中北大学模电半导体二极管及其基本电路

1、第 1 章 半导体二极管及其基本电路,1.1半导体的基础知识,1.2半导体二极管,1.3半导体二极管的应用,1.4特殊二极管,小结,知识要点,1.正确理解杂质半导体 2.正确理解PN结的形成及特性； 3.熟练掌握二极管的特性； 4.深刻理解二极管的主要技术指标； 5.了解其他功能特殊二极管，可扩展； 6.根据工程应用，能够正确选择、安全、合理应用二极管。,1.1半导体的基础知识,1.1.1本征半导体,1.1.2杂质半导体,1.1.3PN结及其特性,几个概念,电阻率： 电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。 单位：m或ohmm（欧姆米）。 定义：某种材料制成的长1米、横截面积是1mm2，在常

2、温下（20时）导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。,导体、绝缘体和半导体,金属导体：电阻率为10-810-6m,随温度降低，电阻率降低趋于0变成超导体 绝缘体：108m 半导体：10-5107m,1.1.1 本征半导体,半导体 ,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,本征半导体 ,完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。,按照晶体结构：单晶半导体和多晶半导体,1）半导体的原子结构,硅(锗)的原子结构,简化 模型,(束缚电子),2）本征半导体的晶体结构,硅(锗)的共价键结构,共价键 ,相邻原子共有价电子所形成的束缚。,半导体的特点,1

3、.热敏性：半导体的导电能力与温度有关，利用该特性可做成热敏器件。,2.光敏性：半导体的导电能力与光的照射有关，利用该特性可做成光敏器件。,3.掺杂性：掺如有用的杂质可以改变半导体的导电能力，利用该特性可做成半导体器件。,本征半导体的原子结构和共价键,锗晶体的共价键结构示意图 半导体能带结构示意图,价带中留下的空位称为空穴,自由电子定向移动 形成电子流,共价键内的电子 称为束缚电子,外电场E,束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流,挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子,3）本征半导体的导电情况,当温度为绝对零度以下时，该结构为绝缘体 在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并

4、在共价键中留下一个空位(空穴),本征激发,复 合：,自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。,漂 移：,自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。,在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。,载流子 ：,自由运动的带电粒子,两种载流子,电子(自由电子),空穴,两种载流子的运动,自由电子(在共价键以外)的运动,空穴(在共价键以内)的运动,结论：,1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；,2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；,3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。,1.1.2 杂质半导体,一、N 型半导体,电子为

5、多数载流子,空穴为少数载流子,二、 P 型半导体,P 型,硼原子,空穴,空穴 多子,电子 少子,载流子数 空穴数,深入思考,为什么半导体不掺入6价，7价元素，导电性能不是会更好吗？,三、杂质半导体的导电作用,I,IP,IN,I = IP + IN,N 型半导体 I IN,P 型半导体 I IP,四、P 型、N 型半导体的简化图示,P 型：,N 型：,1.1.3 PN 结,一、PN 结(PN Junction)的形成,1）载流子的浓度差引起多子的扩散,2） 交界面处形成空间电荷区，产生了一个内电场,3）内电场阻碍了多子的扩散和促使了少子漂移,4）产生了两种电流：扩散电流和漂移电流,空间电荷区 （

6、阻挡层、耗尽层）,5. 扩散和漂移达到动态平衡后扩散电流 等于漂移电流，总电流 I = 0。 形成的空间电荷区，又称阻挡层或耗尽层。,6. 内电场所建立的电位差（请牢记） 硅材料半导体为：0.60.8V 锗材料半导体为：0.10.3V,P-N区掺杂浓度相同PN结对称，不同不对称,二、PN 结的单向导电性,1）正向偏置（Forward bias) 外加正向电压,1.定性分析,内电场,外电场,（限流电阻）,外电场使多子向 PN 结移动, 中和部分离子使空间电荷区变窄。,扩散运动加强形成正向电流 IF 。,IF = I多子 I少子 I多子,2）反向偏置( Reverse bias) 外加反向电压,外

