2半导体二极管及其基本电路(精)

1、(5)軽拟电孑半导体二伍管及英爱本电路主讲：宋文妙2.1半导体基本知识2.2PN结的形成及特性2.3半导体二极管2.4二极管基本电路及其分析方法2.5特殊二极管2. 1半导体的基本知识(5)経拟电孑-半导体二相管及典爱本电路主讲：宋文妙(5)軽拟电孑半导体二伍管及英爱本电路主讲：宋文妙一、半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、 绝缘体和半导体。半导体的导电能力介于导体、绝缘体之间，其导电性能还有其独特的特点。常用的半导体材料有：元素半导体：硅(Si)和错( (Ge)化合物半导体：碎化镑(GaAs)等。( (S) )倏拟电孑半导体二紐龟氏童基本电路主讲：宋文妙二、半导体共价键结

2、构(硅)硅和错是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它 们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些 原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图(b)共价键结构图图2 1硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(5)栈拟电孑- 半导体二相管冬典基本电路主讲：宋文妙三、本征半导体、空穴及其导电作用1本征半导体一完全纯净、结构完整的半导体晶体(化学 成分纯净)。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”。在绝对温度T=OK时，所有的 价电子都被共价键紧紧束缚在共 价键中，不会成为自由电子，

3、因 此本征半导体的导电能力很弱， 接近绝缘体。II(a)硅晶体的空间排本征半导体的共价键结构可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加能量越高（温度越高），产生的 电子空穴对越多。与本征激发相反的现象一一复合在一定温度下，本征激发和复合 同时进行，达到动态平衡。电子空穴 对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：14X1（）错：2.5xlO7cm3（5焯.拟电孑半导体二租爸及典墓本电路主讲：宋文妙图2 2本征激发过程半导体二租爸及典墓本电路主讲：宋文妙(5)横拟.电孑半导体二幅龟氏負瘗本电路主讲：宋文妙自由电子的定向运 动形成了电子电流， 空 穴的定向运动也可形成 空穴电流，它们的方向 相

4、反。只不过空穴的运 动是靠相邻共价键中 ( 价电子依次充填空科 实现的。I小结：晶体中存在着两种导电的离子(电子、空穴)4导电机理自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向 运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空 穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来 实现的。在外加电场的作用下，电子和空穴会产生定向移动，形成电流而导电。自由电子带负电荷电子流 载流子-空 穴带正电荷空穴流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。(5)横拟.电孑-半导体二幅龟氏負瘗本电路主讲：宋文妙3.空穴的移动由于热激发 而产生的自 由电子总电流/ JL图2 3空穴在

5、晶格中的移动自由电子移走后而留下的空穴他拟电孑半导体二伍脅殳典參本电路主讲：宋文妙四.杂质半导体(1)P型半导体(2)N型半导体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)他拟电孑-半导体二血您及典基本电路主讲：宋文妙I.P型半导体p型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素(如硼、镰、锢等)形成P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子 在与硅原子形成共价键时，缺少一个价 电子而在共价键中留下一个空穴。p型半导体十空穴是多数载流子,主 要由掺杂形成；电子是少数载流子，由 热激发形成。空穴很容

6、易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为 QO OOO空 a电子空穴对受主离子(5)他拟电孑半导体二松倚氏童瘗本电路主讲：宋文妙受主杂质。(5)他拟电孑半导体二松倚氏童瘗本电路主讲：宋文妙2. N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素 (如磷)，可形成N型半导体，也称电子 型半导体。因五价杂质原子中只有四个 价电子能与周围四个半导体原子中的价 电子形成共价键，而多余的一个价电子 因无共价键束缚很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载 流子，它主要由杂质原子提供；空穴是 必载流壬由热畑歿成提供自由电子的五价杂质原子因带 正电荷而成为正离子，因此五价杂质 原子也称为施主杂质。

7、(5)他拟电孑半导体二松倚氏童瘗本电路主讲：宋文妙2.2 PN结的形成及特性杂质半导体的示意图少子浓度与温度有关，与掺杂无关多子浓度与温度无关,与掺杂有关(5)他拟电孑-半导体二松倚氏童瘗本电路p型半导体0O0O0O0ON型半导体N型半导体主讲：宋文妙他拟电孑半导体二相管及英墓本电路主讲：宋文妙1 PN结的形成在一块本征半导体在两侧通 过扩散不同的杂质， 分别形成P型 半导体和N型半导体。 此时将在P型半导体和N型半导体的结合面 上形成如下物理过程：两侧载流子存在浓度差多子扩散运动:空穴：PN；电子 NTP空穴和电子产生复合杂质离子不移动形成空间电荷区吝问由若氏形成肉由垛阻止多子扩散运动扩散和

