二极管及其基本电路

二极管及其基本电路第1页，共79页，2023年，2月20日，星期日主要内容

1.半导体的基本知识

2.

PN结的形成及特点

3.半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电路

2第三章二极管及其基本电路第2页，共79页，2023年，2月20日，星期日基本要求1.了解半导体的基础知识2.理解PN结的单向导电工作原理3.掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及主要性能指标

4.掌握二极管电路的分析方法和应用

3第三章二极管及其基本电路第3页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.1半导体的基本知识3.2PN结的形成及特性3.3半导体二极管3.4二极管的基本电路及其分析方法3.5特殊二极管

4第三章二极管及其基本电路第4页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.1半导体的基本知识

3.1.1半导体材料

3.1.2半导体的共价键结构

3.1.3本征半导体

3.1.4杂质半导体

5第三章二极管及其基本电路第5页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.1.1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。导电性能介于导体与绝缘体之间材料，称为半导体。在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。

6第6页，共79页，2023年，2月20日，星期日半导体有以下特点：

1．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间

2．半导体受外界光和热的激励时，其导电能力将会有显著变化。

3．在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会显著增加。

7第7页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.1.2

半导体的共价键结构在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的简化原子模型如下图所示。硅和锗都是四价元素，在其最外层原子轨道上具有四个电子，称为价电子。由于原子呈中性，故在图中原子核用带圆圈的+4符号表示。半导体与金属和许多绝缘体一样，均具有晶体结构，它们的原子形成有排列，邻近原子之间由共价键联结，其晶体结构示意图如下所示。图中表示的是晶体的二维结构，实际上半导体晶体结构是三维的。

第8页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.1.2

半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构第9页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.1.2

半导体的共价键结构硅晶体的空间排列第10页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.1.3

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。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——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。第11页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.1.3

本征半导体

本征激发在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚进入导带，成为自由电子，在晶体中产生电子-空穴对的现象称为本征激发.空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点.第12页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.1.3

本征半导体第13页，共79页，2023年，2月20日，星期日

由于共价键出现了空穴，在外加电场或其它能源的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其它电子又可转移到这个新的空位。这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的。

3.1.3

本征半导体第14页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.1.4

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。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。第15页，共79页，2023年，2月20日，星期日

1.N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而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；空穴是少数载流子,由热激发形成。

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。第16页，共79页，2023年，2月20日，星期日

2.P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。

在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。

空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。第17页，共79页，2023年，2月20日，星期日

本征半导体、杂质半导体

本节中的有关概念

自由电子、空穴N型半导体、P型半导体

多数载流子、少数载流子

施主杂质、受主杂质第18页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2PN结的形成及特性3.2.1

PN结的形成3.2.2

PN结的单向导电性3.2.3

PN结的反向击穿3.2.4

PN结的电容效应

19第三章二极管及其基本电路第19页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.1PN结的形成

平衡状态下的PN结(a)初始状态;(b)平衡状态;(c)电位分布第20页，共79页，2023年，2月20日，星期日

在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:

因浓度差

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。

对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区第21页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.2

PN结的单向导电性

当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

(1)PN结加正向电压时

低电阻大的正向扩散电流PN结的伏安特性第22页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.2

PN结的单向导电性

PN结正向运用第23页，共79页，2023年，2月20日，星期日

2.2.2

PN结的单向导电性

当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

(2)PN结加反向电压时

高电阻很小的反向漂移电流

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。PN结的伏安特性第24页，共79页，2023年，2月20日，星期日PN结反向运用第25页，共79页，2023年，2月20日，星期日

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。第26页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.2

PN结的单向导电性

(3)PN结V-I特性表达式其中PN结的伏安特性IS——反向饱和电流VT

——温度的电压当量且在常温下（T=300K）第27页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.3

PN结的反向击穿思考：1.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子

运动吗？2.什么是N型半导体？什么是P型半导体？

当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？3.PN结的单向导电性指的是什么？在PN结中加反向电压时真的没有电流吗？第28页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.3

PN结的反向击穿

反向击穿分为电击穿和热击穿，电击穿包括雪崩击穿和齐纳击。PN结热击穿后电流很大，电压又很高，消耗在结上的功率很大，容易使PN结发热,把PN结烧毁。热击穿——不可逆；电击穿——可逆第29页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.3

PN结的反向击穿

当反向电压足够高时,阻挡层内电场很强,少数载流子在结区内受强烈电场的加速作用,获得很大的能量,在运动中与其它原子发生碰撞时,有可能将价电子“打”出共价键,形成新的电子、空穴对。这些新的载流子与原先的载流子一道,在强电场作用下碰撞其它原子打出更多的电子、空穴对,如此链锁反应,使反向电流迅速增大。这种击穿称为雪崩击穿。第30页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.3

