第一章 半导体二极管及其基本电路

1、1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.2 半导体二极管半导体二极管内容简介习题解答 半导体器件是现代电子电路的重要半导体器件是现代电子电路的重要组成部分。本章简要地介绍半导体的基组成部分。本章简要地介绍半导体的基础知识，讨论半导体的核心环节础知识，讨论半导体的核心环节PN结，结，阐述了半导体二极管的工作原理、特性阐述了半导体二极管的工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路和曲线和主要参数以及二极管基本电路和分析方法。分析方法。内容简介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、绝的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。缘体和半

2、导体。 导导 体体：109cm 半导体半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。：导电性能介于导体和绝缘体之间。 2. 半导体的半导体的材料材料 典型的半导体元素有典型的半导体元素有硅硅Si和和锗锗Ge . 3.本征半导体本征半导体 化学成分纯净、结构完整的半导体。化学成分纯净、结构完整的半导体。4.杂质半导体杂质半导体 杂质半导体杂质半导体：在本征半导体中参入微量的杂质在本征半导体中参入微量的杂质形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导形成的半导体。根据参杂元素的性质，杂质半导体分为体分为P P型（空穴型）半导体和型（空穴型）半导体和N N型（电子型）半型（电子型）半导体。由于参杂的影响，会使

3、半导体的导电性能导体。由于参杂的影响，会使半导体的导电性能发生显著的改变。发生显著的改变。 ：在本征半导体中参入微量三价元在本征半导体中参入微量三价元素的杂质形成的半导体，常用的三价元素的杂质素的杂质形成的半导体，常用的三价元素的杂质有硼、铟等。有硼、铟等。P P型半导体型半导体 ：在本征半导体中参入微量五价元在本征半导体中参入微量五价元素的杂质形成的半导体，常用的三价元素的杂质素的杂质形成的半导体，常用的三价元素的杂质有磷、砷和锑等。有磷、砷和锑等。N N型半导体型半导体 在在N N型半导体中，自由电子为多数载流子，而型半导体中，自由电子为多数载流子，而空穴为少数载流子。空穴为少数载流子。

4、：既然：既然P P型半导体的多数载流子是空型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，所以，穴，少数载流子是自由电子，所以，P P型半导体型半导体带正电。此说法正确吗？带正电。此说法正确吗？思考题思考题二二.PN.PN结的单向导电性结的单向导电性 正偏与反偏正偏与反偏：当外加电压使：当外加电压使PN结中结中P区的电位区的电位高于高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称正偏；反，简称正偏；反之之称为加反向电压，称为加反向电压，简称反偏。简称反偏。 一一.PN.PN结的形成结的形成 本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, ,分别分别形成形成

5、P型半导体和型半导体和N型半导体。将在型半导体。将在P型半导体和型半导体和N型半导体的结合面上形成的型半导体的结合面上形成的. .（见图（见图 下一页）下一页）5. PN结结 五、五、PN结及其单向导电性结及其单向导电性1、PN结结 把把P型半导体和型半导体和N型半导体用特殊的工艺使其结型半导体用特殊的工艺使其结合在一起，就会在交界处形成一个特殊薄层，该薄合在一起，就会在交界处形成一个特殊薄层，该薄层称为层称为“PN结结”。PN结1.1.PNPN结加正向电压结加正向电压 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，向扩散电流， PN结导通。其

6、示意图如结导通。其示意图如 图图图图图图1.1.71.1.71.1.7所示。所示。Home2. PN2. PN结加反向电压结加反向电压 PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，向漂移电流，PN结截止。其示意图如结截止。其示意图如 图图图图图图1.1.81.1.81.1.8所示。所示。3. PN3. PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压（反偏）时截止的特性，称为（反偏）时截止的特性，称为PN结的单向导电性结的单向导电性。4、PN结的单向导电性结的单向导电性动画（1

7、）PN结加正向电压，结加正向电压，PN结导通。结导通。（2）PN结加反向电压，结加反向电压，PN结截止。结截止。 PN PN结加正向电压导通，加反向电压截止，结加正向电压导通，加反向电压截止，这就是这就是PNPN结的结的“单向导电性单向导电性”结论：2. PN2. PN结的正向特性结的正向特性HomeNextBack 死区电压死区电压Vth硅材料为硅材料为0.5V左右；锗材料左右；锗材料为为0.2V左右。左右。 导通电压导通电压Von硅材料为硅材料为0.60.7V左右；左右；锗材料为锗材料为0.20.3V左右。左右。Is=10-8AVT=26mVn =2死区电压死区电压导通电压导通电压图图1.

