03. 半导体二极管及基本电路

1、3.1. 半导体的基本知识 3.2. PN结的形成及特性 3.3. 半导体二极管 3.4. 二极管基本电路分析 3.5. 特殊二极管 本征半导体、空穴及其导电作用 杂质半导体 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，划分为导的不同，划分为导 体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率为半导体的电阻率为1010-3 -3 10109 9 cm。典型的半。典型的半 导体有导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。 半导体的特点：半导体的特点：(1(1）导电能力不同于导体、绝缘体；）导电能力不同于导体、绝缘体； (2(2）受外界光和热刺激时电

2、导率发生很大变化）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化 光敏元件、热敏元件；光敏元件、热敏元件； (3(3）掺进微量杂质，导电能力显著增加）掺进微量杂质，导电能力显著增加半导体。半导体。 3.1. 半导体的基本知识 和和是四价元素，在原子最外层轨道上的四是四价元素，在原子最外层轨道上的四 个电子称为个电子称为价电子价电子。它们分别与周围的四个原子的它们分别与周围的四个原子的 价电子形成价电子形成共价键共价键。 原子按一定规律整齐排列，形成晶体点阵后，原子按一定规律整齐排列，形成晶体点阵后， 结构图为：结构图为： 1.半导体的共价键结构 本征半导体本征半导体完全纯净的、结构完整的半导完全纯净的、

3、结构完整的半导 体晶体。体晶体。 载流子载流子可以自由移动的带电粒子。可以自由移动的带电粒子。 电导率电导率与材料单位体积中所含载流子数与材料单位体积中所含载流子数 有关，载流子浓度越高，电导率越高有关，载流子浓度越高，电导率越高。 2.本征半导体、空穴及其导电作用 电子空穴对电子空穴对 当T=0K和无外界激发时，导体中没有载流子，不导电。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，而参与导电，成为自由电子本 征激发。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了 一个空位，这个空位为空穴。 +4+4+4+4 +4+4+4+4 +4+4+4+4 自由电子自

4、由电子 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的， 称为电子空穴对。 本征激发 动画1-1 空穴空穴 +4+4+4+4 +4+4+4+4 +4+4+4+4 (1)N型半导体型半导体（电子型半导体） 在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 ) 多余电子，多余电子， 成为自由电子成为自由电子 +5 自由电子自由电子 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。 +5 3.杂质半导体杂质半导体 +4+4+4+4 +4+4+4+4 +4+4+4+4 +3 在本征半导体中掺入三价的元素（硼）在本征

5、半导体中掺入三价的元素（硼） +3 空穴空穴空穴空穴 (2)P型半导体型半导体（空穴型半导体） N N型半导体型半导体的多数载流子为电子，少数载流子是空穴；的多数载流子为电子，少数载流子是空穴； P P型半导体型半导体的多数载流子为空穴，少数载流子是电子。的多数载流子为空穴，少数载流子是电子。 例：纯净硅晶体中硅原子数为例：纯净硅晶体中硅原子数为101022 22/cm /cm3 3数量级，数量级， 在室温下，载流子浓度为在室温下，载流子浓度为n ni i= =p pi i=10=1010 10数量级， 数量级， 掺入百万分之一的杂质（掺入百万分之一的杂质（1/101/106 6），即杂质浓度

6、），即杂质浓度 为为101022 22* *（ （1/101/106 6）=10=1016 16数量级， 数量级， 则掺杂后载则掺杂后载 流子浓度为流子浓度为101016 16+10 +1010 10，约为 ，约为101016 16数量级，比掺 数量级，比掺 杂前载流子增加杂前载流子增加10106 6，即一百万倍。，即一百万倍。 PN结的形成及特性 2.PN结的单向导电性 1.PN结的形成 3.PN 结的电容效应 3.2. PN结的形成及特性结的形成及特性 1.PN结的形成 在一块本征半导体在一块本征半导体 两侧通过扩散不同的杂两侧通过扩散不同的杂 质质, ,分别形成分别形成N型半导体型半导体

7、 和和P型半导体。型半导体。 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 动画 + 五价的元素+ 三价的元素 产生多余电子产生多余电子产生多余空穴产生多余空穴 2.PN结的单向导电性 (1) PN结加正向电压结加正向电压 外加的正向电压，方向外加的正向电压，方向 与与PN结内电场方向相反，削结内电场方向相反，削 弱了内电场。于是弱了内电场。于是, ,内电场内电场 对多子扩散运动的阻碍减弱，对多子扩散运动的阻碍减弱， 扩散电流加大

