第2章二极管及其典型应用

1、1/137电子技术（模拟部分）2/137北京市精品课程教学网站3/jxjd/moniliu/wl/index.html3/137l平时平时 1010分分l研究报告研究报告 1010分分l实验实验 1515分分l期中考试期中考试 1515分分 l期末考试期末考试 5050分分考核方法考核方法下周各自然班班长到九教五楼电子实验室找佟老师下周各自然班班长到九教五楼电子实验室找佟老师商量本学期电子实验的安排。商量本学期电子实验的安排。4/137答疑答疑l平时答疑时间：自定平时答疑时间：自定 l期末答疑时间：待定期末答疑时间：待定5/137第第1章章 绪论绪论一、基

2、本概念一、基本概念二、模拟电子技术课程特点二、模拟电子技术课程特点三、电子技术主要应用三、电子技术主要应用四、电子技术的发展四、电子技术的发展6/137一、基本概念电子器件：电子器件：组成电子电路的基本物理单元叫做电组成电子电路的基本物理单元叫做电子器件，简称器件。器件有分立器件和集成电路子器件，简称器件。器件有分立器件和集成电路器件两种。器件两种。7/137l 电子电路：电子电路：由电子器件按一定规律和要求组成的由电子器件按一定规律和要求组成的系统叫做电子电路系统叫做电子电路(或简称电路或简称电路)，电路可以实现一，电路可以实现一定的功能。定的功能。l 电子技术概念：电子技术概念：研究电子器

3、件与电路系统分研究电子器件与电路系统分析、设计、制造的工程实用技术。析、设计、制造的工程实用技术。8/137电子电路分类：电子电路分类：模拟电子电路和数字电子电路。模拟电子电路和数字电子电路。模拟电路：模拟电路：对模拟量进行处理的电路，最基本的对模拟量进行处理的电路，最基本的处理是放大。处理是放大。数字电路数字电路：对数字量进行处理的电路。：对数字量进行处理的电路。9/137电子技术分类电子技术分类模拟电子技术模拟电子技术数字电子技术数字电子技术低频模拟电子技术低频模拟电子技术高频模拟电子技术高频模拟电子技术电子技术的基础知识电子技术的基础知识: (1)电路理论电路理论(2)信号与系统理论。信

4、号与系统理论。模拟电子技术：模拟电子技术：研究模拟电子器件与系统分析、设研究模拟电子器件与系统分析、设计、制造的工程实用技术。计、制造的工程实用技术。数字电子技术数字电子技术：研究数字电子器件与系统分析、设：研究数字电子器件与系统分析、设计、制造的工程实用技术。计、制造的工程实用技术。10/1371规律性规律性2非线性非线性3工程性工程性4实践性实践性二、模拟电子技术课程特点二、模拟电子技术课程特点11/137应用领域应用领域 Application area1通信系统通信系统 Telecommunication System2控制系统控制系统 Control System3测试系统测试系统

5、Testing System4计算机计算机 Computers5例如家用电器例如家用电器 Family Electronic6农业机械农业机械 Agriculture Machine7生物医学工程生物医学工程 Biomedical Engineering8航空航天技术航空航天技术 Spaceflight and Airplane9现代智能交通（现代智能交通（ITS）三、电子技术的应用三、电子技术的应用诺利刀诺利刀 12/137四、电子技术的发展l1904年：第一只真空二极年：第一只真空二极电子管电子管、 电子学诞生。电子学诞生。 l19471947年：贝尔实验室制成第一只年：贝尔实验室制成第一

6、只晶体管晶体管l19581958年：集成电路年：集成电路ICICl19691969年：大规模集成电路年：大规模集成电路LSILSIl19751975年：超大规模集成电路年：超大规模集成电路VLSI VLSI （10105 5）13/137第第1 1章章 结束结束14/137第第2章章 二极管及其典型应用二极管及其典型应用2.1 2.1 半导体基础知识半导体基础知识2.2 2.2 PN结结2.3 2.3 二极管二极管2.4 2.4 二极管典型应用二极管典型应用2.5 2.5 二极管电路分析二极管电路分析15/137一、半导体的特性一、半导体的特性二、本征半导体二、本征半导体三、杂质半导体三、杂质

