半导体二极管及其基本电路课件1

半導體二極體及其基本電路*2.1半導體的基本知識2.1.1半導體材料2.1.2半導體的共價鍵結構2.1.3本征半導體2.1.4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*2.1.2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。2.1.3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*

2.1.3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

＋**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↑2.1.4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*2.2PN結的形成及特性

2.2.1PN結的形成

2.2.2PN結的單向導電性

*

2.2.3PN結的反向擊穿

2.2.4PN結的電容效應*2.2.1PN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*2.2.2PN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*2.2.2PN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：*2.2.3PN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電擊穿——可逆*2.2.4PN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*2.3半導體二極體2.3.1半導體二極體的結構2.3.2二極體的伏安特性2.3.3二極體的參數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*半導體二極體圖片***2.3.2二極體的伏安特性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*2.3.3二極體的參數(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*2.4二極體基本電路及其分析方法2.4.1二極體V-I特性的建模2.4.2模型分析法應用舉例

4、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、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2.4.2（習題2.4.12）習題2.4.5整流 限幅習題2.4.6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！*習題2.4.4試判斷圖題2.4.4中二極體導通還是截止，為什麼?圖題2.4.4(a)例2:習題2.4.3電路如下圖所示，判斷D的狀態2、二極體狀態判斷*

3、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）*

3、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）*

4、應用電路分析舉例例2.4.1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*二極體應用舉例

uiuoOO

t

t(b)

2

2DuiuoRL(a)++--（1）二極體整流電路*（2）二極體限幅電路

t+­RDE2Vuiuo+­+­(a)05ui

/V­5

23)(b

t02.7uo

/V­5

232.7*D1

鉗位作用D2隔離作用(3)開關電路D3.4V0.3V1D23.9k-12VABY*

例2.4.3一二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。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-

0

0*

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)以此類推，將V1和V2的其餘三種組合及輸出電壓列於下表：

V1

V2

D1

D2

V0

0V

0V導通導通

0V

0V

5V導通截止

0V

5V

0V截止導通

0V

5V

5V截止截止

5V*

由上表可見，在輸入電壓V1和V2中，只要有一個為0V，則輸出為0V;只有當兩輸入電壓均為5V時，輸出才為5V，這種關係在數字電路中稱為“與”邏輯。

注意：即判斷電路中的二極體處於導通狀態還是截止狀態，可以先將二極體斷開，然後觀察陰、陽兩極間是正向電壓還是反向電壓，若是前者則二極體導通，否則二極體截止。*（4）低電壓穩壓電路穩壓電源是電子電路中常見的組成部分。利用二極體正向壓降基本恒定的特點，可以構成低電壓穩壓電路。*

例：在如圖所示的低電壓穩壓電路中，直流電源電壓V

的正常值為10V，R=10k,當V

變化±1V時，問相應的矽二極體電壓(輸出電壓)的變化如何？

*

解：(1)當V

的正常值為10V時，利用二極體恒壓降模型有VD≈0.7V，由此可得二極體的電流為

此電流值可證實二極體的管壓降為0.7V的假設。

(2)在此Q點上，*

(3)按題意，V

有±1V的波動，它可視為峰-峰值為2V的交流信號，該信號作用於由R和rd組成得分壓器上。顯然，相應的二極體的信號電壓可按分壓比來計算，即Vd(峰-峰值)由此可知，二極體電壓Vd的變化為±2.79mV。*

4、應用電路分析舉例例2.4.4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2.4二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）代入原電路中，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*2.5特殊二極體2.5.1穩壓二極體（齊納）2.5.2變容二極體2.5.3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！*2.5.1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）。*(1)穩定電壓VZ(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(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩定工作電流

IZmax和最小穩定工作電流IZmin(5)穩定電壓溫度係數——

VZ2.穩壓二極體主要參數2.5.1穩壓二極體*2.5.1穩壓二極體3.穩壓電路正常穩壓時VO=VZ#

穩壓條件是什麼？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以嗎？自動調整過程：*

例：如圖所示是一個簡單的並聯穩壓電路。

R為限流電阻，求R上的電壓值VR和電流值。R*解：假定輸入電壓在（7--10V）內變化。R*習題與預習習題2.4.12.4.32.5.4預習3.1半導體BJT*一、判斷下列說法是否正確，用“√”和“×”表示判斷結果填入空內。（1）在N型半導體中如果摻入足夠量的三價元素，可將其改型為P型半導體。（）（2）因為N型半導體的多子是自由電子，所以它帶負電。（）（3）PN結在無光照、無外加電壓時，結電流為零。（）自測題解：（1）√（2）×（3）√

*

1）PN結加正向電壓時，空間電荷區將

。

A.變窄B.基本不變C.變寬

2）設二極體的端電壓為U，則二極體的電流方程是

。

A.ISeUB.

C.3）穩壓管的穩壓區是其工作在

狀態。

A.正嚮導通B.反向截止C.反向擊穿解：（1）A（2）C（3）C

二、選擇正確答案填入空內。*三、寫出圖T1.3所示各電路的輸出電壓值，設二極體導通電壓UD＝0.7V。解：UO1≈1.3V，UO2＝0，UO3≈－1.3V，

UO4≈2V，UO5≈1.3V，UO6≈－2V。圖T1.3*四、已知穩壓管的穩壓值UZ＝6V，穩定電流的最小值IZmin＝5mA。求圖T1.4所示電路中UO1和UO2各為多少伏。解：UO1＝6V，UO2＝5V。

圖T1.4*1.1

選擇合適答案填入空內。（1）在本征半導體中加入

元素可形成N型半導體，加入

元素可形成P型半導體。

A.五價B.四價C.三價（2）當溫度升高時，二極體的反向飽和電流將

。

A.增大B.不變C.減小習題解：（1）A，C（2）A

*1.2能否將1.5V的乾電池以正向接法接到二極體兩端？為什麼？

解：不能。因為二極體的正向電流與其端電壓成指數關係，當端電壓為1.5V時，管子會因電流過大而燒壞。*

1.7

現有兩只穩壓管，它們的穩定電壓分別為6V和8V，正嚮導通電壓為0.7V。試問：（1）若將它們串聯相接，則可得到幾種穩壓