8、。扩散电流远扩散电流加大。扩散电流远 大于漂移电流，可忽略漂移大于漂移电流，可忽略漂移 电流的影响，电流的影响，PN结呈现低阻结呈现低阻 性。性。P区的电位高于区的电位高于N区的电区的电 位，称为加位，称为加正向电压正向电压，简称，简称 正偏正偏。 动画 必要吗？必要吗？ 外加反向电压外加反向电压, ,方向与方向与PNPN结内电场方向相同，加强了内结内电场方向相同，加强了内 电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流 大大减小。此时大大减小。此时PNPN结区的少子在内电场的作用下形成结区的少子在内电场的作用下形成 的漂移电流大于扩散电流，可忽略

9、扩散电流，的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PNPN结呈结呈 现高阻性。现高阻性。 P P区的电位低于区的电位低于N N区的电位，称为加区的电位，称为加反向电反向电 压压，简称，简称反偏反偏。 在一定的温度条件下，在一定的温度条件下， 由本征激发决定的少子浓度是由本征激发决定的少子浓度是 一定的，故少子形成的漂移电一定的，故少子形成的漂移电 流是恒定的，基本上与所加反流是恒定的，基本上与所加反 向电压的大小无关，这个电流向电压的大小无关，这个电流 也称为也称为反向饱和电流反向饱和电流。 动画 (2)PN结加反向电压结加反向电压 3. PN 结的电容效应 (1) 势垒电容 PN结外加电压变

10、化时，空间电荷区的宽度将发生结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生 变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电 相同，其等效电容称为势垒电容相同，其等效电容称为势垒电容Cb。 (2). 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流 子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放 的过程，其等效电容称为扩散电容的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。 dbj CCC结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程结外加电

11、压频率高到一定程 度，则失去单向导电性！度，则失去单向导电性！ 问题 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料为什么将自然界导电性能中等的半导体材料 制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺 杂，改善导电性能？杂，改善导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？影响温为什么半导体器件的温度稳定性差？影响温 度稳定性的主要因素是度稳定性的主要因素是多子多子还是少子？还是少子？ 为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？ 1.二极管的组成 将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。 小功率二小功率二

12、极管极管 大功率二大功率二 极管极管 稳压稳压 二极管二极管 发光发光 二极管二极管 3.3.半导体二极管 点接触型：结面积小，点接触型：结面积小， 结电容小，故结允许结电容小，故结允许 的电流小，最高工作的电流小，最高工作 频率高。频率高。 面接触型：结面积面接触型：结面积 大，结电容大，故结大，结电容大，故结 允许的电流大，最高允许的电流大，最高 工作频率低。工作频率低。 平面型：结面积可小、平面型：结面积可小、 可大，小的工作频率可大，小的工作频率 高，大的结允许的电高，大的结允许的电 流大。流大。 2.二极管的伏安特性及电流方程 材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向

13、饱和电流 硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下 锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A )(ufi 开启开启 电压电压 反向饱反向饱 和电流和电流 击穿击穿 电压电压 mV)26( ) 1e ( TS T UIi U u 常温下 温度的温度的 电压当量电压当量 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。 T e ST U u IiUu，则若正向电压 ) 1e ( T S U u Ii T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移 正向特性为正向

14、特性为 指数曲线指数曲线 反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线 增大增大1倍倍/10 ST IiUu，则若反向电压 从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出： u 单向导电性单向导电性 u伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响 3.4.二极管的电路分析 理想理想 二极管二极管 近似分析近似分析 中最常用中最常用 理想开关理想开关 导通时导通时 UD0 截止时截止时IS0 导通时导通时UDUon 截止时截止时IS0 导通时导通时i与与u 成线性关系成线性关系 应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！ 1. 将伏安特性折线化 ？ 100V？5V？

15、1V？ 2.微变等效电路 D T D D d I U i u r 根据电流方程， Q越高，越高，rd越小。越小。 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则 可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就 是微变等效电路。是微变等效电路。 ui=0时直流电源作用时直流电源作用 小信号作用小信号作用 静态电流静态电流 3.二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流IF：最大平均值：最大平均值 最大反向工作电压最大反向工作电压UR：最大瞬时值：最大瞬时值 反向电流反向电流 IR：即：即IS 最高工作频率最高工作频率

16、fM：因：因PN结有电容效应结有电容效应 讨论：解决两个问题解决两个问题 如何判断二极管的工作状态？如何判断二极管的工作状态？ 什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？ uD=ViR Q ID UD R uV i D D V与与uD可比，则需图解：可比，则需图解： 实测特性实测特性 对对V和和Ui二极管二极管的模的模 型有什么不同？型有什么不同？ 【例例1】求求VDD=10V时，时， 二极管的二极管的 电流电流ID、电压、电压 VD 值。值。 解：解： 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。 DDD D 10V0.7V 0.

