第二章半导体二极管及其基本电路

第二章半导体二极管及其基本电路第一页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.1半导体的基础知识2.2PN结的形成及特性2.3半导体二极管2.4二极管基本电路及其分析方法小结2.5特殊二极管第2章半导体二极管及其基本电路第二页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.1半导体的基础知识2.1.1本征半导体2.1.2杂质半导体第三页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.1.1

本征半导体半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子

—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。第四页，共六十三页，编辑于2023年，星期四硅(锗)的原子结构简化模型惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动第五页，共六十三页，编辑于2023年，星期四本征激发：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。第六页，共六十三页，编辑于2023年，星期四两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动

结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；

2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；

3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。第七页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.1.2杂质半导体一、N型半导体和P型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数第八页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.1.2杂质半导体一、N型半导体和P型半导体P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数

空穴数第九页，共六十三页，编辑于2023年，星期四二、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体I

INP型半导体

I

IP第十页，共六十三页，编辑于2023年，星期四三、P型、N型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子第十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.2PN结一、PN结(PNJunction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。内建电场第十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期四3.扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。二、PN结的单向导电性1.外加正向电压(正向偏置)—forwardbias第十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期四P区N区内电场外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子

I多子2.外加反向电压(反向偏置)

—reversebias

P

区N

区内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子

0第十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期四三、PN结的伏安特性反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT

=26mVOu

/VI

/mA正向特性反向击穿加正向电压时加反向电压时i≈–IS第十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.3半导体二极管2.3.1半导体二极管的结构和类型2.3.2二极管的伏安特性2.3.3二极管的主要参数第十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.3.1半导体二极管的结构和类型构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型第十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期四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型支持衬底第十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期四第十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.3.2二极管的伏安特性一、PN结的伏安方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT

=26mV第二十页，共六十三页，编辑于2023年，星期四二、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(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)几十A

(锗)U<

U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)第二十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期四反向击穿类型：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。第二十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期四硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020第二十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期四温度对二极管特性的影响iD

/mAT升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降604020–0.0200.4–25–50uD/V20C90C第二十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.3.3二极管的主要参数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)IFURMO第二十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期四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。第二十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.4二极管基本电路及其分析方法2.4.1理想二极管及二极管特性的折线近似2.4.2图解法和微变等效电路法第二十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.4.1理想二极管及二极管特性的折线近似一、理想二极管特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=第二十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期四二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)第二十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期四三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/rDrD1UD(on)第三十页，共六十三页，编辑于2023年，星期四第三十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期四UD(on)例1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。第三十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期四[解]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)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，

采用恒压降模型第三十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期四例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PN第三十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期四UO=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)第三十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期四例3二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。0V正偏导通5V正偏导通0V第三十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期四输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20V0V反偏导通反偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V第三十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期四例4

画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui

=15sint(V)作用下输出uO的波形。(按理想模型)Otui

/V15RLV1V2V3V4uiBAuO第三十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期四OtuO/V15若有条件，可切换到EWB环境观察桥式整流波形。第三十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期四例5

ui=2sin

t(V)，分析二极管的限幅作用。ui较小，宜采用恒压降模型ui<0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VV2导通V１截止ui<

0.7VV1导通V2截止uO=0.7V第四十页，共六十三页，编辑于2023年，星期四思考题:V1、V2支路各串联恒压源，输出波形如何？(可切至EWB)OtuO/V0.7Otui

/V20.7第四十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.4.2图解法和微变等效电路法一、二极管电路的直流图解分析

uD=VDD

iDRiD=f(uD)1.2V100iD

/mA128400.30.6uD/V1.20.9MN直流负载线斜率1/R静态工作点斜率1/RDiDQIQUQ第四十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期四也可取UQ=0.7VIQ=(VDD

UQ)/R=5(mA)二极管直流电阻RD第四十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期四iD

/mAuD/VO二、交流图解法电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中含交、直流成分C隔直流

通交流当ui=0时iD=IQUQ=0.7V(硅)，0.2V(锗)设ui=sin

wtVDDVDD/RQIQwtOuiUQ斜率1/rd第四十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期四iD

/mAuD/VOVDDVDD/RQIQwtOuiUQiD

/mAwtOid斜率1/rdrd=UT/IQ=26mV/IQ当ui幅度较小时，二极管伏安特性在Q点附近近似为直线第四十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期四uiudRidrd三、微变等效电路分析法对于交流信号电路可等效为例6

ui

=5sint(mV)，VDD=4V，R=1k，求iD和uD。[解]1.静态分析令ui

=0，取UQ0.7VIQ=(VDDUQ)/R=3.3mA第四十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.动态分析rd=26/IQ=26/3.38()Idm=Udm/rd=5/80.625(mA)id

=0.625sint3.总电压、电流=(0.7+0.005sint)V=(3.3+0.625sint)mA第四十七页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.5特殊二极管2.5.1稳压二极管2.5.2光电二极管第四十八页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.5.1稳压二极管一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZIZminIZmaxUZIZIZ特性第四十九页，共六十三页，编辑于2023年，星期四二、主要参数1.稳定电压UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.最大工作电流IZM最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.动态电阻rZrZ=UZ/IZ越小稳压效果越好。几几十第五十页，共六十三页，编辑于2023年，星期四5.稳定电压温度系数CT一般，UZ<4V，CTV<0(为齐纳击穿)具有负温度系数；UZ>7V，CTV>0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4V<UZ<7V，CTV很小。第五十一页，共六十三页，编辑于2023年，星期四例1

分析简单稳压电路的工作原理，

R为限流电阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRRUIUORRLILIRIZ第五十二页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.5.2发光二极管与光敏二极管一、发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V符号u/Vi

/mAO2特性第五十三页，共六十三页，编辑于2023年，星期四2.主要参数电学参数：IFM

，U(BR)，IR光学参数：峰值波长P，亮度

L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,第五十四页，共六十三页，编辑于2023年，星期四第五十五页，共六十三页，编辑于2023年，星期四二、光敏二极管1．符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片第五十六页，共六十三页，编辑于2023年，星期四补充：选择二极管限流电阻步骤：1.设定工作电压(如0.7V；2V(L