PN结的反向击穿

所谓“齐纳”击穿,是指当ＰＮ结两边掺入高浓度的杂质时,其阻挡层宽度很小,即使外加反向电压不太高(一般为几伏),在ＰＮ结内就可形成很强的电场(可达2×106V/cm),将共价键的价电子直接拉出来,产生电子-空穴对,使反向电流急剧增加,出现击穿现象。第31页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.3

PN结的反向击穿

所谓“齐纳”击穿,是指当ＰＮ结两边掺入高浓度的杂质时,其阻挡层宽度很小,即使外加反向电压不太高(一般为几伏),在ＰＮ结内就可形成很强的电场(可达2×106V/cm),将共价键的价电子直接拉出来,产生电子-空穴对,使反向电流急剧增加,出现击穿现象。第32页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.3

PN结的反向击穿对硅材料的ＰＮ结,击穿电压ＵＢ大于７V时通常是雪崩击穿,小于４V时通常是齐纳击穿；ＵＢ在４V和７V之间时两种击穿均有。由于击穿破坏了ＰＮ结的单向导电特性,因而一般使用时应避免出现击穿现象第33页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.3

PN结的反向击穿

发生击穿并不一定意味着ＰＮ结被损坏。当PN结反向击穿时,只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电阻Ｒ实现),不使其过大,以免因过热而烧坏ＰＮ结,当反向电压(绝对值)降低时,ＰＮ结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了ＰＮ结的反向击穿特性来实现稳压的,当流过ＰＮ结的电流变化时,结电压保持基本不变。第34页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.4

PN结的电容效应

(1)势垒电容CB势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均具有一定的电荷量,所以在ＰＮ结储存了一定的电荷,当外加电压使阻挡层变宽时,电荷量增加；反之,外加电压使阻挡层变窄时,电荷量减少。即阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变,形成了电容效应,称为势垒电容,用ＣＴ表示。第35页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.2.4

PN结的电容效应(2)扩散电容CD扩散电容示意图第36页，共79页，2023年，2月20日，星期日扩散电容是ＰＮ结在正向电压时,多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。当ＰＮ结加正向电压时,Ｎ区的电子扩散到Ｐ区,同时Ｐ区的空穴也向Ｎ区扩散。显然,在ＰＮ区交界处(x＝０),载流子的浓度最高。由于扩散运动,离交界处愈远,载流子浓度愈低,这些扩散的载流子,在扩散区积累了电荷,总的电荷量相当于图中曲线１以下的部分(图表示了Ｐ区电子ｎp的分布)。若ＰＮ结正向电压加大,则多数载流子扩散加强,电荷积累由曲线１变为曲线２,电荷增加量为ΔＱ；反之,若正向电压减少,则积累的电荷将减少,这就是扩散电容效应CD,扩散电容正比于正向电流,即ＣD∝I。所以ＰＮ结的结电容Ｃｊ包括两部分,即Cj＝ＣＴ＋ＣＤ。一般说来,ＰＮ结正偏时,扩散电容起主要作用,Ｃｊ≈ＣＤ；当ＰＮ结反偏时,势垒电容起主要作用,即Ｃｊ≈ＣＴ。第37页，共79页，2023年，2月20日，星期日扩散电容CD

P区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累第38页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.3半导体二极管3.3.1半导体二极管的结构3.3.2二极管的伏安特性3.3.3二极管的参数

39第三章二极管及其基本电路第39页，共79页，2023年，2月20日，星期日在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管分类材料：硅二极管和锗二极管用途：整流、稳压、开关、普通二极管结构、工艺：点接触、面接触

3.3.1

半导体二极管的结构

第40页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.3.1

半导体二极管的结构

在PN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、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，所以极间电容小，适用于高频电路和数字电路。不能承受高的反向电压和大电流.(a)点接触型

二极管的结构示意图第41页，共79页，2023年，2月20日，星期日(3)平面型二极管

往往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。(2)面接触型二极管PN结面积大，可承受较大的电流,但极间电容也大.适用于整流电路,不宜用于高频电路。(b)面接触型(c)平面型(4)二极管的代表符号第42页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.3.2

二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性第43页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.3.2

二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线(1)正向特性：正向电压低于某一数值时,正向电流很小,只有当正向电压高于某一值后,才有明显的正向电流。该电压称为导通电压,又称为门限电压或死区电压,用Ｕth表示。在室温下,硅管的Ｕth约为０.６～０.８V,锗管的Ｕｏｎ约为０.１～０.３V。通常认为,当正向电压Ｕ＜Ｕth时,二极管截止；Ｕ＞Ｕth时,二极管导通。第44页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.3.2

二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线

(2)反向特性：二极管加反向电压,反向电流数值很小,且基本不变,称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为纳安(ｎΑ)数量级,锗管的为微安数量级。当反向电压加到一定值时,反向电流急剧增加,产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上(高反压管可达几千伏)。第45页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.3.2

二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线(3)二极管的温度特性：二极管的特性对温度很敏感,温度升高,正向特性曲线向左移,反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近,在同一电流下,温度每升高１℃,正向压降减小２～２.５ｍV；温度每升高１０℃,反向电流约增大1倍。第46页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.3.3

二极管的参数

器件参数是其特性的定量描述,是正确使用和合理选择器件的依据.

