Diode介绍及基本应用

Diode介绍及基本应用PDEE：王念茂肖磊Diode内容1.半导体基础

2.P-N结的形成

3.二极管参数及特性

4.二极管应用举例5/13/2024第一节：半导体二极管半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。返回2.1.1半导体的基本知识硅和锗是制作晶体管的半导体材料，它们都是四价元素，即每个原子的最外层轨道上有四个价电子。当硅和锗制成单晶时，其最外层的价电子不仅围绕自身原子运动，有时还出现在相邻原子的轨道上，两个相邻的原子公用一对电子，构成共价健，如图所示。5/13/2024第一节：半导体二极管纯净的半导体称为本征半导体。在室温下，本征半导体中少数价电子因热激发获得了足够的能量，而挣脱共价健的束缚成为自由电子，并且在原来的共价健处留下一个空位，这个空位称为空穴。2.1.1半导体的基本知识

(a)共价健结构(b)电子—空穴对共价健空穴自由电子5/13/2024第一节：半导体二极管

(a)共价健结构(b)电子—空穴对共价健空穴自由电子自由电子带负电荷；空穴带正电荷。通常，将可运动的带电粒子称为载流子，电子和空穴都是载流子。载流子的运动将形成电流。5/13/2024第一节：半导体二极管

(a)共价健结构(b)电子—空穴对共价健空穴自由电子热激发产生的电子和空穴对是成对出现的，即“电子—空穴对”电子和空穴有可能重新结合而成对消失，称为复合。当温度一定时，这种产生与复合呈动态平衡，当温度升高时，电子—空穴对浓度将加大。5/13/2024第一节：半导体二极管在室温下，本征半导体中电子和空穴载流子的浓度很低，导电性能很差，然而，在本征半导体内掺入微量“杂质”后，其导电性能将明显提高，并且其导电性能可以通过掺杂的多少来人为地控制。N型半导体和P型半导体都是掺杂了的半导体。N型半导体和P型半导体5/13/2024第一节：半导体二极管常用半导体的分类按材料分：按掺杂元素分：N型半导体P型半导体硅型半导体锗型半导体下面将以硅材料为例介绍N型和P型半导体5/13/2024第一节：半导体二极管⑴在硅晶体中掺入五价元素，如磷、锑等，晶体点阵中的某些硅原子将被五价元素的原子所取代。五价元素的五个价电子中，有四个与周围硅原子的价电子组成共价键，多出的一个电子成为自由电子。1、N型半导体5/13/2024第一节：半导体二极管⑵掺入的五价元素的每一个原子都可提供一个自由电子，从而使自由电子的数目大大增加，远远超过由热激发而产生的空穴。故将这种半导体称为电子型半导体，或N型半导体。在N型半1、N型半导体导体中，自由电子是多数载流子，简称多子；而空穴是少数载流子，简称少子。5/13/2024第一节：半导体二极管⑴在硅晶体中掺入三价元素，如硼、铟等，晶体点阵中的某些硅原子将被三价元素的原子所取代。三价元素的三个价电子中，都与周围硅原子的价电子组成共价键，还缺少一个电子，形成一个空穴。如右图。2、P型半导体5/13/2024第一节：半导体二极管⑵掺入的三价元素的每一个原子都可提供一个空穴，而使空穴的数目大大增加，远远超过由热激发而产生的空穴。故将这种半导体称为空穴型半导体，或P型半导体。在P型半导2、P型半导体体中，空穴是多数载流子，简称多子；而自由电子是少数载流子，简称少子。5/13/2024第一节：半导体二极管通过一定的工艺，将一块完整的半导体的一部分掺杂成P型半导体，另一部分掺杂成N型半导体，形成P区和N区。P区和N区交界面附近的过渡区称为PN结。3、PN结的形成

PN结的形成示意图N区P区5/13/2024第一节：半导体二极管由于P区的空穴浓度很高，自由电子很少；而N区的自由电子浓度很高，空穴很少。故P区的空穴向N区运动，N区的自由电子向P区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散。3、PN结的形成

PN结的形成示意图P区N区5/13/2024第一节：半导体二极管扩散的结果使P区的空穴减少，而失去空穴的原子变成带负电的离子；同理，N区的自由电子将少，出现带正电的离子。于是在P、N区交界处形成一个很薄的空间电荷层。3、PN结的形成

