第3章半导体二极管及其基本应用电路

1、第3章半导体二极管及其基本应用电路,本章重点,1.二极管的单向导电性、稳压管的原理。,本章讨论的问题：,1为什么采用半导体材料制作电子器件？,2.什么是N型半导体？什么是P型半导体？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？,3.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在PN结中加反向电压时真的没有电流吗？,3.1半导体的基础知识,3.1.1本征半导体,1.导体、半导体和绝缘体,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，如橡胶、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

2、、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。,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3.1.1本征半导体结构示意图,2.本征半导体的晶体结构,图3.1.2本征半导体中的自由电子和空穴,自由电子,空穴,T,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,3.本征半

3、导体中的两种载流子,（动画1-1）,（动画1-2）,在绝对0度（T=0K）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。,本征半导体的导电原理,在电场的作用下，一方面，自由电子将产生定向移动，形成电子电流，另一方面，价电子将按一定的方向依次填补空穴，其效果相当于空穴向相反的方向产生定向移动，形成空穴电流，因此，空穴可看作是一种载流子。,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。,空穴可看成带正电的载流子。,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

4、，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,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。,4、本征半导体中载流子的浓度本征激发：本征半导体因受激发而产生自由电子和空穴对的现象。,复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失的现象。,动态平衡：在一定的温度下，单位时间内本征激发产生的电子空穴对与因复合而消失的电子空穴对相等，本征半导体中载流子的浓度一定。,1.半导体中两种载流子,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

5、。,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：,3.1.2杂质半导体,杂质半导体有两种,N型半导体,P型半导体,1.N(Negative)型半导体,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)。,空穴浓度少于电子浓度，即np。电子为多数载流子，空穴为少数载流子。,二、P型半导体,+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。,空穴浓度多于电子浓度，即

6、pn。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3.1.4P型半导体,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。,4.杂质半导体总体上保持电中性。,3.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,图杂质半导体的简化表示法,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。,图PN结的形成,3.1.3PN结,耗尽层,1).扩散运动,2).扩散运动形成空间电荷

7、区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。,耗尽层。,1.PN结的形成,3).空间电荷区产生内电场,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,5).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，总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定，形成PN结。,即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。,2、PN结的单向导电性,1.PN结外加正向电压时处于导通状态,PN结外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。,图3.

8、1.6,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IS；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,图3.1.7PN结加反向电压时截止,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。,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

9、截止状态。,综上所述：,可见，PN结具有单向导电性。,IS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300K)下，UT26mV,3.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,4.PN结的伏安特性,i=f(u)之间的关系曲线。,正向特性,反向特性,图1.1.10PN结的伏安特性,反向击穿齐纳击穿雪崩击穿,当加于PN结的反向偏置电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，不大的反向电压就可形成很强的电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子空穴对，致使电流急剧增加。,雪崩击穿：

10、如果掺杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应。对于硅材料的PN结来说，击穿电压7V时为雪崩击穿，4V时为齐纳击穿。在4V与7V之间，两种击穿都有。*击穿并不意味着PN结烧坏。发生电击穿后，只要限制击穿电流，使PN结的耗散功率不超过容许的耗散功率，一般不会被烧毁，撤消反向电压后，PN结恢复正常；若不限制击穿电流，使PN结的耗散功率超过容许的耗散功率，使结温过高，则产生热击穿，造成PN结的永久性损坏。,5.PN结的电容效应,当PN结上的电压发生变化时，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

11、分,势垒电容,扩散电容,(1).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,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。,：半导体材料的介电系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。,2.扩散电容Cd,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(

12、反之浓度会降低)。,当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。,正向电压变化时，载流子的变化是电荷积累变化过程，相当于电容器充电和放电的过程扩散电容效应。,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CjCb。,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CjCd；,在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。,3.2半导体二极管,1.二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型,图3.2.1二极管的几种外形,2.按工作频率区