8、1.9 PN结的正向特性结的正向特性3. PN3. PN结的反向特性结的反向特性HomeNextBack 反向电流：反向电流： 在一定温度下，在一定温度下，少子的浓度一定，少子的浓度一定，当反向电压达到当反向电压达到一定值后，反向一定值后，反向电流电流IR 即为反向即为反向饱和电流饱和电流IS，基，基本保持不变。本保持不变。 反向电流受温反向电流受温度的影响大。度的影响大。-IS图图1.1.10 PN结结的反向特性的反向特性锗管锗管硅管硅管4. PN4. PN结的反向击穿特性结的反向击穿特性HomeNextBack 反向击穿反向击穿：当当反向电压达到一反向电压达到一定数值时，反向定数值时，反向

9、电流急剧增加的电流急剧增加的现象称为反向击现象称为反向击穿（穿（电击穿电击穿）。）。若不加限流措施，若不加限流措施，PN结将过热而损结将过热而损坏，此称为坏，此称为热击热击穿穿。电击穿是可。电击穿是可逆的，而热击穿逆的，而热击穿是不可逆的，应是不可逆的，应该避免。该避免。图图1.1.11 PN结的结的反向击穿特性反向击穿特性VBRHomeNext1. 1.半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分管按结构分有点接触型、面接触型和平面型有点接触型、面接触型和平面型三大类。三大类。一一. 点接触型二极

10、管点接触型二极管 PN结面积小，结面积小，结电容小，用于检结电容小，用于检波和变频等高频电波和变频等高频电路。路。(a)(a)点接触型点接触型 图图1.2.1 二极管的结构示意图二极管的结构示意图HomeNext二二. 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，结面积大，用于工频大电流用于工频大电流整流电路。整流电路。(b)(b)面接触型面接触型图图1.2.1 二极管的结构示意图二极管的结构示意图BackHomeNext三三. 平面型二极管平面型二极管 往往用于往往用于集成电路制造艺集成电路制造艺中。中。PN 结面积结面积可大可小，用于可大可小，用于高频整流和开关高频整流和开关电路中。电路中

11、。(c)(c)平面型平面型图图1.2.1 二极管的结构示意图二极管的结构示意图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BackHomeNext四四. 二极管的图形符号二极管的图形符号Back 图图1.2.2 二极管的符号二极管的符号k k阴极阴极阳极阳极a a2. 2.半导体二极管的半导体二极管的V-I特性特性 二极管的特性与二极管的特性与PN结的特性基本相同，也分正向特性、结的特性基本相同，也分正向特性、反向特性和击穿特性。其差别在于二极管存在体电阻和引反向特性和击穿特性。其差别在于二极管存在体电阻和引线电阻，在电流相同的情况下，其压降大于线电阻，在电流相同的情况下，其压

12、降大于PN结的压降。结的压降。在此不再赘述在此不再赘述。HomeNextBack图图1.2.3 半导体二极管图片半导体二极管图片3.3.半导体二极管的参数半导体二极管的参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IFM（最大正向平均电流）（最大正向平均电流）(1) 最大反向工作电压最大反向工作电压URM 为为U(BR) / 2 (1) 反向电流反向电流IR （二极管加（二极管加最大反向电压时的电流，最大反向电压时的电流，越小单向导电性越好越小单向导电性越好）图图1.2.4 二极管的高频二极管的高频等效道路等效道路本讲主要介绍了以下基本内容：本讲主要介绍了以下基本内容： PNPN结形成：结形成： PN

13、PN结的单向导电性：正偏导通、反偏截结的单向导电性：正偏导通、反偏截止止 PNPN结的特性曲线：结的特性曲线： 正向特性：死区电压、导通电压正向特性：死区电压、导通电压 反向特性：反向饱和电流、温度影响大反向特性：反向饱和电流、温度影响大 击穿特性：电击穿（雪崩击穿、齐纳击穿）、击穿特性：电击穿（雪崩击穿、齐纳击穿）、4. 4. 二极管的等效模型电路二极管的等效模型电路（1）理想模型）理想模型图图1.2.5 二极管的理想等效模型二极管的理想等效模型正偏时：正偏时：uD=0,RD=0;反偏时：反偏时：iD=0, RD= 。 相当于一理相当于一理想电子开关。想电子开关。HomeNextBackHo