PN结的形成示意图N区P区5/13/2024第一节：半导体二极管3.PN结的形成由图可知：空间电荷层靠P区的一边带负电，靠N区的一边带正电。产生了一个内电场EIN。其方向由N指向P。

多子的扩散空间电荷层P区P区N区N区EIN5/13/2024第一节：半导体二极管3.PN结的形成内电场EIN。其方向由N指向P。将阻止多子的扩散，故又称其为阻挡层。阻挡层将有助于少子的漂移运动。

多子的扩散空间电荷层P区P区N区N区EIN5/13/2024第一节：半导体二极管3.PN结的形成多子的扩散运动将使空间电荷区加宽；而少子的漂移运动将使其变窄。当两种运动达到动态平衡时，空间电荷层的宽度将稳定。

多子的扩散空间电荷层P区P区N区N区EIN5/13/2024第一节：半导体二极管⑴外加正向电压：当PN结的P区接电源正极、N区接电源负极时，称为“外加正向电压”，4、PN结的单向导电性EINEEXT也叫正向偏置，简称正偏。阻挡层变窄IF5/13/2024第一节：半导体二极管当PN结正偏时，外加电压形成的外电场EEXT的方向与内电场EIN相反，使空间电荷4、PN结的单向导电性层变窄，扩散电流大大超过飘移电流，形成正向电流IF，称PN结处于导通状态。EINEEXT阻挡层变窄IF5/13/2024第一节：半导体二极管⑵外加反向电压：当PN结的P区接电源负极、N区接电源正极时，称为“外加反向电压”，4、PN结的单向导电性也叫反向偏置，简称反偏。EINEEXT阻挡层变宽IR5/13/2024第一节：半导体二极管当PN结反偏时，外加电压形成的外电场EEXT的方向与内电场EIN相同，使空间电荷4、PN结的单向导电性层变宽，飘移电流超过扩散电流，形成反向电流IR，且IR的值很小，称PN结处于截止状态。EINEEXTIR阻挡层变宽5/13/2024第一节：半导体二极管5、PN结的伏安特性右图所示为PN结的伏安特性曲线图，它描述了PN结两端电压u和流过PN结电流i之间的关系。

UON表示“导通电压”U(RB)UONIRiu0U(RB)表示“反向击穿电压”,IR表示“反向电流”。二极管的伏安特性曲线根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示式中IS为反向饱和电流，V为二极管两端的电压降，VT=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VT=26mV。反向击穿PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象雪崩击穿当反向电压增高时，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。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。齐纳击穿当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。（不可逆击穿）—热击穿PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁

PN结的反向击穿二极管V-I特性的建模

1.理想模型3.折线模型

2.恒压降模型正偏时导通，管压降为0V;反偏时截止，电流为0。管子导通后,管压降认为是恒定的,典型值为0.7V。管压降不是恒定的,而是随电流的增加而增加。

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）

二极管V-I特性的建模

求电路的ID和VD，已知R=10K在两种情况下计算:（1）VDD=10V（2）VDD=1V

解:二极管使用直流理想模型理想模型（1）VDD=10V时首先：将原始电路中的二极管用它的理想模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若>0,则理想二极管正向导通；若<0，则理想二极管反向截止；在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管因为只有直流电压源作用，所以使用直流模型。（硅二极管典型值）2）二极管使用直流恒压降模型首先：将原始电路中的二极管用它的直流恒压降模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若>0,则理想二极管正向导通；若<0，则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管（硅二极管典型值）设二极管使用直流折线模型首先：将原始电路中的二极管用它的直流折线模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若>0,则理想二极管正向导通；若<0，则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管二极管使用直流理想模型（2）VDD=1V时首先：将原始电路中的二极管用它的理想模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若>0,则理想二极管正向导通；若<0，则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管（硅二极管典型值）2）二极管使用直流恒压降模型首先：将原始电路中的二极管用它的直流恒压降模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若>0,则理想二极管正向导通；若<0，则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管（硅二极管典型值）设二极管使用直流折线模型首先：将原始电路中的二极管用它的直流折线模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若>0,则理想二极管正向导通；若<0，则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管VDD=10V时VDD=1V时1）二极管使用直流理想模型2）二极管使用直流恒压降模型VDD=10V时VDD=1V时（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）二极管使用直流折线模型VDD=10V时VDD=1V时当电源电压远大于二极管管压降的情况下，恒压降模型就可以取得比较合理的结果当电源电压较低时，就必须使用折线模型才可以取得比较合理的结果理想模型计算最简单，但是误差最大本题目中，二极管当作开关来使用，即在所有时间内均导通5/13/2024第一节：半导体二极管2.1.2二极管的符号及其主要参数半导体二极管是最基本的半导体器件之一，具有“单向导电性”，主要分为检波、开关、稳压及整流等类型。将一个PN结加上管脚引线、封上管壳就构成二极管。其电路符号如右所示。图中：A端为阳极（正极）接PN结的P区，K端为阴极（负极）接PN结的N区。二极管符号5/13/2024第一节：半导体二极管2.1.2二极管的符号及其主要参数二极管的主要参数有：⑴最大正向电流IF:指允许流过的最大电流，正常工作时，应使其实际流过的电流小于IF

