第3章 半导体二极管及其基本应用电路

1、半导体二极管及半导体二极管及 其基本应用电路其基本应用电路3.1半导体基础知识半导体基础知识3.2半导体二极管及其基本应用电路半导体二极管及其基本应用电路3.3稳压二极管及其基本应用电路稳压二极管及其基本应用电路3.4发光二极管及其基本应用举例发光二极管及其基本应用举例一、理解一、理解PN结的单向导电性。结的单向导电性。 二、了解二极管、稳压管的基本构造、工作二、了解二极管、稳压管的基本构造、工作 原理和特性曲线，理解主要参数的意义；原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的应用电路。三、会分析含有二极管的应用电路。3.1 半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导

2、体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应1 1、什么是半导体？什么是本征半导体？、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程

3、度时才可能导子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。电。 半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构一、本征半导体3、本征半导体的结构硅硅( (锗锗) )的原子结构的原子结构简化简化模型模型惯性核惯性核价电子价电子( (束缚电子束缚电子) )本征半导体的晶体结构本征半导体的晶体结构晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式硅硅

4、( (锗锗) )的共价键结构的共价键结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚（本证激发本证激发）成为自由电子）成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴共价键：共价键：相邻两个原子共相邻两个原子共用一对最外层电子（价电用一对最外层电子（价电子）的组合称为共价键。子）的组合称为共价键。4、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子外电场作用外电场作用电子电子载流子载流子空穴空穴本征半导体本征半导体中的电流中的电流电子电流电子电流空穴电流空穴电流运载电荷的粒子称为载

5、流子。运载电荷的粒子称为载流子。（1 1）自由电子和）自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复空穴成对地产生的同时，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。平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。（2）外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空）外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。很少，故导电性很差。（3 3）温度愈高，）温度愈高， 载流子的数目愈多载流子的数目愈多, ,半导体的导电性半导体的导

6、电性能也就愈好。能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。二、杂质半导体 本征半导体中掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增本征半导体中掺入微量杂质，可使半导体导电性能大大增强。按掺入杂质元素不同，可形成强。按掺入杂质元素不同，可形成N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体。1. N1. N型半导体型半导体电子型半导体（掺入五价元素如磷P） 在常温下多余电在常温下多余电子很容易形成自子很容易形成自由电子由电子P原子与相邻的原子与相邻的Si原子形成共价键原子形成共价键时，多一个电子时，多一个电子P原子失去原子失去一个电子一个电子形成带正形成带正电的离子电

7、的离子多数载流子多数载流子-自由电子自由电子 少数载流子少数载流子-空穴空穴 2. P2. P型半导体型半导体空穴型半导体（掺入三价元素如硼空穴型半导体（掺入三价元素如硼B B）B原子与相邻的原子与相邻的Si原原子形成共价键时，子形成共价键时，少一个电子而形成少一个电子而形成一个空位（中性）一个空位（中性）相邻原子中的价电相邻原子中的价电子很容易受到热或子很容易受到热或其他的激发填补这其他的激发填补这个空位，产生一个个空位，产生一个空穴空穴B原子接受原子接受一个电子一个电子形成带负形成带负电的离子电的离子多数载流子多数载流子-空穴空穴 少数载流子少数载流子自由电子自由电子由什么决定由什么决定?

8、由什么决定由什么决定?注意注意 三、PN结的形成及其单向导电性扩散运动扩散运动由浓度差引起的载流子的定向运动由浓度差引起的载流子的定向运动扩散电流 漂移运动漂移运动载流子在电场作用下产生的定向运动载流子在电场作用下产生的定向运动漂移电流漂移电流 PN PN结：结：交界面处产生缺少载流子的区域，亦称为交界面处产生缺少载流子的区域，亦称为 空间电荷空间电荷 区区耗尽层耗尽层 将P型和N型半导体制造在同一硅片上，交界面就形成PN结内部发生什么变化？1、PN结的形成结的形成浓度差浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区 扩散的结果使空间扩散的结果使空间电荷区变宽。电荷区变宽。少子

