半导体二极管及其基本电路课件

半導體二極體及其基本電路

*3.1半導體的基本知識3.1.1半導體材料3.1.2半導體的共價鍵結構3.1.3本征半導體3.1.4雜質半導體半導體:導電特性介於導體和絕緣體之間典型的半導體有矽Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。導電的重要特點1、其能力容易受環境因素影響（溫度、光照等）2、摻雜可以顯著提高導電能力*3.1.2半導體的共價鍵結構原子結構簡化模型—完全純淨、結構完整的半導體晶體。3.1.3本征半導體在T=0K和無外界激發時，沒有載流子，不導電兩個價電子的共價鍵正離子核*

3.1.3本征半導體、空穴及其導電作用溫度

光照自由電子空穴本征激發空穴

——共價鍵中的空位空穴的移動——空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現的。由熱激發或光照而產生自由電子和空穴對。溫度

載流子濃度

＋*空穴的移動—空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的 價電子依次充填空穴來實現的*半導體導電特點1：其能力容易受溫度、光照等環境因素影響

溫度↑→載流子濃度↑→導電能力↑3.1.4雜質半導體N型半導體摻入五價雜質元素（如磷）P型半導體摻入三價雜質元素（如硼）自由電子＝多子空穴＝少子空穴＝多子自由電子＝少子由熱激發形成它主要由雜質原子提供空間電荷*

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下:

T=300K室溫下,本征矽的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征矽的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜後N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質對半導體導電性的影響*本征半導體、本征激發本節中的有關概念自由電子空穴N型半導體、施主雜質(5價)P型半導體、受主雜質(3價)多數載流子、少數載流子雜質半導體複合*半導體導電特點1： 其能力容易受溫度、光照等環境因素影響 溫度↑→載流子濃度↑→導電能力↑*半導體導電特點2：摻雜可以顯著提高導電能力*3.2PN結的形成及特性

3.2.1PN結的形成

3.2.2PN結的單向導電性

*

3.2.3PN結的反向擊穿

3.2.4PN結的電容效應*3.2.1PN結的形成1.濃度差

多子的擴散運動2.擴散

空間電荷區

內電場3.內電場

少子的漂移運動

阻止多子的擴散4、擴散與漂移達到動態平衡載流子的運動：擴散運動——濃度差產生的載流子移動漂移運動——在電場作用下，載流子的移動P區N區擴散：空穴電子漂移：電子空穴形成過程可分成4步(動畫)內電場*PN結形成的物理過程：因濃度差

空間電荷區形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

最後,多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。多子的擴散運動

雜質離子形成空間電荷區

對於P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。在空間電荷區，由於缺少多子，所以也稱耗盡層。擴散>漂移否是寬*3.2.2PN結的單向導電性只有在外加電壓時才…擴散與漂移的動態平衡將…定義：加正向電壓，簡稱正偏加反向電壓，簡稱反偏擴散>漂移大的正向擴散電流（多子）低電阻

正嚮導通漂移>擴散很小的反向漂移電流（少子）高電阻

反向截止*3.2.2PN結的單向導電性

PN結特性描述2、PN結方程PN結的伏安特性陡峭電阻小正嚮導通1、PN結的伏安特性特性平坦反向截止一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的非線性其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）近似估算正向：反向：*3.2.3PN結的反向擊穿當PN結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿p66電擊穿——可逆*3.2.4PN結的電容效應

(1)勢壘電容CB勢壘電容示意圖擴散電容示意圖(2)擴散電容CD*3.3半導體二極體3.3.1半導體二極體的結構3.3.2二極體的伏安特性3.3.3二極體的參數PN結加上引線和封裝

二極體按結構分類點接觸型面接觸型平面型*半導體二極體圖片點接觸型面接觸型平面型*3.3.2二極體的伏安特性3.PN結方程（近似）矽二極體2CP10的V-I特性鍺二極體2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性Vth=0.5V（矽）Vth=0.1V（鍺）注意1.死區電壓（門檻電壓）2.反向飽和電流 矽：0.1

A；鍺：10A*3.3.3二極體的參數(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)極間電容CB矽二極體2CP10的V-I特性*3.4二極體基本電路及其分析方法3.4.1二極體V-I特性的建模3.4.2應用舉例5、應用電路分析舉例2、二極體狀態判斷1、二極體電路的分析概述3、圖解分析法4、等效電路（模型）分析法講課思路：*1、二極體電路的分析概述應用電路舉例例3.4.2（習題3.4.12）習題3.4.5整流 限幅習題3.4.6初步分析——依據二極體的單向導電性D導通：vO=vI-vDD截止：vO=0D導通：vO=vDD截止：vO=vI左圖中圖顯然，vO與

vI的關係由D的狀態決定而且，D處於反向截止時最簡單！*分析思路分析任務：求vD、iD目的1:確定電路功能，即信號vI傳遞到vO，有何變化？目的2:判斷二極體D是否安全。首先，判斷D的狀態？若D反向截止，則相當於開路（iD

0，ROFF

∞）；若D正嚮導通，則？正嚮導通分析方法：圖解法等效電路（模型）法——將非線性線性先靜態（直流），後動態（交流）靜態：vI=0（正弦波过0点）動態：vI

01、二極體電路的分析概述*2、二極體狀態判斷例1:2CP1（矽），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向擊穿iD=

