第3章半导体二极管及其基本应用电路

1、3.1,半导体基础知识,3.2 PN,结,3.3,半导体二极管,3.4,二极管基本电路及其分析方法,3.5,特殊二极管,3.1,半导体基础知识,一、半导体,定义,导电性能介于导体和绝缘体之间的物质,.,特点,:,导电能力可控（受控于光、热、杂质等）,典型半导体材料,:,硅,Si,和,锗,Ge,以及,砷化镓,GaAs,等,3.1.1,本征半导体,3.1.2,杂质半导体,一、,本征,(,intrinsic,),半导体,纯净无掺杂的具有晶体结构的半导体。,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,”,。,(1),共价键结构,(2),电子空穴对,(3),空穴的

2、移动,(1,）本征半导体晶体结构,共价键结构,空间排列有序的,晶体,以,硅原子,(Si),为例：,(a),硅晶体的空间排列,(b),共价键结构平面示意图,（,2,）电子空穴对,T=0 K,时,图,01.02,本征激发和复合的过程,空穴,(+),复合,:,电子与空穴相遇,两者同时消失,本征激发和复合在一定温度下会达到,动态平衡,!,本征激发,（,热激发,）,电子空穴对：,载流子（,Carrier),电子,(- ),(3),空穴的移动,(,导电）,空穴的运动,=,相邻共价键中的,价电子,反向依次填补空穴来实现的,常温下，载流子的浓度很低，故导电性差。,环境温度上升，载流子浓度升高导电性增强。,二、

3、,杂质半导体,本征半导体,缺点,？,1,、电子浓度,=,空穴浓度；,2,、载流子少，导电性差，温度稳定性差！,(1),N,型半导体,(2),P,型半导体,(3),杂质对半导体导电性的影响,(1,）,N,型半导体（,电子型半导体）,特,点,：,多,数载流,子,：,自由,电子,（,主要由,杂质原子提供）,少,数载流,子,：空穴,（,由热激发形成）,掺,杂,：,少量,掺入五价杂质元素（如：磷）,杂质原子因在晶格,上，且缺少电子，故,变为不动的正离子。,因提供自由电子故称,施主杂质正离子,(2,）,P,型半导体（,空穴型半导体）,特,点,：,多子,：空穴,（,主要由,杂质原子提供）,少子,：电子,（,

4、由热激发形成）,掺,杂,：,少量,掺入三价杂质（如硼、镓和铟等）,杂质原子成为,不可移动的负,离子称受主杂,质负离子,(3),杂质对半导体,导电性的影响,N,型半导体主要是自由电子导电，掺,入的杂质越多，多子（自由电子）的,浓度越高，导电性越强。,P,型半导体主要是空穴导电，掺入,的杂质越多，多子（空穴）的浓度,越高，导电性越强。,第二节,三、,PN,结,1.,形成,两种载流子的,两种运动,动态平衡时,形成,PN,结,两种运动：,扩散（浓度差）,漂移（电场力）,图,01.06 PN,结的形成过程,漂移和扩散,?,(1),、,电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移,如图（,A,）所示。,?,(

5、2),、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（,B,）所示,空穴,电流,I,。,。,。,电子,.,.,?,（,B,）空穴扩散示意,（,A,）电场作用下的漂移运动,PN,结形成,扩散运动,漂移运动,内电场,-,+,正向电流,I,f,- +,R,PN,结,变窄,-,-,-,+,+,+,-,+,N,+,-,P,-,+,-,-,-,+,+,+,反向电流,I,s,P,N,+ -,R,PN,结,变宽,外加正向电压示意,(,导电）,由于接触面载,流子运动形成,PN,结,示意图,P,N,外加反向电压示意（截止）,PN,结加正向电压时,电阻很小，电流大,。,加反向电压时,电阻很大，电流小。,PN,结的形成

6、小结：,浓度差,?,多子扩散,?,空间电荷区,(,杂质离子,),?,内电场,?,?,促使少子漂移,阻止多子扩散,当多子,扩散,和少子,漂移,达到,动态平衡,，形成,PN,结,2,.,实质,PN,结,=,空间电荷区,=,耗尽层,=,内电场,3.,单向导电性,单向导电性,：,PN,结,正偏,时导通（大电流），,PN,结,反偏,时截止（小电流）。,偏置,(bias),PN,结加正向电压时,电阻很，,电流大,。,加反向电压时,电阻很大，电,流小。,PN,结,变窄,正向电流,I,f,P,N,+ -,R,外加正向电压示意,(,导电）,PN,结,变宽,反向电流,I,s,P,N,- +,R,外加反向电压示意（

7、截止）,4,、,PN,结的电流方程,u,i,?,I,U,S,(,e,T,?,1,),其中,:,U,kT,T,?,q,T,?,300,K,时,U,T,?,26,m,V,5,、,PN,结的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性,当常温下,4.,电容效应,表现为：,势垒电容,C,b,（,barrier),扩散电容,C,d (diffusion),(1),势垒电容,C,b,（,Barrier),势垒电容是由,空间电荷区,的离子薄层形成,(2),扩散电容,C,d(Diffusion),当外加正向电压不同时，,扩散电流即外电路电流,的大小也就不同。所以,PN,结两侧堆积的多子的,浓度梯度分布也不同，,

