第1章：晶体二极管

1、第一章晶体二极管,第一章晶体二级管（Diode）,1.1半导体物理基础知识,1.2PN结,1.3晶体二极管电路的分析方法,1.4晶体二极管的应用,1.5其它二极管,第一章晶体二极管,物质按其导电能力可分为导体、绝缘体和半导体3种。通常人们把容易导电的物质称为导体,如金、银、铜等;把在正常情况下很难导电的物质称为绝缘体,如陶瓷、云母、塑料、橡胶等;把导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体,如硅和锗。导体、半导体和绝缘体的划分,严格地说是以物质的电阻率的大小来确定的。电阻率小于10-3cm的称为导体;电阻率大于108cm的称为绝缘体;其电阻率介于导体的和绝缘体的之间的物质称为半导体。,(1)

2、热敏性:一些半导体对温度的反应很灵敏,其电阻率随着温度的上升而明显地下降,利用这种特性很容易制成各种热敏元件,如热敏电阻、温度传感器等。(2)光敏性:有些半导体的电阻率随着光照的增强而明显地下降,利用这种特性可以做成各种光敏元件,如光敏电阻和光电管等。(3)掺杂性:半导体的电阻率受掺入的“杂质”影响极大,在半导体中即使掺入的杂质十分微量,也能使其电阻率大大地下降,利用这种独特的性质可以制成各种各样的晶体管器件。半导体为什么会具有上述特性呢？要回答这个问题,必须研究半导体的内部结构。,1.1半导体物理基础知识,半导体：指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。,硅、锗原子结构及简化模型：,大多数半导

3、体器件所用的主要材料是硅(Si)、锗(Ge),第一章晶体二极管,1.1.1本征半导体,纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体（比如硅和锗的单晶体）。它们是制造半导体器件的基本材料。,硅和锗共价键结构示意图：,共价键具有很强的结合力，当T=0K及无外界影响时，晶体中无自由移动的电子。,第一章晶体二极管,本征激发,这种现象称,本征激发。,当原子中的价电子在光照或温度升高时获得能量挣脱共价键的束缚而成为自由电子，原子中留下空位（即空穴），（即产生自由电子空穴对）同时原子因失去价电子而带正电。,第一章晶体二极管,本征激发,注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。,当邻近原子中的价电子释放能量不断

4、填补这些空位时（自由电子与空穴的复合）形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。空穴运动方向与价电子填补方向相反。即自由电子和空穴都能在晶格中自由移动。因而统称它们为半导体的载流子。,自由电子带负电,半导体中有两种导电的载流子,空穴带正电,第一章晶体二极管,温度一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。,半导体除了上面提到的光敏性和热敏性外，还有一种重要的特性就是掺杂性，即在本征半导体中加入微量杂质元素后，半导体的导电性能会大大增强。加杂质后的半导体称为杂质半导体。根据加入杂质元素的不同可分为N型半导体和P型半导体。实际上制造晶体管的材料都是杂质半导体。,第一章晶体二极管,1.1.2

5、杂质半导体,N型半导体：,本征半导体中掺入少量五价元素构成。,简化模型：,自由电子,常温情况下，杂质元素全部电离为自由电子和正离子，正离子在晶格中不能移动，不参与导电。,（杂质电离（多数）和本征激发产生）,（本征激发产生）,第一章晶体二极管,常温情况下，杂质元素全部电离为空穴和负离子，负离子在晶格中不能移动，不参与导电。,P型半导体：,简化模型：,本征半导体中掺入少量三价元素构成。,空穴,（杂质电离（多数）和本征激发产生）,（本征激发产生）,第一章晶体二极管,1.1.3两种导电机理漂移和扩散,载流子在电场作用下的运动运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。,漂移与漂移电流,载流子在浓度差作用下