7、半导体16/137 何谓半导体？何谓半导体？物体分类物体分类导体导体 导电率为导电率为10105 5s.cms.cm-1-1，量级，如金属量级，如金属绝缘体绝缘体 导电率为导电率为1010-22-22-10-10-14 -14 s.cms.cm-1-1量级，量级，如：橡胶、云母、塑料等。如：橡胶、云母、塑料等。 导电能力介于导体和绝缘体之间。导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。如：硅、锗、砷化镓等。半导体半导体 半导体特性半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性掺杂特性半导体器件半导体器件温度增加使导电率大为增加温度增加使导电率大为增加温度特性温度

8、特性热敏器件热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照特性光照特性光敏器件光敏器件光电器件光电器件导电率单位：西门子导电率单位：西门子/米（米（S/m)17/137本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。纯度：纯度：99.9999999%，“九个九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。常用的本征半导体常用的本征半导体晶体特征晶体特征在晶体中，质点的排列有一定的规律。在晶体中，质点的排列有一定的规律。硅、锗硅、锗18/137硅原子结构硅原子结构锗原子结

9、构锗原子结构+4硅（锗）的原子结构简化模型硅（锗）的原子结构简化模型价电子价电子正离子正离子19/137锗晶体的共价键结构示意图锗晶体的共价键结构示意图 半导体能带结构示意图半导体能带结构示意图价带中留下的空位称为价带中留下的空位称为空穴空穴导带导带自由电子定向移动自由电子定向移动形成形成电子流电子流 本征半导体的原子结构和共价键结构本征半导体的原子结构和共价键结构共价键内的电子共价键内的电子称为称为束缚电子束缚电子价带价带禁带禁带EG外电场外电场E束缚电子填补空穴的束缚电子填补空穴的定向移动形成定向移动形成空穴流空穴流挣脱原子核束缚的电子挣脱原子核束缚的电子称为称为自由电子自由电子20/13

10、71. 本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴自由电子和空穴 ,成对出现。成对出现。2. 在外电场的作用下，产生电流在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流和空穴流电子流电子流自由电子作定向运动形成的自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动自由电子始终在导带内运动空穴流空穴流价电子递补空穴形成的价电子递补空穴形成的与外电场方向相同与外电场方向相同始终在价带内运动始终在价带内运动3. 本征半导体在热力学温度和没有外界能量激发下，不导电。本征半导体在热力学温度和没有外界能量激发下，不导电。载流子载流子运载电荷的粒子称为载流子

11、。如自由电子和空穴。运载电荷的粒子称为载流子。如自由电子和空穴。21/137杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高。掺杂后半导体的导电率大为提高。 掺入的三价元素如掺入的三价元素如B（硼）、（硼）、Al（铝）（铝）等，形成等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。型半导体，也称空穴型半导体。 掺入的五价元素如掺入的五价元素如P（磷）（磷） 、砷等，、砷等，形成形成N型半导体，也称电子型半导体。型半导体，也称电子型半导体。22/137 N型半导体型半导体在本征半导体中掺入的五价元素如在本征半导体中掺入的五价元素如P。自由电子是多子自由电子是多子空

12、穴是少子空穴是少子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成由于五价元素很容易贡献电由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为子，因此将其称为施主杂质。施主杂质。施主杂质因提供自由电子而施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为带正电荷成为正离子。正离子。23/137 P型半导体型半导体在本征半导体中掺入的三价元素如在本征半导体中掺入的三价元素如B。自由电子是少子自由电子是少子空穴是多子空穴是多子杂质原子提供杂质原子提供由热激发形成由热激发形成因留下的空位因留下的空位(穴穴)很容易很容易俘获电子，使杂质原子成俘获电子，使杂质原子成为为负离子。负离子。三价杂质三价杂质 因因而也称为而也称为受主杂质