8、这就相当电容的充放电,过程。这种电容效应称,为扩散电容,势垒电容和扩散电容均,是非线性电容。,（,3,）结电容,C,j,=C,b,+C,d,图,01.10,扩散电容示意图,第三节,3.2,半导体二极管,一,二,结,构,伏,类,安,型,特,和,性,符,号,三,四,主,型,要,号,参,命,数,名,规,则,五,二,极,管,等,效,电,路,一、,结构类型和符号,1,、结构类型,二极管,= PN,结,+,引线,+,管壳。,类型：,点接触型、面接触型,和,平面型,(1),点接触型,PN,结面积小，结电容小，,用于检波和变频等高频电路,(a),点接触型,PN,结面积大，用,于工频大电流整流电路,往往用于集成

9、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,(3),平面型,(b),面接触型,(c),平面型,2,、符号,阳极,(Anode),标记,D1,D2,阴极,(Cathode),Diode,新符号,旧符号,二、,伏安特性,定性,单向导电性,1,、二极管方程,（定量）,理想二极管,(PN,结）方程：,I,?,I,S,(e,V,V,T,?,1,),I,S,:,反向饱和电流,V,T,=,kT/q,:,温度的电压当量,室温（,T,=300 K,）下，,图,理想二极管的伏安特性曲线,V,T,=26 mV,三、,主要参数,(1),I,F,最大整流电流,指正常功率下

10、的正向平均电流；根,据二极管功率不同，由几,mA,到几百,安培不等,(2),V,BR,反向击穿电压,指二极管反向加电压时，使反向电流突,然增大时的电压。不同的二极管有不同,的反向击穿电压。一般手册中给出的反,向电压是实际的一半。,(3),I,R,（,I,S,）,反向饱和电流,指二极管反向加电压时，在没有击穿前的电流。愈小愈,好。一般几纳安到几微安。,硅,(nA),级；锗,(,?,A),级,(4),极间电容,C,：,正向扩散电容,C,D,：由于,PN,结正向导电是通过电子和空,穴扩散的结果。而扩散必须有载流子的浓度积累，这就产,生了扩散电容。,反向势垒电容,C,B,：二极管反向,PN,结形成电荷

11、势垒。,相当于二块平行板电容。反向电压愈高电容愈小,近似计算公式如下,：,dQ,C,D,?,;,C,B,?,dU,D,?,U,D,?,Q,(5),r,d,动态电阻,r,d,=,?,V,F,/,?,I,F,二极管正向特性曲线斜率的倒数,四、,型号命名规则,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,部分国产半导体高频二极管参数表,最高反向工,作电压,（峰值）,V,2AP1,2ck7,20,100,反向击穿电,压,V,正向电流,mA,反向电,流,A,最高工,极间电容,最大整流电,作频率,流,MH,Z,mA,Pf,150,300,40,150,2.5,5.0,250,250,1,0.1,16,20,部

12、分国产半导体整流二极管参数表,最大整流,电流,A,最高反向工作,电压,（峰值）,V,正向压降,最高工作电,压下的反向,（平均值）,电流（,125,度）,V,A,最高工作频率,MH,Z,2CZ52A,0.1,25,1000,1000,0.8,0.8,0.8,3,2CZ54D,0.5,5,1400,2CZ57F,3000,1000,3,3,五、,二极管等效电路及其分析方法,二极管经常应用于以下场合,：,（,1,）整流。,（,2,）限幅。,（,3,）逻辑（二极管逻辑）。,二极管是一种非线性器件，需应用,线性化,模型分析法,对其应用电路进行分析。,1,、二极管正向伏安特性的折线化及等效电路,（,1,）

13、,.,理想模型,（,2,）,.,恒压降模型,这个模型如图：其基本思,想是当二极管导通后，其,管压降认为是恒定的，且,不随电流而变，,si,典型值,为,0.7V,。,不过这只有当二极管的电,流,i,D,近似等于或大于,1mA,时才是正确的。该模型提,供了合理的近似，因此应,用也较广。,（,3,）,.,折线模型,为了较真实地描述二极管,V-I,特性，,在恒压降模型的基础上，作一定的,修正，即认为二极管的管压降不是,恒定的，而是随着通过二极管电流,的增加而增加，所以在模型中用一,个电池和一个电阻,r,D,来作进一步的,近似。这个电池的电压选定为二极,管的门坎电压,V,on,，约为,0.5V,。至于,

