第五章深圳大学

1、 第一章第一章 晶体二极管晶体二极管1.1 1.1 半导体物理基本知识半导体物理基本知识1.2 1.2 结结1.3 1.3 晶体二极管电路的分析方法晶体二极管电路的分析方法1.4 1.4 晶体二极管的应用晶体二极管的应用1.5 1.5 其它二极管其它二极管1.1 1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识 在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分为在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体。导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上

2、的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。，接近绝缘体。一. 本征半导体（Intrinsic Semiconductor) 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的

3、纯度要达到99.9999999%，常，常称为称为“九个九个9”。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当温度升高或受到当温度升高或受到光的照射时，束缚光的照射时，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原子核的束缚，而参子核的束缚，而参与导电，成为与导电，成为自由自由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。 可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。 外加能

4、量越高（外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多。 动画演示动画演示 与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104 . 1锗：锗：313cm105 . 2自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流动画演示动画演示+4+4+4+4+4+4+4+

5、4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：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。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制二二. . 杂质半导体杂质半导体( (Doped Semiconductor) ) 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.1. N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为如磷，砷等，称为N型半导

6、体型半导体。 N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5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+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4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P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2. P型半导体型半导体杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子

7、电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关思考：多子浓度与何相关？思考：多子浓度与何相关？内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层1.21.2 PN结结 一一. 动态平衡下的动态平衡下的PN结形成结形成 动画演示少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层

8、失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡： 扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0势垒势垒 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V二二. PN结的伏安特性结的伏安特性1. 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形

9、成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流 2. 加反向电压（反偏）加反向电压（反偏）电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外基本上与外加反压的大小无关加反压的大小无

10、关，所以所以称为称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温度有关。与温度有关。 PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，电流，呈现低电阻， PN结导通；结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，电流，呈现高电阻， PN结截止。结截止。 PN结具有单向导电性结具有单向导电性 动画演示动画演示1 1 动画演示动画演示23. PN. PN结的伏安特性结的伏安特性 根据理论推导，根据理论推导，PNPN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）IR（少子漂移）（

11、少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆自学：PN结的击穿特性 （P18）思考：温度升高时，曲线有何变化？) 1(eTSUuIi 根据理论分析：根据理论分析：u 为为PN结两端的电压降结两端的电压降i 为流过为流过PN结的电流结的电流IS 为反向饱和电流为反向饱和电流UT =kT/q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数 1.381023q 为电子电荷量为电子电荷量1.6109T 为热力学温度为热力学温度 对于室温（相当对于室温（相当T=300 K）则有则有UT=26

12、 mV。当当 u0 uUT时时1eTUuTeSUuIi 当当 u|U T |时时1eTUuSIi三三. PN结的电容特性结的电容特性 当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。，就像电容充放电一样。 1. 势垒电容势垒电容CB空空 间间 电电 荷荷 区区W+R+E+PN变容二极管振荡电路、调频电路2. 扩散电容扩散电容CD 当外加正向电压当外加正向电压不同时，不同时，PN结两结两侧堆积的少子的侧堆积的少子的数量及浓度梯度数量及浓度梯度也不同，这就相也不

13、同，这就相当电容的充放电当电容的充放电过程过程。+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来极间电容（结电容）极间电容（结电容）1.3 1.3 晶体二极管电路的分析方法晶体二极管电路的分析方法 二极管二极管 = PN结结 + 管壳管壳 + 引线引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极-一、晶体二极管模型一、晶体二极管模型 1. 二极管结构二极管结构(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用

14、于检波和变频等高频电路N型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝(3) 平面型二极管平面型二极管 用于集成电路制造工艺中用于集成电路制造工艺中PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中于高频整流和开关电路中(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路SiO2正 极 引 线负 极 引 线N型 硅P型 硅负 极 引 线正 极 引 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座2. 晶体二极管型号晶体二极管型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：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

15、同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。 3. 晶体二极管的晶体二极管的V-A特性曲线特性曲线 硅：硅：0.5 V 锗：锗： 0.1 V(1) 正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2) 反向特性反向特性死区死区电压电压iu0击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗 硅：硅：0.7 V