13、受主杂质。24/13725/137P区区N区区扩散运动扩散运动载流子载流子从从浓度浓度大大向浓度向浓度小小的区域的区域扩散扩散,称称扩散运动扩散运动形成的电流成为形成的电流成为扩散电流扩散电流内电场内电场内电场内电场阻碍多子阻碍多子向对方的向对方的扩散扩散即即阻碍扩散运动阻碍扩散运动同时同时促进少子促进少子向对方向对方漂移漂移即即促进了漂移运动促进了漂移运动扩散运动扩散运动=漂移运动时漂移运动时达到达到动态平衡动态平衡耗尽层耗尽层=PN结结26/137内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 因浓度差因浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电

14、场空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移扩散运动扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散多子从浓度大向浓度小的区域扩散, 称扩散运动。称扩散运动。扩散运动产生扩散电流。扩散运动产生扩散电流。漂移运动漂移运动少子向对方漂移少子向对方漂移,称漂移运动。称漂移运动。漂移运动产生漂移电流。漂移运动产生漂移电流。动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流= =漂移电流，漂移电流，PNPN结内总电流结内总电流=0=0。PN PN 结结稳定的空间电荷区稳定的空间电荷区，又称高阻区，又称高阻区，也称耗尽层。，也称耗尽层。27/137 U 内电场的建立，使内电场的建立，使PNPN结中产生电结中产生电位差。

15、从而形成接触电位位差。从而形成接触电位U 。 接触电位接触电位U 决定于材料及掺杂浓度决定于材料及掺杂浓度硅：硅： U =0.7 V=0.7 V锗：锗： U =0.2 V=0.2 V 其电位差用其电位差用 表示表示28/1371. PN1. PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外电场方向与外电场方向与PN结内结内电场方向相反，削弱了内电场方向相反，削弱了内电场。电场。 于是内电场对多子扩于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。电流加大。 扩散电流远大于漂移扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的电流，可忽略漂移电流的影响。影响。 PN结呈现低阻

16、性，处结呈现低阻性，处于导通状态。于导通状态。P区的电位高于区的电位高于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，简称正偏正偏；内内外外29/1372. PN2. PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外电场与外电场与PN结内电场方结内电场方向相同，增强内电场。向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。形成的漂移电流加大。 此时此时PN结区少子漂移电结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩流大于扩散电流，可忽略扩散电流。散电流。

17、PN结呈现高阻性，近似结呈现高阻性，近似认为截止状态。认为截止状态。P区的电位低于区的电位低于N区的电位，称为加区的电位，称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏；内内外外30/137 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。小结：小结： PN结加正向电压时，呈结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向现低电阻，具有较大的正向扩散电流；扩散电流； PN结加反向电压时，呈结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向现高电阻，具有很小的反向漂移电流。漂移电流。31/137PN结两端的电压与结两端的电压与流过流过PN结电流的关系式结电流的关系式式中式中 Is 饱和

18、电流饱和电流; UT = kT/q 等效电压等效电压 k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；q为电子的电量；为电子的电量； T=300k（室温）时（室温）时 UT= 26mv由半导体物理可推出：由半导体物理可推出： 当加反向电压时：当加反向电压时： 当加正向电压时：当加正向电压时：(UUT)3. PN结电流方程结电流方程1DTuUDSiIeDTuUDSiI eDSiI 32/1371DTuUDSiIe 当加反向电压时：当加反向电压时： 当加正向电压时：当加正向电压时：(UUT)DTuUDSiI eDSiI 33/137反向击穿：反向击穿： PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电结上所加的反向电

19、压达到某一数值时，反向电流激增的现象。流激增的现象。雪崩击穿雪崩击穿当反向电压增高时，当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。齐纳击穿齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子子拉出来，形成大量载流子, ,使反向电流激增。使反向电流激增。击穿是可逆。掺杂浓度击穿是可逆。掺杂浓度小小的二极管容易发生。的二极管容易发生。击穿是可逆。掺杂浓