17、93mA 10k VV I R Dth D D 0.7V0.5V 200 1mA VV r i DDth D D 10V0.5V 0.931mA 10k0.2k VV I Rr DD D 0.5V0.5V0.931mA0.2k0.69VVI r D 0VV DD D 10V 1mA 10k V I R 当iD1mA时， vD=0.7V。 D 0.7VV 限幅电路限幅电路 VR Vm vi t 0 Vi VR时，二极管导通，时，二极管导通，vo= vi。 Vi VR时，二极管截止，时，二极管截止， vo= VR。 【例例2】理想二极管电路中理想二极管电路中 vi= Vm sint V，求，求 输

18、出波形输出波形v0 0。 解解： vI1 vI2 二极管工作状态 D1 D2 v0 0V 0V导通 导通 导通 截止 截止 导通 截止 截止 0V 5V 5V 0V 5V 5V 0V 0V 0V 5V 【例例3】求求vI1 I1 和和vI2 I2不同值 不同值 组合时的组合时的v0 0值值 （二极管为（二极管为 理想模型）。理想模型）。 解：解： 开关电路开关电路 + 9V - - 截止 解解： + 1V - - + 14V - - + 2.5V - - + 1V - - + 12.5V - - 【例例4】判别二极管是导通还是截止。判别二极管是导通还是截止。 + 14V - - 导通导通 +

19、1V - - + 2.5V - - + 12.5V - - + 18V - - + 2V - - 正半周：正半周： D1、D3 导通导通 D2、D4 截止截止 负半周负半周 D2、D4导通导通 D1、D3截止截止 【例例5】求整流电路的输出波形。求整流电路的输出波形。 解：解： 【例例6】 已知二极管已知二极管D的正向导通管压降的正向导通管压降VD=0.6V，C为为 隔直电容，隔直电容，vi(t)为小信号交流信号源。为小信号交流信号源。 l试求二极管的静态工作电流试求二极管的静态工作电流IDQ，以及二极管的直流，以及二极管的直流 导通电阻导通电阻R直 直。 。 l求在室温求在室温300K时，时

20、，D的小信号交流等效电阻的小信号交流等效电阻r交 交 。 。 C R 1K E 1.5V + VD + vi(t) mA9 . 0 k1 5 . 1 D DQ V I )(89.28 9 .0 26 Q T I V r交 )k(67.0 9 .0 6 .0 直 R 解：解： 3.5.特殊二极管 1.稳压二极管 (1）伏安特性 进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组成，结组成， 反向击穿后在一定反向击穿后在一定 的电流范围内端电的电流范围内端电 压基本不变，为稳压基本不变，为稳 定电压。定电压。 (2） 主要参数 稳定电压稳定电压

21、UZ、稳定电流、稳定电流IZ 最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会 因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电 流的限流电阻！流的限流电阻！ 限流电阻限流电阻 斜率？斜率？ IR IZ Io 稳压管的稳压过程。稳压管的稳压过程。 RL IoIRVoIZIRVo 当金属与当金属与N型半导体接触时，在其交界面处会型半导体接触时，在其交界面处会 形成势垒区，利用该势垒制作的二极管，称为肖特形成势垒区，利用该

22、势垒制作的二极管，称为肖特 基二极管或表面势垒二极管。它的原理结构图和对基二极管或表面势垒二极管。它的原理结构图和对 应的电路符号如图所示应的电路符号如图所示 2.肖特基二极管肖特基二极管 光电二极管是一种将光能光电二极管是一种将光能 转换为电能的半导体器件，其转换为电能的半导体器件，其 结构与普通二极管相似，只是结构与普通二极管相似，只是 管壳上留有一个能入射光线的管壳上留有一个能入射光线的 窗口。图中示出了光电二极管窗口。图中示出了光电二极管 的电路符号，其中，受光照区的电路符号，其中，受光照区 的电极为前级，不受光照区的的电极为前级，不受光照区的 电极为后级。电极为后级。 3. 光电二极管光电二极管 发光二极管是一种将电发光二极管是一种将电 能转换为光能的半导体能转换为光能的半导体 器件。它由一个器件。它由一个PN结构结构 成，其电路符号如图所成，其