14、r,D,的值，可以这样来确定，即当二,极管的导通电流为,1mA,时，管压降,为,0.7V,，于是,r,D,的值可计算如下,（,4,）,.,小信号模型,二极管在一定的直流电压和电,流下,加入低频小信号时,可等效,为一个动态电阻。,二极管小信号模型如图所示。,如果二极管在它的,V-I,特性的某一小,范围工作，例如在静态工作点,Q,（即,V-I,特性上的一个点，此时,v,D,=,V,D,，,i,D,=,I,D,）附近工作，则可把,V-,I,特性看成为一条直线，其斜率的倒,数就是所要求的小信号模型的微变,电阻,r,d,。,微变电阻,r,d,可直接从,V-I,特性上求得。通过,Q,点作一条,V-I,特性

15、的,切线，并形成一直角三角形，从而得到,v,D,和,i,D,，则,r,d,=,v,D,/,i,D,，,r,d,的数值还可从二极管的,V-I,特性表达式导出。,取,i,D,对,v,D,的微分，可得微变电导,由此可得,当,T,=300K,时,),(,2,、几种模型分析法应用举例,例,1,设简单二极管基本电路如,a,所示，,R,=10k,W,，,图,b,是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路,的,I,D,和,V,D,的值：（,1,）,V,DD,=10V,；（,2,）,V,DD,=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。,解：图,a,的电路中，虚线左边为线性部分，右边为非,

16、线性部分。符号“,”为电位参考点，或叫“地”,，即电路的共同端点。电路中任一点的电位，都是,对此共同端而言。为了简单起见，图,a,所示的电路常,采用图,b,所示的习惯画法，今后经常用到。现按题意,，分别求解如下：,（,1,）,V,DD,=10V,使用折线模型得：,10,?,0,.,5,?,0,.,931,mA,V,D,=0V,，,I,D,=,V,DD,/,R,=10V/10k,W,=1mA,I,D,?,10,?,0,.,2,使用恒压降模型得：,V,D,=0.7V,，,U,D,?,0,.,5,?,I,D,?,0,.,2,?,0,.,686,(,V,),使用理想模型得,(2),V,DD,=1V,使

17、用理想模型得：,V,D,=0V,，,I,D,=,V,DD,/R=0.1mA,使用恒压降模型得：,V,D,=0.7V,，,I,D,=,（,V,DD,0.7,）,/R=0.03mA,使用折线模型得,I,D,=0.049mA,，,V,D,=0.51V,例,2,：已知电路，二极管导通电压,UD=0.7V,，,UT=26mV,ui,为有效值,20mV,，频率,f=1kHZ,有正弦波，则,输入交流电流的有效值约为多少？,解：求动态电阻。先求静点,Q,的直流电流,r,U,T,d,?,I,?,10,W,D,求交流电流。（直流为零）,I,U,i,U,i,i,?,R,?,r,?,2,.,04,m,A,d,I,V,

18、?,U,D,D,?,R,?,2,.,6,m,A,基本应用电路,1.,整流电路,整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，,整流电路中的二极管是作为,开关运用，具有单向导电性。,e,2,半波整流,U,dc,0.45U,2,E,2m,i,D,i,D,220V,e,2,u,L,u,L,全波整流,U,dc,0.9U,2,e,2,220V,e,2,+,+,e,2,-,-,u,L,i,o,R,L,u,L,二极管电路的限幅电路,2.,3.,二极管开关电路,一二极管开关电路如图所示。当,v,I1,和,v,I2,为,0V,或,5V,时，求,v,I1,和,v,I2,的值不同组合情况下，输,出电压,v,O,的值。设

19、二极管是理想的。,4.,集成运放输入端保护电路,3.3,特殊二极管,一、稳压二极管,应用在,反向击穿区,（雪崩击穿,和,齐纳击穿）,一）符号、伏安特性,和典型应用电路,(a),符,号,(a),（,1,、,利用,PN,结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。,I,（,mA,),正向电流,I,f,正向导通电压,反向击穿电压,U,D,U,Z,击穿,电流,I,R,0,0.6,正向,U,（,V,）,I,U,PN,结,V-A,特性,曲线,电路符号,(b),(b),伏安特性,(c),R,L,U,O,下降,稳压原理：,（,1,）,U,I,变化，负载不变,U,I,上升,U,O,上升,I,R,=Iz+I,L,上升,

20、Uz,上升,Iz,上升,应,用,电,路,U,R,=I,R,R,上升,（,2,）输入不变，负载波动,RL,下降,U,O,上升,I,L,（,I,R,）上升,U,R,=I,R,R,下降,U,O,下降（,Uz,）,Iz,下降,I,R,=Iz+I,L,下降,2,、限流电阻取值,U,I,(min),?,U,O,I,?,R,?,U,I,(max),?,U,O,Z,?,I,L,(max),I,ZM,?,I,L,(min),3,、限幅电路,（二）主要参数,?,?,?,?,?,1,）、稳定电压,U,Z,：稳压管击穿后电流变化很大。而电压基,本不变的电压。不同的稳压管有不同的稳定电压。,2,）、动态电阻,rz,3,）、最大稳定电流,I,ZM,，,由最大耗散功率和稳定电压决定。,4,）、最大耗散功率,