二极管及其基本电路

1、二极管及其基本电路（3-2）3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 半导体材料半导体材料 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用 杂质半导体杂质半导体（3-3） 3.1.1 半导体材料半导体材料 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，来划分导体、绝缘的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。体和半导体。导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶

2、瓷、塑料和石英。、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体。之间，称为半导体。典型的半导体有硅典型的半导体有硅Si和锗和锗Ge以及砷化镓以及砷化镓GaAs等。等。（3-4） 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4价价电电子子共共价价键键（3-5） 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子

3、空穴空穴T 电子空穴对电子空穴对由热激发而产生由热激发而产生的自由电子和空穴对。的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动是靠空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填相邻共价键中的价电子依次填充充空空穴来实现的。穴来实现的。本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。（3-6）本征半导体中载流子的浓度本征半导体中载流子的浓度在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。子与空穴的浓度相等。本征半导体中载流子的浓度公式：本征半导体

4、中载流子的浓度公式：T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.431010/cm3本征锗的电子和空穴浓度本征锗的电子和空穴浓度: : n = p =2.381013/cm3ni=pi=K1T3/2 e -EGO/(2KT)本征激发本征激发复合复合动态平衡动态平衡（3-7） 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可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三价或五价

5、元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。导体。 N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。（3-8）一、一、 N 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如价杂质元素，如磷磷、锑、砷等，即构成、锑、砷等，即构成 N 型半导体型半导体( (或称电子型或称电子型半导体半导体) )。（3-9）二、二、 P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+

6、4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成镓、铟等，即构成 P 型半导体。型半导体。+3空穴浓度多于电子浓空穴浓度多于电子浓度，即度，即 p n。空穴为多。空穴为多数载流子，电子为少数载数载流子，电子为少数载流子。流子。3 价杂质原子称为受主价杂质原子称为受主原子。原子。受主受主原子原子空穴空穴（3-10）说明：说明：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。数载流子的浓度。3. 杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半

7、导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体（3-11）杂质对半导体导电性的影响：杂质对半导体导电性的影响： 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下，一些典型的数据如下: : T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征

8、硅的原子浓度:3以上三个浓度基本上依次相差约以上三个浓度基本上依次相差约106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 4.961022/cm3 （3-12）3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结的反向击穿结的反向击穿 PN结的电容效应结的电容效应 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散（3-13） 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散漂移运动：漂移运动： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动：扩

9、散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。（3-14） 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺型半导体，另一侧掺杂成为杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为，称为 PN 结。结。 PNPN结结一、一、PN 结的形成结的形成PN结的形成结的形成（3-15） PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1. 扩散运动扩散运动2. 扩散运动形扩散运动形成空间电荷区成空间电荷区电子和空穴浓电子和

10、空穴浓度差形成多数载流度差形成多数载流子的扩散运动。子的扩散运动。 PN 结，耗结，耗尽层。尽层。PN（3-16）3. 空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒；电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。阻挡层。4. 漂移运动漂移运动内电场有利于内电场有利于少子运动少子运动漂移。漂移。 少 子 的 运 动少 子 的 运 动与多子运动方向与多子运动方向相反相反 阻挡层阻挡层（3-17）5. 扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电

11、荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流等于零，空结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。间电荷区的宽度达到稳定。对称结对称结即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PN不对称结不对称结（3-18）1、 外加正向电压时处于导通状态外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区

12、变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。PN什么是什么是PN结的单向导结的单向导电性？电性？有什么作用？有什么作用？（3-19）在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2、外加反向电压时处于截止状态外加反向电压时处于截止状态( (反偏反偏) )反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利

13、于漂移运动，漂移电流大于扩散电流不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流，电路中产生反向电流 I ；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。（3-20）耗尽层耗尽层反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，随着温度升高， IS 将急剧增大。将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS（3-21）当当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，电流， PN 结处于结处于 导通状态；导通状态；

14、当当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，几乎等于零， PN 结处于截止状态。结处于截止状态。综上所述：综上所述：可见，可见， PN 结具有单向导电性。结具有单向导电性。（3-22）) 1e (STDVvDIiIS ：反向饱和电流；：反向饱和电流；VT ：温度的电压当量：温度的电压当量在常温在常温( (300 K) )下，下，V-I 特性表达式特性表达式PN结所加端电压结所加端电压u与流过的电流与流过的电流i的关系为的关系为) 1e (SKTqvDDIimVVqKTVT26026. 0106 . 13001038. 11923（3-23）3.

15、2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿i = f ( (u ) )之间的关系曲线。之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/ mAu / V正向特性正向特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性 当当PNPN结的反向电压增加结的反向电压增加到一定数值时，反向电流到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称突然快速增加，此现象称为为PNPN结的反向击穿。结的反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆（3-24）3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应当当PN上的电压发生变化时，上的电压发生变

16、化时，PN 结中储存的电荷量结中储存的电荷量将随将随之发生变化，使之发生变化，使PN结具有电容效应。结具有电容效应。电容效应包括两部分电容效应包括两部分势垒电容势垒电容扩散电容扩散电容1. 势垒电容势垒电容Cb是由是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。结的空间电荷区变化形成的。( (a) ) PN 结加正向电压结加正向电压（b) ) PN 结加反向电压结加反向电压 N空间空间电荷区电荷区PVRI+UN空间空间电荷区电荷区PRI+ UV（3-25）空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：势

17、垒电容的大小可用下式表示：lSUQC ddb由于由于 PN 结结 宽度宽度 l 随外加电随外加电压压 u 而变化，因此势垒电容而变化，因此势垒电容 Cb不是不是一个常数。其一个常数。其 Cb = f ( (U) ) 曲线如图曲线如图示。示。 ：半导体材料的介电比系数；：半导体材料的介电比系数；S ：结面积；：结面积；l ：耗尽层宽度。：耗尽层宽度。OuCb（3-26）2. 扩散电容扩散电容 Cd Q是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，在某个正向电压下，P 区中的电子浓度区中的电子浓度 np( (或或 N 区的空穴浓度区的空穴浓度 p