20、度击穿是可逆。掺杂浓度大大的二极管容易发生。的二极管容易发生。不可逆击穿不可逆击穿 热击穿。热击穿。 PN结的电流或电压较大，使结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致升高，导致PN结过热而烧毁。结过热而烧毁。34/137 势垒势垒电容电容CB 当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压的变当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压的变化而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄化而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为变化所等效的电容为势垒电容。势垒电容。35/137 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多

21、子扩散后，在PN结的另一侧面积累而结的另一侧面积累而形成的。因形成的。因PN结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到P区的电子，与外电区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。分布曲线。注意：注意：势垒电容和扩散电容势垒电容和扩散电容均是非线性电容均是非线性电容, ,并同时存并同时存在。外加电压变化缓慢时可在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时不以忽略，但是变化较快时不容忽略。容忽略。 扩散扩散电

22、容电容CD 在外加电压变化的情况在外加电压变化的情况下，下，P、N区少子浓度的分区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电布将发生变化，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容充放电过程相同，这种电容等效为扩散电容。等效为扩散电容。36/137 PN结的光电效应结的光电效应 PN结用导线连接成回路时，载流子面临结用导线连接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻结势垒的阻挡，在回路中不产生电流。当有光照射挡，在回路中不产生电流。当有光照射PN结材料上时，若光结材料上时，若光子能量大于半导体的禁带宽度，则在子能量大于半导体的禁带宽度，则在PN结的耗尽区、结的耗尽区

23、、P区、区、N区内产生光生的电子区内产生光生的电子-空穴对，耗尽区内的载流子在内建场空穴对，耗尽区内的载流子在内建场的作用下电子迅速移向的作用下电子迅速移向N区，孔穴移向区，孔穴移向P区，在回路内容形成区，在回路内容形成光电流，而光电流，而P、N区内产生的光子无内建电场的作用只进行自区内产生的光子无内建电场的作用只进行自由的扩散运动，对光电流基本没有贡献。由的扩散运动，对光电流基本没有贡献。DEDDRLUDIP注意：注意：为了充分利用在为了充分利用在PN结各区内产生的光生结各区内产生的光生载流子，载流子，PN结需加适当结需加适当的反向偏压。的反向偏压。37/137 PNPN结的电致发光结的电致

24、发光 如果在如果在PN结加正偏电压结加正偏电压U，外电场将消弱内建电场对，外电场将消弱内建电场对载流子扩散的阻挡作用。在外加电场满足一定条件下，载流子扩散的阻挡作用。在外加电场满足一定条件下，注入到耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子注入到耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生光增益。产生光增益。UD38/137一、一、二极管的结构类型二极管的结构类型二、二、二极管的特性曲线二极管的特性曲线三、三、二极管的等效电路二极管的等效电路四、稳压二极管四、稳压二极管五、五、变容变容二极管二极管

25、六、肖特基二极管六、肖特基二极管七、七、光电二极管光电二极管八、发光二极管八、发光二极管九、二极管的典型应用九、二极管的典型应用39/137一、一、二极管的结构类型二极管的结构类型在在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。二极管按结构分二极管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于检波和变频等高频电路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往往用于集成电路制造工艺中。往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积结面积可大可小可大可小，用于高频整流

26、和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。P N40/137伏安特性：伏安特性：是指二极管两是指二极管两端电压端电压和流过二极管和流过二极管电流电流之间的关系。之间的关系。由由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线，结电流方程求出理想的伏安特性曲线，PN结电流方程为：结电流方程为：DTDS1uUiIe二、二、二极管的特性曲线二极管的特性曲线41/137 晶体晶体二极管的伏安特性二极管的伏安特性1 1. .正向起始部分存在一正向起始部分存在一个死区或门坎，称个死区或门坎，称为为门限电压门限电压。 硅：硅：Ur=0.5-0.6V Ur=0.5-0.6V 锗：锗：Ur=0.1-0.2VUr=0.1-0.2V2.2.加反向电压时，反向加反向电压时，反向电流很小。电流很小。 即即I Is s硅硅(nA)(nA)Uz稳压工作原理：稳压工作原理：ui不变，负载减小，则不变，负载减小，则IL增大，增大，RL两端电压两端电压减小一个微量将使减小一个微量将使IZ减小，