第03章 半导体二极管及基本电路

1湖南科技大学信息与电气工程学院E-mail:hunan_wrm@

主讲:

王润民第三章半导体二极管及基本电路

2

物质的导电性能分类导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。电阻率小于10-4Ω·cm

绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。电阻率大于109Ω·cm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，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。电阻率10-4Ω·cm----109Ω·cm

一、导体、半导体和绝缘体33.1半导体基础知识（一）本征半导体：纯净的具有晶体结构的鍺、硅、硒半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：纯净的半导体中掺入微量某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强34晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子半导体的结构：45

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理本征激发：空穴

温度愈高，晶体中产生的自由电子、空穴愈多。自由电子

在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。56结论：(1)半导体有两种载流子——（负）电子、（正）空穴(2)自由电子和空穴成对地产生，同时又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。(3)

载流子的数量少，故导电性能很差。(4)载流子的数量受温度影响较大，温度高数量就多。所以，温度对半导体器件性能影响很大。(5)当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（漂移运动），在半导体中将出现两部分电流

①自由电子作定向运动电子电流

②价电子递补空穴空穴电流67

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一个电子变为负离子空穴（二）杂质半导体：掺入少量杂质的半导体下一节上一页下一页返回78下一节上一页下一页返回(1)N型半导体（电子型半导体）形成：向本征半导体中掺入少量的5价元素特点：（a）含有大量的电子——多数载流子

（b）含有少量的空穴——少数载流子无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。(2)P型半导体（空穴型半导体）形成：向本征半导体中掺入少量的3价元素特点：（a）含有大量的空穴——多数载流子

（b）含有少量的电子——少数载流子89（三）PN结(1)PN结的形成flash1多数载流子的浓度差多数载流子扩散空间电荷区少数载流子漂移……扩散=漂移稳定的空间电荷区即PN结或耗尽层下一节上一页下一页返回内电场半导体器件的基础910(2)PN结的特性

（a）PN结外加正向电压PN结正偏PN结正向导通外电场与内电场方向相反利于扩散扩散>漂移PN结变窄外部电源不断提供电荷产生较大的扩散电流I正下一节上一页下一页返回

1011（b）PN结外加反向电压PN结反偏PN结反向截止外电场与内电场方向相同利于漂移漂移>扩散PN结变厚外部电源不断提供电荷产生较小的反向电流I反

下一节上一页下一页返回1112◆

结论：加正向电压→导通加反向电压→截止单方向导电性下一节上一页下一页返回

12133.2半导体二极管（一）基本结构按材料分硅管锗管按PN结分点接触型面接触型按用途分普通管整流管……PN阳极阴极下一节上一页下一页返回上一节两层半导体一个PN结1314点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线

面接触型N型锗PN结

正极引线铝合金小球底座金锑合金正极

引线负极

引线集成电路中平面型PNP型支持衬底15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：

2AP9

用数字代表同类型器件的不同型号

用字母代表器件的类型，P代表普通管

用字母代表器件的材料，A代表N型Ge

B代表P型Ge，C代表N型Si，D代表P型Si2代表二极管，3代表三极管16173.2.2二极管的伏安特性一、PN结的伏安方程反向饱和电流10-8---10-14A温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K当T=300(27C)：UT

=26mV18二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0U

Uth

UD(on)

=(0.60.8)V硅管

0.7V(0.20.4)V锗管

0.3V反向特性ISU(BR)反向击穿︱U(BR)

︱>︱U︱

>0

iD=IS<0.1A(硅)

几十A

(锗)︱U︱>

︱U(BR)︱反向电流急剧增大(反向击穿)19反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。

(击穿电压<6V，负温度系数)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压>6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。20（二）伏安特性：二极管电流与电压之间的关系UIOUDUIOUIOAABB硅锗正向：死区（OA段）:硅管约0.5V，锗管约0.2V；正向导通区:硅管约0.7V，锗管约0.3V温度增加，曲线左移反向：截止区（OB段）:I近似为0；击穿区:管子被击穿半导体二极管的伏安特性(a)近似特性(b)理想特性温度增加，曲线下移下一节上一页下一页返回上一节2021（c）折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/rDrDUD(on)22温度对二极管特性的影响604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT

升高时，UD(on)以

(22.5)mV/C下降233.2.3二极管的主要参数1.

IF—

最大整流电流(最大正向平均电流)2.

URM—

最高反向工作电压，为U(BR)/2

3.

IR

—

反向电流(越小单向导电性越好)4.

fM—

最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO24影响工作频率的原因—PN结的电容效应

结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。25二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。下一节上一页下一页返回上一节2526二极管电路分析：先判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V若

V阳

>V阴或

UD为正，二极管导通若

V阳

<V阴或

UD为负，二极管截止

若二极管是理想的，正向导通时管压降为零，反向截止时相当于开路。

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。下一节上一页下一页返回上一节（四）主要应用整流、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。2627UD(on)例1:下图电路中，硅二极管，R=2k,分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。二极管应用举例理想模型恒压降模型实际电路28[解]1.VDD=2V

理想IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2V恒压降UO=VDD–UD(on)=20.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2

=0.65(mA)2.VDD=10V

理想IO=VDD/R=10/2

=5(mA)恒压降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD大，

采用理想模型VDD小，

采用恒压降模型29例2：试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO的值。解：假设二极管断开UP=15VUP>UN二极管导通等效为0.7V的恒压源PN30UO=VDD1

UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)31–++–aTrDuou2bRLio+–u1uDO分析输出电压和二极管上电压的波形。假设二极管为理想二极管。u2

正半周，Va>Vb，D导通，uo=u2；u2

负半周，Va<Vb，D截止，uo=0。例3：uoOu2tO二极管起整流作用下一节上一页下一页返回上一节3132电路如图，求：UABV阳

=－6VV阴

=－12VV阳>V阴

二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，

UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例4：

取

B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。

二极管起钳位作用D6V12V3kBAUAB+–下一节上一页下一页返回上一节3233两个二极管的阴极接在一起取

B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，钳位，使

D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V例5:流过

D2

的电流为求：UABD2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–下一节上一页下一页返回上一节3334例6:+6VRDAVAVBVYDB当VA=3V，VB=0V时，分析输出端的电位VY。理想二极管：VY=VB=0V∵

UDB>UDA

∴DB优先导通，DA截止。

锗二极管：VY=VB+UD=0.3V

硅二极管：VY=VB+UD=0.7V-6VRDAVAVBVYDB∵

UDA>UDB

∴DA优先导通，DB截止。理想二极管：VY=VA=3V

锗二极管：VY=VA

-

UD=2.7V

硅二极管：VY=VA-

UD=2.3V下一节上一页下一页返回上一节3435ui>8V，二极管导通，可看作短路

uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路

uo=ui已知：

二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例7：ui18V参考点二极管阴极电位为

8VD8VRuoui++––下一节上一页下一页返回上一节

二极管起限幅作用3536用以前的限幅flash下一节上一页下一页返回上一节

例8

当Us分别为2V、4V，而ui分别为3V、3V时，试画出uo的波形。3637(2)主要特点：(a)正向特性同普通二极管(b)反向特性较大的I较小的U工作在反向击穿状态。在一定范围内，反向击穿具有可逆性。3.3