13、分：有高频管和低频管。3.按功率区分：有大功率管和小功率管。4.按用途区分：有普通管、整流管、稳压管、开关管等等。,1.点接触型二极管,3.2.1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。,3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，用于大功率整流和开关电路中。,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,4二极管的代表符号,D,3.2.2二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,反向特性,反向击穿特性,开启电压：0.5V导通电压：0.7V,1.伏安特性,开启电压：0.1V导通电压：0.2

14、V,2.温度对二极管伏安特性的影响,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。,3.2.3二极管的主要参数,1.最大整流电流IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.最高反向工作电压UR,二极管工作时允许外加的最大反向电压。通常是击穿电压U（BR）的一半。,3.2.3二极管的主要参数,3.反向电流IR,指二极管未击穿时的反向电流。IR与温度有关，越小越好,4.最高工作频率fM,二极管正常工作时允许通过的交流信号的最高频率,超过此值,二极管的单向导电性将不能很好地体现。,3.2.4二极管的等效电路,1.伏安特性的折线化及等效电路（

15、实线为折线化）,正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。,反向偏置时：电流为0，电阻为。,当iD1mA时，vD=0.7V。,(1)理想模型,(2)恒压降模型,(3)折线模型,(4)小信号模型,2.低频交流小信号作用下等效电路,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动态电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,图3.2.6二极管的微变等效电路,恒压降模型,例3.2.1,电路如图所示，UD=0.7V，试估算开关断开和闭合输出电压UO。,D导通,开关断开：断开D,D截止,开关闭合：断开D,应用举例,1.静态分析,求VDD=10V时，二极管的电流ID、电压V

16、D值。,解：,1.理想模型,正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为。,2.恒压降模型,3.折线模型,当iD1mA时，vD=0.7V。,+,3.2.5基本应用电路,1.整流电路（D视为理想）,u20时:,二极管导通，uo=u2,u20时:,二极管截止,uo=0,半波整流电路,全波整流电路,忽略二极管正向压降,2.开关电路,利用二极管的单向导电性可作为电子开关,0V0V,导通导通,导通截止,截止导通,0V4.3V,4.3V0V,4.3V4.3V,0V,0V,0V,4.3V,求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。,解：,导通导通,二极管共阴极或共阳极联结

17、时如何判断二极管的状态？,将所有二极管都断开，正向压降最大的优先导通。,共阴极联结时，阳极电位最高的二极管先导通；共阳极联结时，阴极电位最低的二极管先导通；,或：,ui8V，二极管导通，ui8V，二极管截止，,已知：二极管是理想的，试画出uo波形。,3限幅电路,参考点,选择参考点,1.考虑传输特性即uo-ui关系,假设二极管D断开，二极管阴极电位为8V，阳极电位为ui,假设二极管断开，分析二极管导通或截止时ui应该满足的条件。,分别写出二极管导通或截止时uo与ui的关系,思考步骤：,可看作短路uo=8V,可看作开路uo=ui,二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,

18、8V,2.根据传输特性，由输入ui波形画出输出uo波形,传输特性：ui8V，uo=8Vui8V，uo=ui,uo,单向限幅,4.集成运放输入端保护电路,当UI大到一定程度时二极管导通，使集成运放的净输入电压限定在二极管的导通电压。R为限流电阻,3.3稳压二极管,稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管，其结构与普通二极管相似，只是掺杂浓度比普通二极管大得多，起稳压、限幅作用。,1。稳压管的伏安特性正向特性、未击穿时的反向特性曲线与普通二极管的相似，但反向击穿特性曲线很陡。,稳压管的伏安特性和等效电路,(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下，所对应的反向击穿电压。,rZ=VZ/IZ,(3)最大耗散功率PZM,(4)最大稳定电流IZmax和最小稳定电流IZ(IZmin),(5)温度系数VZ=VZ/T,2.稳压管的主要参数,3.3.2稳压管的基本应用电路,1.稳压管稳定电压,（1）设电源电压波动(负载不变),UIUOUZIZ,UOURIR,#不加R可以吗？,（2）设负载变化(电源不变),RLUOUZIZ,UOURIR,例1：稳压二极管的工