电子技术-第1章-半导体二极管及应用电路

本课程的主要内容第1章半导体二极管及应用电路第2章双极型三极管及其放大电路第3章场效应管及其放大电路第4章放大电路的频率响应第5章功率放大电路第6章集成运算放大器第7章负反馈放大电路第8章信号的运算、测量及处理电路第9章波形发生及变换电路第10章直流电源电气与电子工程学院第1章半导体二极管及应用电路1.1半导体的导电特性1.2PN结的形成及特性

1.3二极管1.4特殊二极管

电气与电子工程学院1.1半导体的导电特性1.1.1本征半导体及其导电特性1.1.2N型半导体1.1.3P型半导体电气与电子工程学院1.1半导体的导电特性

1.导体：电阻率

<10-4

·

cm的物质。如铜、银、铝等金属材料。

2.绝缘体：电阻率

>109

·

cm物质。如橡胶、塑料等。

3.半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物。

通常情况下纯净半导体的导电能力较差，但随着外界条件改变，其导电能力会有较大改变

电气与电子工程学院半导体具有以下特性：

(1)热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性可制成热敏元件。(2)光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光敏器件。(3)掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍。利用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件。电气与电子工程学院1.1.1本征半导体及其导电特性

现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi电气与电子工程学院电气与电子工程学院硅和锗的晶体结构

4价元素的原子常常用+4电荷的正离子和周围4个价电子表示。+4简化模型电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键在绝对0度（T=0K），价电子被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴

当温度升高或受光照时，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。电气与电子工程学院电气与电子工程学院1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴

2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。

3.本征半导体中自由电子的浓度等于空穴的浓度

4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。

5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。1.1.2N型半导体

杂质半导体有两种N型半导体P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。电气与电子工程学院电气与电子工程学院

本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子

电子称为多数载流子空穴称为少数载流子

5价杂质原子称为施主原子。1.1.3P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3空穴浓度多于电子浓度，即p>>n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。

3价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴电气与电子工程学院说明：

1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。

2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N型半导体(b)P型半导体1.2PN结的形成及特性1.2.1PN结的形成

在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结

PN结的形成电气与电子工程学院一、PN结中载流子的运动耗尽层空间电荷区PN1.扩散运动

2.扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。——PN结，耗尽层。PN3.空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差UD

——电位壁垒；——

内电场；内电场阻止多子的扩散——

阻挡层。

4.漂移运动内电场有利于少子运动—漂移。

少子的运动与多子运动方向相反

阻挡层5.扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米~几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。电压壁垒UD，硅材料约为(0.6~0.8)V,锗材料约为(0.2~0.3)V。电气与电子工程学院

总结:

在一块本征半导体在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。

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。多子的扩散运动

由杂质离子形成空间电荷区

1.2.2PN结的单向导电性

1.PN外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。PN电气与电子工程学院形成正向电流多子向PN结移动空间电荷变窄内电场减弱扩散运动大于漂移运动PN结在外加正向电压时的情况外加电场与内电场方向相反，削减内电场的作用电气与电子工程学院在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。2.PN结外加反向电压(反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I

；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。空间电荷区反相偏置的PN结反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS形成反向电流多子背离PN结移动空间电荷区变宽,内电场增强漂移运动大于扩散运动PN结的外加反向电压时的情况外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。电气与电子工程学院1.2.3PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CT,二是扩散电容CD1.势垒电容CT

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容示意图

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P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堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。2.扩散电容CD

反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。电气与电子工程学院扩散电容示意图

当外加正向电压不同，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。

势垒、扩散电容都与结面积S成正比点接触二极管的结面积很小，CT、CD都很小，只有0.5～几pF。面结合型二极管中的整流管，因结面积大，CT、CD约在几pF～200pF。在等效电路中，CT和CD是并联的，总的结电容为两者之和，即C=CT+CD。当PN结正偏时，扩散电容起主要作用，C≈CD，当PN结反偏时，势垒电容起主要作用，C≈CT。电气与电子工程学院1.3二极管1.3.1二极管的基本结构1.3.2二极管的伏安特性1.3.3二极管的参数、型号及选择1.3.4二极管的分析方法1.3.5二极管的应用电气与电子工程学院

1.3.1二极管的基本结构

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，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型

二极管的结构示意图电气与电子工程学院(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，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(c)平面型(4)二极管的代表符号电气与电子工程学院半导体二极管图片电气与电子工程学院电气与电子工程学院电气与电子工程学院在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，i=f

(u

)之间的关系曲线。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性击穿电压U(BR)反向特性

1.3.2二极管的伏安特性导通压降:硅管0.6-0.7V锗管0.2-0.3V死区电压:硅管0.5V锗管0.1V电气与电子工程学院硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线硅管特性曲线锗管特性曲线电气与电子工程学院1.正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫死区电压。范围称死区。死区电压与材料和温度有关，硅管约0.5V左右，锗管约0.1V左右。正向特性死区电压60402000.40.8I/mAU/V当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。2.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性

当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和,称反向饱和电流

二极管加反向电压，反向电流很小；如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；反向饱和电流

这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。击穿电压U(BR)3.反向击穿特性电气与电子工程学院雪崩击穿：雪崩击穿和齐纳击穿形成电子空穴对（碰撞电离）通过PN结的少子获得能量大与晶体中原子碰撞使共价键的束缚电荷挣脱共价键PN结反向高场强载流子倍增效应电气与电子工程学院齐纳击穿：形成电子空穴对直接将PN结中的束缚电荷从共价键中拉出来PN结电场很大很大反向电流齐纳击穿需要很高的场强：2×105V/cm只有杂质浓度高，PN结窄时才能达到此条件——齐纳二极管（稳压管）电气与电子工程学院