8、漂移达 形成仝间电荷区形成内电场促进少子漂移运动 到动态平衡醫舊(5)軽拟电孑-半导体二相管及英墓本电路主讲：宋文妙2. PN结的单向导电性(1)加正向电压(正偏)电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场耗尽层变窄扩散运动 漂移运动多子扩散形成正向电流ZF空间电荷区PN结/耗尽层 OOOO 。二。二。二。二。二二二二。.。畑：(5)他拟电孑-半导体二伍管及典基本电路主讲：宋文妙PN结的单向导电性PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈 现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈 现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN 结具

9、有单向导电性。半导体二他脅/3.典基本电路主讲：宋文妙(2)加反向电压(反偏)电源正极接N区，负极接P区外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场-耗尽层变宽-漂移运动 扩散运动-少子漂移形成反向电流/R在一定的温度下，由 本征激发产生的少子浓度是一定的，故/R基本上与外加反压的大小无关，所 以称为反向饱和电流。但 /R与温度有关。空间电荷区茄QOG)|I；O 内战-PN结的伏安（K-7）特性PN结的伏妥特性是指在PN结两端外加电压时，通过PN结 的电流大小与外加电压之间关 系的特性。如图所示（硅二极 管PN结）.根据理论推导， 二极管的 伏安特性曲线可用下式表示：式中人为反向饱和电流，卩

10、为外加电压，VgT/qVgT/q称为 温度的电压当量，为玻耳兹曼常数，彳为电子电荷量，卩为 热力学温度。对于室温（相当r=300 K）,则有 VT=26mVo半导体二紐龟氏电瘗本电路主讲：宋文妙 槿拟电孑-半导体二他脅及典基本电路主讲：宋文妙3 PN的反向击穿h反向击穿（多子扩散）反向饱和电流消耗功率大 于耗散功率PN结损坏消耗功率小于PN结两端反向电压增加 到一定数值时，反向电 流突然增加，这种现象 称为反向击穿齐纳击穿雪崩击穿反偏L（少子漂移）(5)俺拟电孑半导体二紙龟比缺瘗本电路主讲：宋文妙2 .3半导体二极管一、半导体二极管的结构结构：二极管N PN结+管壳+引线PN二极管常见的几种结

11、构1.点接触型二极管PN结面积小， 结电 容小，用于检波和 变频等高频电路。正极引线负极引线N型错阳极符号:阴极(负极)(5)槿拟电孑-半导体二他脅2典基本电路主讲：宋文妙(5)俺拟电孑半导体二紙龟比缺瘗本电路主讲：宋文妙PN结面积大， 用于工频大电 流整流电路.3.平面型二极管用于集成电路制造工 艺中.PN结面积可 大可小，用于高频整 流和开关电路中。半导体二紐龟氏直瘗本电路主讲：宋文妙半导体二紐龟氏直瘗本电路 主讲：宋文妙N型硅负极引线S1O2正极引线铝合金小球P型硅N型硅负极引线正极引线7/必型硅常见的半导体二极管亠亠亠亠亠亠亠亠亠 亠亠.亠亠亠厶 (5)後拟电孑-半导体二血您及典基本电

12、路主讲：宋文妙半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9I I I L用数字代表同类器件的不同规格. 代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管.代表器件的材料，A为N型Gt, B为P型Ge, C为N型Si, D为P型Si 2代表二极管，3代表三极管.(5)後拟电孑-半导体二租管及典基本电路主讲：宋文妙修拟电孑半导体二幅龟氏电瘗本电路主讲：宋文妙说明：1.二极管与PN结伏安特性的区别二者均具有单向导电性，但由于二极管存在半导体体 电阻和引线电阻，正向偏置在电流相同的情况下，二极管 端电压大于PN结的端电压，或者说在相同正向偏置下，二 极管电流小于PN结电流；另外

13、，二极管表面存在漏电流， 其反相电流增大。2.温度对二极管伏安特性的影响二极管的特性对温度很敏感，环境温度升高时，二极 管正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。 経拟电孑-半导体二相管及典基本电路主讲：宋文妙三、二极管的主要参数1最大整流电流/尸 二极管长期连续工作时，允许通过二极管 的最大整流电流的平均值。2反向击穿电压人姑 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压R。最高反向工作电压 VR、：为安全计，在实际工作时，最大反向 工作电压VRM般为反向击穿电压 VBR的一半。3反向电流/管子在未击穿时的反向电流，其值愈小，管子的 单向导电性越好。反向电流随温度升高而增加。4.极间