9、的漂移运动少子的漂移运动内电场内电场空间电荷区空间电荷区也称也称 PN 结结 2、PN结的单向导电性结的单向导电性（1） PN 结外加正向电压（正向偏置）结外加正向电压（正向偏置） forward biasPN结加正向电压导通：结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。必要吗？必要吗？（2） PN 结外加反向电压（反向偏置）结外加反向电压（反向偏置） reverse bias PN结加反向电压截止：结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩

10、散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似流。由于电流很小，故可近似认为其截止。认为其截止。 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。PNPN结的电流方程及伏安特性放结的电流方程及伏安特性放到到3.2.23.2.2二极管的伏安特性讲授二极管的伏安特性讲授四、PN 结的电容效应1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变结外加电压变化时，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，与电容的充放电相化，有电荷的积累和释放的过程，与电

11、容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容同，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，在扩散路程中载流子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的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过程，其等效电容称为扩散电容Cd。dbjCCC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度，结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！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制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

12、差，又将其掺杂，成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？改善导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？是少子是影响温度稳定性的主要因素？ 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？3.2.1 半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型3.2.2 二极管的伏安特性及电流方程二极管的伏安特性及电流方程3.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数3.2.4 二极管的特性参数及等效电路二极管的特性参数及等效电路3.2.5 基本应用电路基本应用电路3.2.1 半导体二极管的结构和

13、类型半导体二极管的结构和类型构成：构成： PN 结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管( (Diode) )符号：符号：( (anode) )C( (cathode) )A分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型触丝触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型 结面积小、结电容小、正向结面积小、结电容小、正向电流小，高频性能好。一般用电流小，

14、高频性能好。一般用于高频小功率的电路或数字电于高频小功率的电路或数字电路中的开关元件。路中的开关元件。 结面积大、正向电流大、结结面积大、正向电流大、结电容大，工作频率较低，一般电容大，工作频率较低，一般用于低频电路或整流电路。用于低频电路或整流电路。正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底平面型：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。一、一、PN 结的伏安方程结的伏安方程3.2.2 二极管的伏安特性及电流方程二极管的伏安特性及电流方程二极管的电流与其端电压的关系称

15、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。)1e (/SDD TUuIi反向饱反向饱和电流和电流温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 玻尔兹曼玻尔兹曼常数常数电子电量电子电量当当 T = 300( (27 C) )：UT = 26 mV由半导体物理的理论分析得出由半导体物理的理论分析得出二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导通压降正向特性正向特性反向特性反向特性UI死区电压死区电压PN+PN+ 反向电流在反向电流在一定电压范围一定电压范围内保持常数。内保持常数。 外加电压大于死区电外加电压大于死区电压二极管才能导通。压二极管才能导通。

16、 外加电压大于反向击穿电压二极外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。管被击穿，失去单向导电性。)(ufi mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常温下击穿击穿电压电压反向饱反向饱和电流和电流开启开启电压电压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饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A温度的温度的电压当量电压当量ABCDOAOA段段死区电压死区电压, ,外电压较小时，不足以克服内电场，扩散外电压较小时，不足以克服内电场，扩散 电流仍然受阻，电流很小。电流仍然受阻，电流很小。AB段段非线性区。外加电压增大，内电场逐渐减

17、小，电流非线性区。外加电压增大，内电场逐渐减小，电流以指数曲线上升，为一二次曲线，即以指数曲线上升，为一二次曲线，即 ,利用此段可实现变频等利用此段可实现变频等. BC段段线性区，此时内电场很小，即阻挡层呈现的电阻很小，线性区，此时内电场很小，即阻挡层呈现的电阻很小，其等效电阻主要是其等效电阻主要是P区和区和N区的体电阻，基本不变，等效为一个区的体电阻，基本不变，等效为一个小电阻，小电阻，i增加很快。增加很快。C以上段以上段损坏区，因损坏区，因电流太大时电流太大时而烧坏。而烧坏。 OD段段 少子在电场作用下少子在电场作用下定向运动形成，此漂移电定向运动形成，此漂移电流很小。流很小。 DE段段反

18、向击穿区，反向击穿区，u很小变很小变化，化，i急剧增加。常用于稳压。急剧增加。常用于稳压。 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： 1. 单向导电性单向导电性TeSTUuIiUu，则若正向电压) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响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/10STIiUu，则若反向电压604020 0.02 0.040 0.