14、meNext（2）恒压降模型）恒压降模型Back 正偏时：正偏时：uD=Uon,RD=0; 反偏时：反偏时：iD=0, RD= 。 相当于一理相当于一理想电子开关想电子开关和恒压源的和恒压源的串联。串联。图图1.2.6 二极管的恒压降等效模型二极管的恒压降等效模型HomeNext（3）折线型模型）折线型模型Back 正偏时：正偏时：uD=iDrD+UTH; 反偏时：反偏时：iD=0, RD= 。 相当于一理相当于一理想电子开关、想电子开关、恒压源和电恒压源和电阻的串联。阻的串联。图图1.2.7 二极管的折线型等效模型二极管的折线型等效模型HomeNext（4 4）小信号模型）小信号模型 二极管

15、工作在正向特二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个正向特性可以等效成一个微变电阻。微变电阻。BackDDdivr 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 dd1gr 则则DIVT 常温下常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 图图1.2.8 二极管的小信号等效模型二极管的小信号等效模型HomeNext5. 5.二极管基本电路及模型分析法二极管基本电路及模型分析法（1）二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析BackID+VD-R 10K +VD

16、D20VID+VD-R 10K +VDD20VID+VD-R 10K +VDD20V+Von(a) 原电路原电路(b) 理想模型电路理想模型电路(c) 恒压降模型电路恒压降模型电路图图1.2.9 例例1.2.1的电路图的电路图解：解：（1）理想模型，）理想模型，VD=0，则则mAKRVVIDDDD210020（2）恒压降模型，）恒压降模型，VD=0.7V，则则mAKRVVIDDDD93. 1107 . 020例例1.2.1 求图求图1.2.9（a）所示电路的硅二极管电流）所示电路的硅二极管电流ID和电压和电压VD。HomeNext（2）二极管限幅电路二极管限幅电路Back解：请观看仿真波形解：

17、请观看仿真波形!ID+vo-R 10K +vi20V图图1.2.10 例例1.2.2 电路图电路图VREF 例例1.2.2 如图如图1.2.10 所示电路。所示电路。试画出试画出VREF分别为分别为0、10V时时的波的波形。其中形。其中vi=10sin tV。（3） 二极管开关电路二极管开关电路 例例1.2.3 如图如图1.2.11 所示电路。所示电路。试求试求VI1、VI2为为0和和+5V时时V0的值的值 。R 10K V0Vcc +5V图图1.2.11 例例1.2.3 电路图电路图VI1VI2D1D2000+5V0 0 0 +5V +5V 0 +5V +5VV0VI1 VI2 HomeNe

18、xt（1）稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性Back 稳定电压稳定电压VZ 稳定电流稳定电流IZ（ IZmin 、IZmin ） 额定功耗额定功耗PZM 动态电阻动态电阻rZ 温度系数温度系数 图图1.2.12 稳压管的稳压管的 伏安特性伏安特性6. 6.稳压二极管稳压二极管（2）稳压二极管的主要参数）稳压二极管的主要参数 利用二极管反向击穿特性实现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稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。其伏安特性如图向电击穿状态。其伏安特性如图1.2.12所示。所示。HomeNext（3）稳压二极管构成的稳压电路稳压二极管构成的稳压电路Bac

19、k 例例1.2.4 设计如图设计如图1.2.13 所示所示稳压管稳压电路，已知稳压管稳压电路，已知VO=6V， 输入电压输入电压VI 波动波动 10%， RL=1k 。 + R - IR + - RL IL VO VI IZ DZ 图图1.2.13 稳压管稳压电路稳压管稳压电路解：解：（1）选择）选择DZ ：mAARVIIVVVLLZOZ)1812(10006)32()32()32(6min0maxmax 查手册，查手册，选择选择DZ 为为2CW13，VZ =(56.5V) ， IZmax=38mA, IZmin=5mAHomeNextBack（2）选择限流电阻）选择限流电阻R：）（标标称称系系列列值值：。可可取取标标称称值值取取91,82,75,68,62,56,51,47,43,39,36,33,30,27,24,22,20,18,16,15,13,12,11,10470)(6821000/61056%)101(15)(2411000/610386%)101(1515,)1812(3minminmax3maxmaxmin RIIVVRIIVVRVVVVVOZOIOZOIIOI HomeNext（1）发光二极管发光二极管Back 外加反向电压，无光照时外加反向电压，无光照时的反向电流称之为暗电流；有的反向电流称之为暗电流；有光照时的