(1)最大整流电流IF

(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM

(3)反向电流IR

(4)极间电容

(5)反向恢复时间第47页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.3.3

二极管的参数

(1)最大整流电流IF

管子正常运行时,允许通过的最大正向平均电流.

(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM管子反向击穿时的电压值为反向击穿电压.击穿时,反向电流剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至因过热而损坏.一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半,以确保管子安全运行.

第48页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.3.3

二极管的参数

(3)反向电流IR管子未被击穿时的反向电流,其值愈小,则管子的单向导电性愈好.

(4)极间电容极间电容是反映二极管中PN结电容效应的参数,Cd=CD+CB.在高频和开关状态运用时,必须考虑极间电容的影响.

第49页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.4二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3.4.2二极管电路的简化模型分析方法

50第三章二极管及其基本电路第50页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.4二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

例3.4.1(P73)

51第51页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.4.2二极管电路的简化模型分析方法一、二极管V-I特性的建模二、模型分析法应用举例

52第三章二极管及其基本电路第52页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.理想模型3.折线模型2.恒压降模型第53页，共79页，2023年，2月20日，星期日一、二极管V-I特性的建模正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为∞。1.理想模型

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法第54页，共79页，2023年，2月20日，星期日当iD≥1mA时，vD=0.7V。2.恒压降模型

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法第55页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.折线模型（实际模型）

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法第56页，共79页，2023年，2月20日，星期日4.小信号模型

二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法第57页，共79页，2023年，2月20日，星期日

二

模型分析法应用举例1整流电路

2.二极管的静态工作情况分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V时恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设（2）VDD=1V时第58页，共79页，2023年，2月20日，星期日例2.4.2提示

3.4.2应用举例3.限幅电路第59页，共79页，2023年，2月20日，星期日限幅电路VRVmvit0Vi>VR时二极管导通，vo=vi。Vi<VR时二极管截止，vo=VR。

3.4.2应用举例第60页，共79页，2023年，2月20日，星期日4.开关电路利用二极管的单向导电性可作为电子开关p81

3.4.2应用举例第61页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.4.2应用举例5.低电压稳压电路（P82）

6.小信号情况分析（P83）第62页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.4.2应用举例

课堂练习1电路如图所示，求AO的电压值解：

先断开D，以O为基准电位，即O点为0V。

则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。第63页，共79页，2023年，2月20日，星期日2已知二极管D的正向导通管压降VD=0.6V，C为隔直电容，vi(t)为小信号交流信号源。试求：1、二极管的静态工作电流IDQ，以及二极管 的直流导通电阻R直。

2、在室温300K时，D的小信号交流等效电 阻r交。

3.4.2应用举例第64页，共79页，2023年，2月20日，星期日CR1KE1.5V+VD－+vi(t)－解：

3.4.2应用举例第65页，共79页，2023年，2月20日，星期日3二极管限幅电路:已知电路的输入波形为vi,二极管的VD为0.6伏，试画出其输出波形。解：Vi>3.6V时二极管导通，vo=3.6V。Vi<3.6V时二极管截止，vo=Vi。

3.4.2应用举例第66页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.4.2应用举例第67页，共79页，2023年，2月20日，星期日

3.5特殊二极管3.5.1稳压二极管3.5.2变容二极管3.5.3肖特基二极管3.5.4光电子器件

68第三章二极管及其基本电路第68页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.5特殊二极管

3.5.1

稳压二极管1.符号及稳压特性(a)符号(b)伏安特性

利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。第69页，共79页，2023年，2月20日，星期日3.5特殊二极管

3.5.1

稳压二极管符号及稳压特性

稳压管的稳压作用原理在于，电流有很大增量时，只引起很小的电压变化。反向击穿曲线愈陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻R，使稳压管电流工作在IZmax和IZmix的稳压范围。另外，在应用中还要采取适当的措施限制通过管子的电流，以保证管子不会因过热而烧坏。(b)伏安特性第70页，共79页，2023年，2月20日，星期日(1)稳定电压VZ

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。2.稳压二极管主要参数3.5.1稳压二极管第71页，共79页，2023年，2月20日，星期日(2)动态电阻rZ

稳压管工作在稳压区时,端电压变化量与其电流变化量之比.rZ=VZ/IZ(3)最大稳定工作电流

IZmax和