16、 锗：锗：0.3V二二. 晶体二极管电路的分析计算晶体二极管电路的分析计算例：例：IR10VE1k) 1(eTSUuIiD非线性器件非线性器件iu0iuRLC线性器件线性器件Riu 二极管的模型二极管的模型iuDU+-uiDUDU串联电压源模型串联电压源模型DUu DUu U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。理想二极管模型理想二极管模型ui正偏正偏反偏反偏-+iu导通压降导通压降二极管的二极管的VA特性特性-+iuiu0简化电路模型简化电路模型折线法折线法 线性化线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰当的元件进行等效，建立相应的模型。

17、（1）理想二极管模型：相当于一个理想开关，正偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大，电流为零。（2）理想二极管串联恒压降模型：二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。该模型提供了合理的近似，用途广泛。注意：二极管电流近似等于或大于1mA正确。（3）折线模型：修正恒压降模型，认为二极管的管压降不是恒定的，而随二极管的电流增加而增加，模型中用一个电池和电阻 rD来作进一步的近似，此电池的电压选定为二极管的门限电压Uth，约为0.5V，rD的值为200欧姆。由于二极管的分散性，Uth、rD的值不是固定的。小信号电路模型小信号电路模型如果二极管在它的V-I特性的某一

18、小范围内工作，例如静态工作点Q（此时uD=UQ、iD=IQ）附近工作，则可把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是所求的小信号模型的微变电阻rj。晶体二极管模型不同，采用的分析方法也有所不同，晶体二极管模型不同，采用的分析方法也有所不同， 对一般的二极管电路我们可以有以下分析方法：对一般的二极管电路我们可以有以下分析方法： 利用伏安特性方程和电路方程联立求解；利用伏安特性方程和电路方程联立求解； 利用伏安特性曲线求解的图解分析法；利用伏安特性曲线求解的图解分析法；（自学）（自学） 简化分析法：利用二极管简化模型分析电路；简化分析法：利用二极管简化模型分析电路； 微变等效电路分析法：将电路中的

19、二极管用微变微变等效电路分析法：将电路中的二极管用微变 等等效电路模型代替后来分析电路，常用于交流信效电路模型代替后来分析电路，常用于交流信 号电路中。号电路中。晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法二极管的近似分析计算举例二极管的近似分析计算举例IR10VE1kIR10VE1k例例1：串联电压源模型串联电压源模型mA3 . 9K1V)7 . 010(I测量值测量值 9.32mA相对误差相对误差00002 . 010032. 99.332. 9理想二极管模型理想二极管模型RI10VE1kmA10K1V10I相对误差相对误差0000710032. 932. 9100.7V思考：如果二极管等

20、效电路中的电阻不能忽略？例例2：二极管构成的限幅电路如图所示，二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为，输入信号为ui。 (1)若若 ui为为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo+-+UIuREFRiuO解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。 采用理想二极管串联电压源模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。mA2k12VV4REFiRUuIV2REFoUumA31k1V702VV4DREFi.RUUuI2.7V0.7VV2DR

21、EFoUUu（2）如果）如果ui为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图（的交流三角波，波形如图（b）所）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。型分析电路并画出相应的输出电压波形。+-+UIuREFRiuO解：解：采用理想二极管采用理想二极管模型分析。波形如图所示。模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot思考：若UREF=0V，ui为正弦波，示意性画出输出波形图。P3002.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用串联电压源模型采用串联电压源模型分析，波形如图所示。分析，波形如图

22、所示。+-+UIuREFRiuO 思考：思考： 1. 电路中出现多个二极管，怎样分析？自学电路中出现多个二极管，怎样分析？自学P28例例2 2. 电路中交直流并存，如何分析？自学电路中交直流并存，如何分析？自学P28例例2 3. 自学整流电路，掌握半波整流、全波整流和桥式整自学整流电路，掌握半波整流、全波整流和桥式整 流电路特点、工作原理、输出波形特征。流电路特点、工作原理、输出波形特征。PNVDD1VDD2UORLR1 k 3 k IOI1I215 V12V练习练习1 试求左图硅二极管电试求左图硅二极管电路中电流路中电流 I1、I2、IO 和输出和输出电压电压 UO 值。值。5.1k- -+ui+-2V+-VD24V- -+ +uOVD1练习练习2 试分析试分析右图所示硅右图所示硅二二极管电路极管电路(1) 画出电压传输特性曲线；画出电压传输特性曲线；(2) 已知已知 ui10sin10sin t (V)(V)，画出画出 ui 和和 uo 的波形的波形。当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在反向击穿状态下反向击穿状态