6、的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散电流。,扩散与扩散电流,概述,第一章晶体二极管,1.2半导体二极管,1.2.1PN结的形成,1.2.2PN结的基本特性,1.2.3二极管,晶体二极管、三极管的基本结构为PN结，他们的特性与PN结有关。,1.2.1PN结的形成,利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合。,PN结形成的物理过程:,阻止多子扩散,利于少子漂移,N型,E内,第一章晶体二极管,第一章晶体二极管,1.2.2PN结的特性,PN结的基本特性为单向导电性（即正向导通，反向截止）；除了单向导电性外还有反向击穿特性、温度特性、电容特性。,正偏：是正向偏置的简称，正向偏置是指给PN结

7、的P端接电源的“+”极，N端接电源的“-”极的一种接法。而PN结的正偏特性就是给PN结加正偏电压时所表现出的特性。,反偏：是反向偏置的简称，反向偏置是指给PN结的P端接电源的“-”极，N端接电源的“+”极的一种接法。而PN结的反偏特性就是给PN结加反偏电压时所表现出的特性。,第一章晶体二极管,PN结的单向导电性（即正向导通，反向截止）,一、正偏特性,E外,I,第一章晶体二极管,PN结呈小电阻特性，理想情况下相当于开关闭合。,二、反偏特性,E外,IS,PN结呈大电阻特性，理想情况下相当于开关断开。,第一章晶体二极管,结论：PN结具有单方向导电特性。,即正向导通，反向截止。,二极管（PN结）的伏安

8、特性方程式,其中：,IS为反向饱和电流（其值很小，近似为0），其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。,正偏时：,反偏时：,（非线性关系）,第一章晶体二极管,PN结伏安特性曲线,温度每升高10，IS约增加一倍。,温度每升高1，VD(on)约减小2.5mV。,PN结受温度影响大（温度特性）,第一章晶体二极管,三、PN结（二极管）的击穿特性,反向击穿分：雪崩击穿和齐纳击穿两种。这两种击穿都是可逆的。,但若PN结上电流过大，时间过长而产生过热就会产生热击穿而烧坏管子。（应避免）,利用PN结的反向击穿特性可制成稳压二极管。,第一章晶体二极管,稳压管,第一章晶体二极管,稳压二极管,利用PN结的反向击穿

9、特性，可制成稳压二极管。,要求：IzminIzIzmax,稳压二极管的主要参数,1、稳定电压UZ:在反向击穿区时的稳定工作电压，UZ是根据要求挑选稳压管的主要依据之一。,2、稳定电流IZ:是使稳压管正常工作时的参考电流，一般说来工作电流较大时稳压性能较好。,3、动态内阻rZ:rZU/I，其值越小越好。,4、额定功耗PZ:PZUZIZM,使用稳压管组成电路时需注意的几个问题：,某原因VOIZI,限流电阻R：保证稳压管工作在IzminIzmax之间,稳压原理：,VO=VZ,输出电压：,1、应该给稳压管加反偏电压，以保证工作于反向击穿区,2、稳压管应与负载电阻并联以使输出电压稳定。,3、必须限制流过

10、稳压管的电流IZ，使其不超过规定值，以免因过热而烧坏管子。,第一章半导体器件,稳压管,四、PN结（二极管）的电容特性,二极管（PN结）除具有单向导电、反向击穿特性外，当加在二极管上的电压发生变化时，由于PN结中储存的电荷量也随之发生变化，因此它还有一定的电容效应，二极管的电容效应包括两部分，即扩散电容Cd和势垒电容Cb。其值都很小，一般为几PF几十PF。,在电子设备中，常把反偏的PN结作压控电容器使用(变容二极管）。,势垒区内空间电荷量随外加电压变化产生的电容效应。,势垒电容Cb,扩散电容Cd,阻挡层外（P区和N区）贮存的非平衡电荷量,随外加电压变化产生的电容效应。,PN结总电容：Cj=Cb+