18、n) )分布分布曲线如图中曲线曲线如图中曲线 1 所示。所示。x = 0 处为处为 P 与与 耗尽耗尽层的交界处层的交界处当电压加大，当电压加大，np ( (或或 pn) )会升高，如曲线会升高，如曲线 2 所示所示( (反之浓度会降低反之浓度会降低) )。OxnPQ12 Q当加反向电压时，扩散运动被削弱，当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。扩散电容的作用可忽略。 Q正向电压变化时，变化载流子积累电荷量正向电压变化时，变化载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程发生变化，相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应。扩散电容效应。PNPN 结结（3-27）综上所述

19、：综上所述：PN 结总的结电容结总的结电容 Cj 包括势垒电容包括势垒电容 Cb 和扩散电容和扩散电容 Cd 两部分。两部分。Cb 和和 Cd 值都很小，通常为几个皮法值都很小，通常为几个皮法 几十皮法，几十皮法， 有些结有些结面积大的二极管可达几百皮法。面积大的二极管可达几百皮法。当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为用，即可以认为 Cj Cd；在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。（3-2

20、8） 3.3 半导体二极管半导体二极管在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型二极管的几种二极管的几种外形外形（3-29）1、点接触型二极管、点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 二极管的几种常见结构二极管的几种常见结构 PN结面积小结面积小，结电容小，用，结电容小，用于检波和变频等于检波和变频等高频电路。高频电路。（3-30）3、平面型二极管、平面型二极管 往往用于集成电路往往用于集成电路制造工艺中。制造工艺中。PN 结面

21、积结面积可大可小，用于高频整可大可小，用于高频整流和开关电路中。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，结面积大，用于工频大电流整用于工频大电流整流电路。流电路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底4、二极管的代表符号、二极管的代表符号(d) 代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 aD（3-31） 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20

22、 30 40iD/ AiD/mA死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的伏安伏安特性特性+iDvD-R正向特正向特性性反向特性反向特性反向击穿特反向击穿特性性开启电压：开启电压：0.5V导通电压：导通电压：0.7) 1e(STDVvDIi一、伏安特性一、伏安特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的伏安伏安特性特性UonU(BR)开启电压：开启电压：0.1V导通电压：导通电压：0.2V（3-32）二、温度对二极管伏安特性的影响二、温度对二极管伏安特性的影

23、响在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。下移。二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.020温度增加温度增加（3-33） 二极管的参数二极管的参数(1) 最大整流电流最大整流电流IF(2) 反向击穿电压反向击穿电压U（BR）和最高反向工作电压和最高反向工作电压URM(3) 反向电流反向电流I IR R(4) 极间电容极间电容Cd(5)反向恢复时间反向恢复时间TRR在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最

24、高反向在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。足要求的二极管。（3-34）3.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法 3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法（3-35）3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方

25、法，相对来说比较复杂，而图解分析法线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的则较简单，但前提条件是已知二极管的V V - -I I 特性曲线。特性曲线。（3-36）例例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电阻和电阻R，求二极管两端电压求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD 。 解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一条斜率为是一条斜率为- -1/R的直线，称为负载线的直线，称为负载线 Q的坐标

26、值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的工作点点称为电路的工作点（3-37）1、二极管、二极管V-I特性的建模特性的建模 1）理想模型）理想模型 2）恒压降模型）恒压降模型3）折线模型）折线模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法（3-38） 4）小信号模型）小信号模型)(11sDDDDvv VRRivs =0 时时, Q点称为静态工作点点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。vs =Vmsin t 时（时（VmVDD）, 将将Q点附近小范围内的点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到小信号模型特性线性化，得到小

27、信号模型，即以，即以Q点为切点的一条直线。点为切点的一条直线。（3-39） 4、小信号模型、小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。可以等效成一个微变电阻。DDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导QdvdigDDd QVvTTeVI/SD TVID dd1gr 则则DIVT 常温下（常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 二极管的微变等效电路二极管的微变等效电路（3-40）2 2、模型分析法应用举例、模型分析法应用举例1 1）整流电路）

28、整流电路（a）电路图）电路图 （b）vs和和vO的波形的波形（3-41）2 2）静态工作情况分析）静态工作情况分析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k ） 当当VDD=10V 时，时，mA 93. 0/ )(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7 . 0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型V 5 . 0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931. 0DthDDD rRVVI k 2 . 0Dr设设V 69. 0DDthD rIVV当当VDD=1V 时，时， （自学）（自学）（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习

29、惯画法 （3-42）3 3）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当求解，当vI = 6sin t V时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压vO的波形。的波形。 （3-43）4 4）开关电路）开关电路电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值的电压值解：解： 先断开先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位， 即即O点为点为0V。 则接则接D阳极的电位为阳极的电位为- -6V，接阴极的电，接阴极的电位为位为- -12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极

30、电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为- -6V。（3-44）5 5）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析图示电路中，图示电路中，VDD = 5V，R = 5k ，恒压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sin t V。（。（1）求输出）求输出电压电压vO的交流量和总量；（的交流量和总量；（2）绘出）绘出vO的波形。的波形。 直流通路、交流通路、静态、动态等概直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。念，在放大电路的分析中非常重要。（3-45）3.5 稳压二极管稳压二极管一、稳压管的伏安特性一、稳压管的伏安特性(a)符号符号(b)2CW17 伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。DZ（3-46）(1) 稳定电压稳定电压UZ(