14、电容势垒电容外加电压时，二极管PN结空间电荷区中的电荷量随外加电压变化 而改变，这显示了电容效应，这个电容称为势垒电容（CJ扩散电容在多数载流子的扩散过稈中，由外加电用的改变引起扩散区内积 累电荷量的变化而产生的电容效应，势垒电容和扩散电容的大小与外加偏置电压的大小有关，所以它们是一种 非线性电容，它们都很小，对低频影响不大，但在高频应用时，必须考虑。半导体二幅龟氏电瘗本电路主讲：宋文妙；o；e(QICIDID1:;：:；;1 ._使耗尽层变宽空间电荷量增加使耗尽层变窄空间电荷量减少相当于充电相当于放电半导体二幅龟氏电瘗本电路主讲：宋文妙这个电容称为扩散电增加11I_外加正向2. 4二极管基本

15、电路及其分析方法一、二极管正向 V-I 特性模型1理想模型（电源电压 管压降）特点：正偏时，管压降为UV：反偏时，电阻无穷大，电流为0。2恒压降模型（iuNlmA）应用广特点：二极管导通后，其管压降是恒定的，不随电流而变， 典型值为0 7V。（5）繼拟电孑-半导体二松隽氏童瘗本电路主讲：宋文妙4小信号模型（指数模型）/亠5 J1%叫U aW_ 10小信号模型特点：在小范围工作时，将V I特性曲线看成一条直线，其斜率的倒数即为小信号模型的微变电阻口二极管的匕/特性表达式:取D对的微分，可得微变电导（5）繼灰乂电孑-半导体二相省2典基本电路主讲：*/+rn一6 纠 Y理想模型压降1 !/ + %

16、-J U(-_|0k VDT*恒压降模型工岭匕工工（在 Q 点上）(当 r=300K 时)J_ 与26(mV)二、模型分析法应用举例1.二极管静态工作点分析例：电路如图所示，R=10K,当VI）D=10V和IV时，分别求电 路的 ID和 VD值。分别用理想模型、恒压降模型和折线模型。V1)D=1VIV理想模型：VD= OV ZD= VDD/R = 0恒压降模型：Vn=0.7VK= (V_ - V V/? =1V0 7V= 0.03/nA A结论：电源电压管压降时，恒压降模型能得出较合理的结果；电源电压较小时，折线模型较为合理。他拟电孑- 半导体二相帝及典參本电路主讲：宋文妙解：（1）vDD=i

17、ov理想模型：vn=ov=ImA恒压降模型：10V-0.7V10KQ=0.93mA他拟电孑- 半导体二相帝及典參本电路主讲：理想模型：Vn= OV10V10KC=Im A恒压降模型：VD= 0.7VX%-%加斗誥.93弼10V10KC(5)後拟电孑-半导体二相参彳典基本电路主讲：宋文妙2.限幅电路例：图示二M管限幅电路，/? =Ik,VREF=2V,输入信号为若勺为4V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型 计算电流/和输出电压解：理想模型R Rlk% =VREF= 2V恒压降模型OIZZI -+ R D乙V VRI：F土7_T-O4-%REF+ VD=2V+0 7V=2 7V後拟电孑-半导

18、体二松龟氏金瘗本电路主讲：宋文妙(2)如果勺为幅度4V的交流三角波，波形如图( (b)所示，分别采用理 想二M管模型和恒压降模型分析电路并画出相应的输出电压波形.viREF+匕n时，二极管正偏 导通，相当于短路，Vo=REF+on()槿拟电孑-半导体二租修鱼典基本电路主讲：宋文妙3.开关电路：(二极管导通：开；截止：关)判断二极管导通还是截止的原则：先将二极管靳开，然后观察或计算二极管正.负两极间是正向电压还是反向 电压，若正向则导通，否则截止。例：图示开关电路，当和为0V或5V时，求和的值不同组合情况下，输出电压的值，设二极管是理想的。(5)他拟电孑-半导体二租修2典基本电路主讲：宋文妙%D

19、|I2VO0V0V通通0V恒压降模型(波形如图所示).=O+D乙(5)槿拟电孑-半导体二机笔氏电瘗本电路主讲：宋文妙4.整流电路当儿为一正弦信号时，画出输出波形：解： 勺0时，D2 D4导通，D、D?截止; 卩产0时，D、D3导通，D2 D4截止;2. 5特殊极管一、稳压二极管稳压二极管是工作在反向击穿区的一种特殊二极管(伏安特性如图).当稳压二极管工作在反向击穿状 态下，工作电流1乃在I沁x和Gn之间 变化时，其两端电压近似为常数。由于稳压二极管工作在反向击穿区，故二极管一般反向接入电路。(5)槿拟电孑-半导体二相脅及典基本电路主讲：宋文妙反偏电压NV力 反向击穿。(5)他拟电孑半导体二炬殓氏扯瘗本电路主讲：宋文妙稳压二极管的主要参数1.稳定电压v v7 7流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流乙越大稳压效果越好，小于爲mln时不稳压。3最大耗散功率PzM；最大工作电流/ZM( (zmax) )P ZM