19、4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20 C90 C温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响T 升高时，升高时，UD(on)以以 (2 2.5) mV/ C 下降下降3.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数iDuDU (BR)I FURMO1. IF 最大整流电流最大整流电流( (最大正向平均电流最大正向平均电流) )2. URM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为为 U(BR)

20、/ 2 3. IR 反向电流反向电流( (越小单向导电性越好越小单向导电性越好) )4. fM 最高工作频率最高工作频率( (超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差) )P50一、 将伏安特性折线化1、 理想二极管模型理想二极管模型uDiD特性特性符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD = 0；反偏截止，；反偏截止， iD = 0 U(BR) = 2、二极管的恒压降模型、二极管的恒压降模型uD = UD(on)0.7 V (Si)0.2 V (Ge)导通时导通时UDUon截止时截止时IS0近似分析近似分析中最常用中最常用3、实际情况下的等效模型、实际情况下的等效模型导通时导

21、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！4、二极管的微变等效电路、二极管的微变等效电路（交流小信号模型）交流小信号模型）DTDDdIUiur根据电流方程，Q越高，越高，rd越小。越小。静态电流静态电流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公式法：/druI/Tu uSTdTTDQI eUdIIrdUUUI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？RuViDD 对对V和和Ui二极管二极管的模的模型有什

22、么不同？型有什么不同？V与与uD可比，则需图解：可比，则需图解：ID实测特性实测特性uD=ViRUDQ二极管应用举例二极管应用举例例1：二极管的导通压降为0.7V，试分别估算开关断开和闭合 时输出电压的数值 例例2 已知电路如图所示，已知电路如图所示，VDA和和VDB为硅二极管，为硅二极管，若若UA=3V，UB=0V时，求输出端时，求输出端F的电压值的电压值UF。 解：两个二极管存在优先导解：两个二极管存在优先导通现象。通现象。VDB优先导通优先导通UF=UB+0.7=0.7VVDA反向截止。反向截止。例例 3 硅二极管，硅二极管，R = 2 k ，分别用二极，分别用二极管理想模型和恒压降模型

23、求出管理想模型和恒压降模型求出 VDD = 2 V 和和 VDD = 10 V 时时 IO 和和 UO 的值。的值。 解解 VDD = 2 V 理想理想UO = VDD = 2 VIO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA)恒压降恒压降UO = VDD UD(on) = 2 0.7 = 1.3 (V)IO = UO / R = 1.3 / 2 = 0.65 (mA)VDD = 10 V IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA)理想理想恒压降恒压降UO = 10 0.7 = 9.3 (V)IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA)VDD 大，大， 采用理想模

24、型采用理想模型VDD 小，小， 采用恒压降模型采用恒压降模型例例4 试求电路中电流试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压和输出电压 UO 的值的值。解：解：假设二极管断开假设二极管断开UP = 15 V(V) 9 12 31 3N UUP UN二极管导通二极管导通等效为等效为 0.7 V 的恒压源的恒压源 例例 5 ui = 2 sin t (V)，分析二极管的限幅作用。，分析二极管的限幅作用。ui 较小，宜采用恒压降模型较小，宜采用恒压降模型ui 0.7 VV1、V2 均截止均截止uO = uiui 0.7 VV2 导通导通 V截止截止 uO = 0.7 Vui 0.7 VV1 导通导

25、通 V2 截止截止 uO = 0.7 VOtuO/ V0.7Otui / V2 0.7思考题思考题: V1、V2 支路各串联恒压源，支路各串联恒压源，输出波形如何？输出波形如何？( (用用 EWB仿真仿真 ) )3.3 稳压二极管及其基本应用电路稳压二极管及其基本应用电路一、伏安特性一、伏安特性iZ /mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ 由一个由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。基本不变，为稳定电压。符号符号特性特性斜率？斜率？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限流电阻限流电阻工作条件：工作条件：反向击穿反向击穿等效电路等效电路二、主要参数二、主要参数1. 稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2. 稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，小于越大稳压效果越好，小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3. 额定耗散功率额定耗散功率 PZM 不至损坏时允许的最大功耗。不至损坏