？vD=

？二極體狀態判斷方法假設D截止(開路)，求D兩端開路電壓普通：熱擊穿－損壞齊納：電擊穿VD=-VBR=-40VVD>0VD正嚮導通？-VBR<VD

0VD反向截止,ID=0VD

-VBRD反向擊穿,VD=-VBRD正嚮導通？D正嚮導通！*

例2：一二極管開關電路如圖所示。當V1和V2為0V或5V時，求V1和V2的值不同組合情況下，輸出電壓0的值。設二極體是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K15VVCCVI1+-VI2+-*

解：(1)當V1=0V,V2=5V時,D1為正向偏置，

V0=0V,此時D2的陰極電位為5V，陽極為0V，

處於反向偏置，故D2截止。(2)以此类推，将V1和V2的其餘三種組合及輸出電壓列於下表：

V1

V2

D1

D2

V00V0V導通導通0V0V5V導通截止0V5V0V截止導通0V5V5V截止截止5V*習題3.4.6試判斷圖題3.4.6中二極體導通還是截止，為什麼?圖題3.4.6(a)例3:習題3.4.5電路如下圖所示，判斷D的狀態2、二極體狀態判斷*例3:已知伏安特性,求VD、ID。3、圖解分析法例1(a)圖線性線性:vD=

VI-iDR非線性:非線性聯立求解，可得VD、ID圖解法直線與伏安特性的交點圖解法關鍵——畫直線又稱為負載線vD=

0iD=

VI/R=1mAvD=

1ViD=(VI-vD)/R=0.9mA靜態工作點QVD0.7VID0.95mA解*例4:已知伏安特性,求vD、iD。例3:已知伏安特性,求VD、ID。3、圖解分析法VI=

10Vvi=

1Vsin

t先靜態分析－直流負載線:再動態分析－交流負載線:vD=

VI+vi-iDRVD0.7VID0.95mAiD=ID+DiD

=0.95mA+0.1mAsin

tvD=VD+DvD

0.7V

*iD=ID+DiDvD=VD+DvD

VI=

10V，vi=

1Vsin

tVD0.7VID0.95mA靜態分析ui=0動態分析VI=0疊加原理例4:已知伏安特性,求vD、iD。3、圖解分析法*4、等效電路（模型）分析法（2.4.1二極體V-I特性的建模）

(1)理想模型(3)折線模型(2)恒壓降模型VD=0.7V（矽）VD=0.2V（鍺）Vth=0.5V（矽）Vth=0.1V（鍺）*4、等效電路（模型）分析法(4)小信號模型二極體工作在正向特性的某一小範圍內時，其正向特性可以等效為:微變電阻根據得Q點處的微變電導常溫下（T=300K）*5、應用電路分析舉例例5:（例3.4.1）求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V時（b）VDD=1V時VDD理想模型恒壓模型折線模型理想模型恒壓模型折線模型*例1:2CP1（矽），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向擊穿iD=

？vD=

？普通：熱擊穿－損壞齊納：電擊穿VD=-VBR=-40VD正嚮導通？D正嚮導通！*例3.4.2（習題3.4.12）習題3.4.5整流 限幅例6.2習題例6.35、應用電路分析舉例例6:畫出vO波形。初步分析——依據二極體的單向導電性D導通：vO=vI-vDD截止：vO=0D導通：vO=vDD截止：vO=vI左圖中圖例6.1習題*VI=

10V，vi=

1Vsin

t例4:已知伏安特性,求vD、iD。5、應用電路分析舉例iD=ID+DiD=0.95mA+0.1mAsin

tvD=VD+DvD

0.7V

靜態分析vi=0疊加原理動態分析VI=0小信號模型(小信號等效電路)*5、應用電路分析舉例例7:(小信號分析)例4中求

vD、

iD。VI=

10V，vi=

1Vsin

t解題步驟:(1)靜態分析(令vi=0）由恒壓降模型得VD0.7V;ID0.93mA(2)動態分析(令VI=0）由小信號模型得*分析方法小結3.4二極體基本電路及其分析方法假設D截止（開路）求D兩端開路電壓VD

0.7VD正嚮導通-VBR<VD

0.7VD反向截止ID=0(開路)VD

-VBRD反向擊穿VD=-VBR(恒壓)VD=0.7V(恒壓降)狀態等效電路條件將不同狀態的等效電路（模型）帶入原電路中，分析vI和vO

的關係畫出電壓波形和電壓傳輸特性特殊情況：求

vD（波動）小信號模型和疊加原理恒壓降模型*3.5特殊二極體3.5.1穩壓二極體（齊納）3.5.2變容二極體3.5.3光電子器件1.光電二極體2.發光二極體3.鐳射二極體反向擊穿狀態反向截止，利用勢壘電容反向截止，少子漂移電流特殊材料，正嚮導通發光必須掌握“齊納二極體”，其他瞭解。請自學！*3.5.1穩壓二極體1.符號及穩壓特性(a)符號(b)伏安特性利用二極體反向擊穿特性實現穩壓。穩壓二極體穩壓時工作在反向電擊穿狀態（齊納擊穿）。