11、Cd（高频工作时必须考虑）,PN结正偏时，CdCb，则CjCd即以扩散电容为主,PN结反偏时，CTCD，则CjCT即以势垒电容为主,第一章晶体二极管,1.2.3半导体二极管,一、晶体二极管结构及电路符号：,二、晶体二极管的基本特性（与PN结类似）：单向导电特性,二极管的伏安特性关系式：,二极管的伏安特性曲线：,VD(on),0.7(V)(Si管）,0.2(V)(Ge管）,说明二极管是非线性器件,第一章晶体二极管,半导体二极管图片,第一章晶体二极管,1.3晶体二极管电路分析方法,第一章晶体二极管,晶体二极管的内部结构就是一个PN结。因而它们的伏安特性相似，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的

12、模型：,适于任一工作状态的通用曲线模型,便于计算机辅助分析的数学模型,第一章晶体二极管,1.3.1晶体二极管的模型,数学模型伏安特性方程式,理想模型：,修正模型：,rS体电阻+引线接触电阻+引线电阻,注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际IS理想IS。,第一章晶体二极管,曲线模型伏安特性曲线,晶体二极管的伏安特性曲线，通常由实测得到。,简化电路模型,第一章晶体二极管,折线等效：在主要利用二极管单向导电性的电路中，实际二极管的伏安特性。,理想状态：与外电路相比，VD(on)和RD均可忽略时，二极管的伏安特性和电路符号。,开关状态：与外电路相比，RD可忽略时的伏安特性。,

13、简化电路模型：折线等效时，二极管的简化电路模型。,：二极管增量结电阻。,（室温）,第一章半导体器件,小信号电路模型,：PN结串联电阻，数值很小。,Cj：PN结结电容，由Cd和Cb两部分构成。,注意：高频电路中，需考虑Cj影响。因高频工作时，Cj容抗很小PN结单向导电性会因Cj的交流旁路作用而变差。,第一章半导体器件,小信号电路模型,1.3.2晶体二极管电路分析方法,图解法,分析二极管电路主要采用：图解法、简化分析法、小信号等效电路法。（重点掌握简化分析法）,写出管外电路直流负载线方程。,利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。,要求：已知二极管伏安特性曲线和外围电路

14、元件值。,分析步骤：,作直流负载线。,分析直流工作点。,优点：直观。既可分析直流，也可分析交流。,第一章晶体二极管,Q,由图可写出直流负载线方程：V=VDD-IR,在直流负载线上任取两点：,解：,VDD,VDD/R,连接两点，画出直流负载线。,VQ,IQ,令I=0，得V=VDD；,令V=0，得I=VDD/R；,所得交点，即为Q点。,例1：已知电路参数和二极管伏安特性曲线，试求电路的静态工作点电压和电流。,第一章晶体二极管,简化分析法,第一章晶体二极管,即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。,将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化电路模型替代，然后分析求解。

15、,（1）估算法,判断二极管是导通还是截止？,假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位。,理想二极管：若V0，则管子导通；反之截止。,实际二极管：若VVD(on)，管子导通；反之截止。,当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。,例2：设二极管是理想的，求VAO值。,第一章晶体二极管,图(a)，假设D开路，则D两端电压：,VD=V1V2=612=180V，,解：,故D截止。,VAO=12V。,图(b)，假设D1、D2开路，则D两端电压：,VD1=V20=9V0V，,VD2=V2(V1)=15V0V,由于VD2VD1，则D2优先导通。,此时VD1=6V0

16、V，,故D1截止。,VAO=V1=6V。,（2）画输出信号波形方法,根据输入信号大小判断二极管的导通与截止找出vO与vI关系画输出信号波形。,例3：设二极管是理想的，vi=6sint(V)，试画vO波形。,解：,vi2V时，D导通，则vO=vi,vi2V时，D截止，则vO=2V,由此可画出vO的波形。,第一章晶体二极管,小信号分析法,第一章晶体二极管,即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。,分析步骤：,将直流电源短路，画交流通路。,用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。,利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。,Page28例3,1.4晶体二极管的应用,第一章晶体二极管,电源设备组成框图：,第一章晶体二极管,1.4