半导体二极管及基本电路课件

半導體二極體及基本電路半導體的基本知識本征半導體、空穴及其導電作用雜質半導體

根據物體導電能力(電阻率)的不同，劃分為導體、絕緣體和半導體。半導體的電阻率為10-3～109

cm。典型的半導體有矽Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導體的特點：1）導電能力不同於導體、絕緣體；2）受外界光和熱刺激時電導率發生很大變化——光敏元件、熱敏元件；3）摻進微量雜質，導電能力顯著增加——半導體。半導體的基本知識半導體的共價鍵結構

矽和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。原子按一定規律整齊排列，形成晶體點陣後，結構圖為：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4返回本征半導體、空穴及其導電作用本征半導體——完全純淨的、結構完整的半導體晶體。載流子——可以自由移動的帶電粒子。電導率——與材料單位體積中所含載流子數有關，載流子濃度越高，電導率越高。返回電子空穴對

當T=0K和無外界激發時，導體中沒有栽流子，不導電。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子——本證激發。

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，這個空位為空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子

因熱激發而出現的自由電子和空穴是同時成對出現的，稱為電子空穴對。本征激發動畫1-1空穴返回雜質半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N型半導體（電子型半導體）在本征半導體中摻入五價的元素(磷、砷、銻

)多餘電子，成為自由電子+5自由電子

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。返回+5+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半導體（空穴型半導體）在本征半導體中摻入三價的元素（硼）+3空穴空穴返回N型半導體的多數載流子為電子，少數載流子是空穴；P型半導體的多數載流子為空穴，少數載流子是電子。例：純淨矽晶體中矽原子數為1022/cm3數量級，在室穩下，載流子濃度為ni=pi=1010數量級，摻入百萬分之一的雜質（1/10-6），即雜質濃度為1022*（1/106）=1016數量級，則摻雜後載流子濃度為1016+1010，約為1016數量級，比摻雜前載流子增加106，即一百萬倍。返回PN結的形成及特性PN結的形成及特性PN結的單向導電性PN結的形成PN結的形成

在一塊本征半導體兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。

內電場促使少子漂移內電場阻止多子擴散因濃度差多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區

空間電荷區形成內電場動畫+五價的元素+三價的元素產生多餘電子產生多餘空穴PN結的單向導電性

(1)PN結加正向電壓

外加的正向電壓，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。於是,內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大於漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現低阻性。P區的電位高於N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏。動畫

外加反向電壓,方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大於擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現高阻性。

P區的電位低於N區的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。

在一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。動畫（2）PN結加反向電壓總之：PN結正向電阻小，反向電阻大——單向導電性。返回半導體二極體半導體二極體

二極體：一個PN結就是一個二極體。單向導電：二極體正極接電源正極，負極接電源負極時電流可以通過。反之電流不能通過。符號：

二極體按結構分有點接觸型、面接觸型二大類。(1)點接觸型二極體PN結面積小，結電容小，用於檢波和變頻等高頻電路。(2)面接觸型二極體PN結面積大，用於大電流整流電路。半導體二極體的結構半導體二極體的伏安特性曲線

式中IS為反向飽和電流，VD

為二極體兩端的電壓降，VT=kT/q

稱為溫度的電壓當量，k為玻耳茲曼常數，q

為電子電荷量，T為熱力學溫度。對於室溫（相當T=300K），則有VT=26mV。

第一象限的是正向伏安特性曲線，第三象限的是反向伏安特性曲線。(1)正向特性

矽二極體的死區電壓Vth=0.5~0.8V左右，

鍺二極體的死區電壓Vth=0.2~0.3V左右。

當0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱死區電壓或開啟電壓。正向區分為兩段：

當V＞Vth時，開始出現正向電流，並按指數規律增長。反向區也分兩個區域：

當VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS

。

當V≥VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。(2)反向特性

矽二極體的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小；鍺二極體的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。

若|VBR|≥7V時,主要是雪崩擊穿；若|VBR|≤4V時,則主要是齊納擊穿。(3)反向擊穿特性半導體二極體的參數(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR(3)反向電流IR(4)正向壓降VF在室溫，規定的反向電壓下，最大反向工作電壓下的反向電流值。矽二極體的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極體在微安(