。⑵反向击穿电压U(RB):指二极管被反向击穿时，对其施加的反向电压值。⑶反向电流IR:指在室温下，在规定反向电压的范围内，测出的反向电流值。约为几十纳安。⑷最高工作频率fT:指允许工作频率的上限值，当超过它时，二极管将失去单向导电性。5/13/2024第一节：半导体二极管⑸反向恢复时间tre:指二极管在开关运用时，由导通状态变为截止状态所经历的时间，通常为几纳秒，越小越好。2.1.2二极管的符号及其主要参数⑹温度影响:由于二极管含有两种载流子，特别是少数载流子的漂移运动受温度的影响很大。即当温度升高时，IR将急剧增加，硅管的IR值比锗管的要小得多。一．势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。PN结的电容效应（非线性电容）高频应用CB大小与PN结面积成正比，与耗尽区厚度成反比，而耗尽区厚度随外加电压的改变而改变VDCBCB与结电阻并联反偏时，结电阻大，CB小，高频影响大正偏时，结电阻小，CB大，影响小非线性电容

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。二．扩散电容CD当外加正向电压不同时，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。5/13/2024第一节：半导体二极管2.1.3二极管应用举例二极管的伏安特性是一个非线性曲线。在实际分析电路时，为了简单起见，一般把它视为一个理想的开关：在导通时，视为“短路”或一个低值电阻rD，截止时，视为“开路”。例2.1.1限幅电路右图所示是一个简单的限幅电路，假设ui为一周期性矩形脉冲，高电平为+5V,低电平为-5V。5/13/2024第一节：半导体二极管ui/vuo/vt/mst/ms(a)(b)解：当输入ui为-5V时，二极管截止，视为开路，输出uo=0V;当输入ui为+5V时，二极管导通，其导通电阻rD相对于R很小，故输出uo≈+5V。5/13/2024第一节：半导体二极管2.1.4稳压管及其应用稳压管是一种特殊的二极管，是模拟电路中常用的一种元件。稳压管正常工作在反向击穿状态。这时，即使当稳压管中的电流值发生波动，其两端电压的变化也会很小，得到一个稳定的输出电压。U(RB)UONIRiu0为使稳压管不会因过流而损坏，应在电路中加限流电阻。稳压管应用 稳压管正常工作的两个条件：a.必须工作在反向击穿状态；b.流过管子的电流必须介于稳定电流和最大电流之间。典型应用如图所示：当输入电压vi和负载电阻RL在一定范围内变化时，流过稳压管的电流发生变化，而稳压管两端的电压Vz变化很小，即输出电压vo基本稳定。电阻R的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。稳压管应用如果输入电压Vi（Vi>VZ）确定，稳压管处于稳压状态。负载电阻RL增大，IL减小，IZ增大，只要IZ<IZmax

，稳压管仍能正常工作。负载电阻RL减小，IL增大，IZ减小，只要IZ>IZmin，稳压管仍能正常工作。开关电路在数字电路中实现与逻辑~220Ve2iDuL整流电路整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路1、半波整流e2E2m+-iDuL整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性~220Ve2iDuL+-2、全波整流~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLe2’e2