电击穿:当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率时,称为电击穿，是可逆的。即反压降低时,管子可恢复原来的状态。热击穿:若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散功率,则管子会因为过热而烧毁,形成热击穿——不可逆。热击穿和电击穿

雪崩击穿、齐纳击穿——可逆电气与电子工程学院4.伏安特性的数学表达式(二极管方程)从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。

式中IS为反向饱和电流，U为二极管两端的电压降，UT=kT/q

称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q

为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有UT=26mV。电气与电子工程学院1.3.3二极管的参数、型号及选择(1)最大整流电流IF

二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。(2)最高反向工作电压UR工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压UBR的一半定义为UR。(3)反向电流IR

反向电流IR是指在室温条件下，二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流值,通常希望IR

值愈小愈好。1.二极管的参数(4)最高工作频率fM

是二极管工作的上限截止频率

,fM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。2.半导体二极管的型号2AP7用数字代表同类型器件的序号用字母代表器件的类型，P代表普通管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2AP7代表N型Ge材料普通二极管电气与电子工程学院3.选择二极管的一般原则(1)要求导通后正向压降小时选锗管；要求反向电流小时选硅管。(2)要求工作电流大时选面接触型；要求工作频率高时选点接触型。(3)要求反向击穿电压高时选硅管。(4)要求温度特性好或耐高温时选硅管。电气与电子工程学院1.3.4二极管的分析方法

1.理想模型

二极管承受正向电压时，其管压降为零，相当于开关闭合

二极管承受反向电压时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于开关的断开电气与电子工程学院2．恒压降模型

二极管承受正向电压导通时，其管压降为恒定值，且不随电流而变化，具有这种特性的二极管也叫做实际二极管

二极管承受反向电压时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于开关的断开0.2V电气与电子工程学院例1.3.1

电路如图1.3.7(a)所示，二极管采用硅管，电阻R＝1kΩ，E＝3V

(1)试分别用理想模型和恒压降模型求UR的值。

(2)当二极管VD反接，电路如图1.3.7(b)所示，试分别用两种模型求UR的值。1.3.7(a)1.3.7(b)电气与电子工程学院例1.3.2

电路如图1.3.9所示，其中El＝7V，E2＝5V，E3＝6V，设二极管的导通电压0.6V。分别估算开关S在位置1和位置2的输出电压Uo的值。

开关S置于位置1时UO=E3＝6V开关S置于位置2UO=E2+0.6＝(5+0.6)V=5.6V电气与电子工程学院1.3.5二极管的应用1．整流电路2．二极管限幅电路电气与电子工程学院3.在数字电路的应用(1)uA=3V，uB=0VuY=uA－0.7V=2.3V(2)uA=3V，uB=3VVD1、VD2都导通，uY=uA－0.7V=2.3VVD1先导通VD2截止(3)uA=0V，uB=0VVD1、VD2都导通，uY=－0.7V。电气与电子工程学院1.4特殊二极管

1.4.1稳压二极管

1.4.2光敏二极管

1.4.3发光二极管

1.4.4变容二极管电气与电子工程学院1.4.1稳压二极管

一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压管工作于反向击穿区。

I/mAU/VO+

正向

+反向

U(b)稳压管符号(a)稳压管伏安特性+

I1．稳压管的伏安特性电气与电子工程学院2.稳压管的主要参数(1)稳定电压UZ(3)动态电阻rZ(2)稳定电流IZ稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。

正常工作的参考电流。I<IZ时，管子的稳压性能差；I>IZ

，只要不超过额定功耗即可。

rZ愈小愈好。对于同一个稳压管，工作电流愈大，rZ值愈小。IZ=5mArZ

16

IZ=20mArZ

3IZ/mA(4)电压温度系数

U稳压管电流不变时，环境温度每变化1℃引起稳定电压变化的百分比。

1)

UZ>7V,

U>0；UZ<4V，

U<0；

2)

UZ

在4~7V之间，

U

值比较小，性能比较稳定。

2CW17：UZ=9~10.5V，

U=0.09

%/℃

2CW11：UZ=3.2~4.5V，

U=-(0.05~0.03)%/℃

电气与电子工程学院(5)额定功耗PZ额定功率决定于稳压管允许的温升。PZ=UZIZ注意:稳压二极管通常工作在反向击穿区，使用时应串入一个电阻，电阻起限流作用，以保证稳压管正常工作，此电阻被称为限流电阻。

[例]

求通过稳压管的电流IZ等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？IZVDZ+20VR=1.6k

+

UZ=12V-

IZM=18mAIZ

<IZM

，电阻值合适。[解]VDZR使用稳压管需要注意的几个问题：稳压管电路UOIO+IZIRUI+

1.

外加电源的正极接管子的N区，电源的负极接P区，保证管子工作在反向击穿区；RL

2.

稳压管应与负载电阻RL

并联；

3.

必须限制流过稳压管的电流IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。1.4.2光敏二极管

光敏二极管又称光电二极管，特点是PN结的面积大，管壳上有透光的窗口便于接收光的照射，光敏二极管的外型电气与电子工程学院1.光敏二极管的特性曲线

光敏二极管工作时，在电路中处于反向偏置,在一定的反向电压范围内，反向电流与光照度E成正比关系

当无光照射时，伏安特性和普通二极管一样，其反向电流很小