A)級。在規定的正向電流下，二極體的正向電壓降。矽二極體約0.6～0.8V；鍺二極體約0.2～0.3V。二極體連續工作時，允許流過的最大整流電流的平均值。二極體反向電流急劇增加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。二極體基本電路分析二極體基本電路分析二極體模型正向偏置時：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時：電流為0，電阻為∞。當iD≥1mA時，vD=0.7V。1.理想模型2.恒壓降模型3.折線模型（實際模型）4.小信號模型二極體電路分析1.靜態分析例1：求VDD=10V時，二極體的電流ID、電壓VD值。解：1.理想模型正向偏置時：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時：電流為0，電阻為∞。2.恒壓降模型3.實際模型當iD≥1mA時，vD=0.7V。2.限幅電路VRVmvit0Vi>VR時，二極體導通，vo=vi。Vi<VR時，二極體截止，vo=VR。例2：理想二極體電路中

vi=VmsinωtV，求輸出波形v0。解：3.開關電路利用二極體的單向導電性可作為電子開關vI1vI2二極體工作狀態D1D2v00V0V導通導通導通截止截止導通截止截止0V5V5V0V5V5V0V0V0V5V例11：求vI1和vI2不同值組合時的v0值（二極體為理想模型）。解：例9：判別二極體是導通還是截止。+9V-+1V-+2.5V-+12.5V-+14V-+1V-截止-9V+-1V++2.5V-+12.5V-+14V-+1V-截止解：+18V-+2V-+2.5V-+12.5V-+14V-+1V-導通例4：

正半周：D1、D3導通D2、D4截止

負半周D2、D4導通D1、D3截止求整流電路的輸出波形。解：例5：實際模型

求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V時，輸出v0的值。(2).Vi=6sinωtV時，輸出v0的波形。解：(1).

vI=4V時，D導通。vI=0V時，D截止。v0=vI

vI=6V時，D導通。(2).Vi=6sinωtV（理想模型）

3Vvit06V

折線模型例6：理想二極體電路中vi=VmsinωtV，求輸出波形v0。V1vit0VmV2Vi>V1時，D1導通、D2截止，Vo=V1。Vi<V2時，D2導通、D1截止，Vo=V2。V2<Vi<V1時，D1、D2均截止，Vo=Vi。例7：畫出理想二極體電路的傳輸特性（Vo~VI）。

解：①VI<25V，D1、D2均截止。②VI>25V

，D1導通，D2截止。③VI>137.5V，D1、D2均導通。VO=25VVO=100VVI25V75V100V25V50V100V125VVO50V75V150V0137.5例8：畫出理想二極體電路的傳輸特性（Vo~VI）。當VI<0時D1導通D2截止當VI>0時D1截止D2導通0VIVO-5V+5V+5V-5V+2.5V-2.5V

已知二極體D的正嚮導通管壓降VD=0.6V，C為隔直電容，vi(t)為小信號交流信號源。試求二極體的靜態工作電流IDQ，以及二極體的直流導通電阻R直。求在室溫300K時，D的小信號交流等效電阻r交。CR1KE1.5V+VD－+vi(t)－解：例10：例3：

二極體限幅電路:已知電路的輸入波形為vi,二極體的VD

為0.6伏，試畫出其輸出波形。解：Vi>3.6V時，二極體導通，vo=3.6V。Vi<3.6V時，二極體截止，vo=Vi。特殊二極體特殊二極體穩壓二極體

穩壓二極體是應用在反向擊穿區的特殊矽二極體。穩壓二極體的伏安特性曲線與矽二極體的伏安特性曲線完全一樣。

穩壓二極體在工作時應反接，並串入一只電阻。電阻起限流作用，保護穩壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調節穩壓管的工作電流，從而起到穩壓作用。(2)動態電阻rZ

在規定的穩壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。

rZ=

VZ/

IZ，

rZ愈小，反映穩壓管的擊穿特性愈陡。

(3)

最大耗散功率

PZM

最大功率損耗取決