID间相差0.019mAVD间相差0.19V电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础

在电源电压远大于二极管管压降的情况下，利用恒压降模型就能得到比较合理的结果；当电源电压较低时，需要采用折线模型才能得到更合理的结果。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础一限幅电路如图所示，R=1kΩ，VREF=3V。（1）vI=0V，4V，6V时，求相应的输出电压vO的值;（2）当vi＝6sinωtV时，绘出相应当输出电压vO的波形。例2：（2）限幅电路电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础++－R－vODVREFvI等效电路如下：++－R－vODVREFvIVthrDID解：（1）用折线模型取Vth=0.5V，rD=200Ω①当vI=0V时D截止∴vO=vI=0V电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础VO≈3.917V同②ID≈2.083VD导通，则v0=VAB即VO=Vth+IDrD+VREF∴VO≈3.583V等效电路如下：++－R－vODVREFvIVthrDID②

当vI=4V时③

当vI=6V时AB电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）当vi=6sinωtV时，求vO的波形先画出电压传输特性曲线：

当vI<Vth+VREF=(0.5+3)V=3.5V时：D截止∴此时vO=vI故为一条过原点0且斜率为1的直线

当vI>Vth+VREF=3.5V时：传输特性发生转折并以斜率rD/(rD+R)上升电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础3306969vO/VvI/Vπ/2π3π/22πωtVREF+Vth=3.5V传输特性图斜率＝1斜率==0.17电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础绘制输出电压vO的波形：方法：按照输入电压的波形通过传输特性用描点法可以画出。

若ωt=0，则vI=6sin0=0V显然此时vI<3.5VvO=vI=0V

若ωt=π/2，则vI=6sinπ/2=6VvI>3.5VvO≈3.917V（已在(1)中③时求得）电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础

若ωt=π，则vI=6sinπ=0V又为vI<3.5VvO=vI=0V

若ωt=3π/2，则vI=6sin3π/2=-6V可见仍为vI<3.5VvO=vI=-6V

若ωt=2π，则vI=6sin2π=0VvI<3.5VvO=vI=0V电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础ππ/23306969vO/VvI/Vπ/2π3π/22π-33069-6-9vO/V3π/22πωtωt3.917斜率==0.17VREF+Vth=3.5V传输特性图vO波形图斜率＝1电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础ππ/23306969vO/VvI/Vπ/2π3π/22π-33069-6-9vO/V3π/22πωtωt3.917斜率==0.17VREF+Vth=3.5V传输特性图vO波形图返回斜率＝1例题说明：在电子技术中，常用限幅电路对各种信号进行处理。它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（3）开关电路一二极管开关电路如图所示。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。设二极管是理想的。例3：vI1D1vI2D24.7kΩVCC5VvO解：vI1vI2D1D2vO0V0V通通0V0V5V通止0V5V0V止通0V5V5V止止5V逻辑与电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（4）低电压稳压电路在下图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）的变动如何？例4：VIRDvOiDvD＋－电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2.5特殊二极管iZ/mAvZ/VVZΔIZΔVZV-I特性ak＋－代表符号VZ——表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。一.齐纳二极管（稳压管）电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础稳压电路VIIZIO(IL)VO【分析】例如：假设VI恒定，而RL减小，则有RL↓VZ稳压IO↑IZ不变IR↑VR↑VI恒定VO↓IZ↓IR↓VR↓VI恒定VO↑电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础注意：（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。