7、电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。,PN 结的单向导电性（重点掌握）： 正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,漂移运动加强形成反向电流 IR,IR = I少子 0,2）定量估算,反向饱和电流,温度的 电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数,当 T = 300(27C)：,当加正向电压（uUT）时,当加反向电压（uUT）时,iIS,UT = 26 mV,课堂扩展,1）请将PN结伏安特性（公式1-1）用泰勒级数展开。 2）当u=Acos（t）时，将其带入展开式，会有什么变化？,3）伏安特性,反向击穿,正向特性,反向特性,4）PN结的击穿特性,当PN结上所加的反

8、向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象。,1）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。,2）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。,击穿是可逆。掺杂浓度 小的二极管容易发生。,击穿是可逆。掺杂浓度 大的二极管容易发生。,3）热击穿, 不可逆击穿,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。,5）PN结的电容效应,（1）势垒电容CB,当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，与电容的充放电过

9、程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容。,（2）扩散电容CD,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。,外加电压不同情况下，P、N区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效为扩散电容。,特别提醒,势垒电容和扩散电容均是非线性电容,并同时存在。 外加电压变化缓慢时（为低频信号）可以忽略，但是变化较快时（高频信号）不容忽略。,1.2半导体二极管,1.2.1 半导体二极

10、管的结构和类型,1.2.2 半导体二极管的伏安特性,1.2.3 温度对二极管伏安特性的影响,1.2.4 半导体二极管的主要参数,1.2.6 半导体二极管的模型,1.2.5 半导体器件的型号及二极管的选择,1.2.1 半导体二极管的结构和类型,构成：,PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode),符号：,A,(Anode),C,(Cathode),分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,引脚式,贴片式,1.2.2 二极管的伏安特性,一、PN 结的伏安方程,反向饱和电流,温度的 电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数,当 T = 300(27C)：,UT =

11、 26 mV,二、二极管的伏安特性,正向特性,Uth,门限 电压,iD = 0,Uth = 0.50.6 V,0.10.2V,(硅管),(锗管),U Uth,iD 急剧上升,0 U Uth,UD(on) = 0.7 V,硅管 0.7 V,0.3 V,锗管 0.2 V,反向特性,反向击穿电压U (BR),反向击穿,U(BR) U 0,iD = IS, 0.1 A(硅),几十 A (锗),U U(BR),反向电流急剧增大,(反向击穿),反向击穿,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿： (Zener),反向电场太强，将电子强行拉出共价键。,雪崩击穿：,反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使自由电

12、子数突增。, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,硅管的伏安特性,锗管的伏安特性,材料 门限电压 导通电压 反向电流Is 硅 0.50.6V 0.7V 0.1A 锗 0.10.2V 0.3V 几十A,1.2.3 温度对二极管伏安特性的影响,T 升高时，导通电压,UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降,90C,1.2.4 二极管的主要参数,1. IF 最大整流电流(最大正向平均电流),2. URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2,3. IR 反向电流(越小单向导电性越好),4. fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差),影响工作频率的原因 ,PN 结的电容效应,

13、结论： 1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。 高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向 导电性变差。 2. 结面积小时结电容小，工作频率高。,1.2.5 半导体二极管的模型,1） 理想二极管模型,特性,符号及 等效模型,正偏导通， uD = 0；,反偏截止 iD = 0 UBR = ,2 ）二极管的恒压源模型,uD = UD(on),0.7 V (Si),0.3V (Ge),3）二极管的折线模型,图解法,【例1-1】 电路如图1-15所示，VD为硅二极管，R=2k， 求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。,解:,当VDD=2V时,采用恒压源模型进行分析,UO=VDD

14、Uon=2V0.7V=1.3V,IO=UO/R=1.3V/2k=0.65mA,当VDD=10V时,采用理想二极管模型分析,UO=VDD =10V,IO=UO/R=10V/2k=5mA,图1-19（a）,1.3 半导体二极管的应用,二极管在电路中有着广泛的应用，利用它的单向导电性，可组成整流、限幅、检波电路，还可做元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。,1.3.1 二极管在限幅电路中的应用,限幅电路分为串联限幅电路、并联限幅电路、,和双向限幅电路三种。,1）串联限幅电路,uD=uiE ，uo=ui-uD,当uDUon,即uiE+Uon时,VD正向导通,uD=Uon,uo=uiUon,输出波形,

15、当uDUon,即uiE+Uon时,VD截止,流过二极管的电流为零,uo=E,因二极管VD与输出端串联， 故称它为串联限幅电路。,电压传输特性（限幅特性）uo=f(ui),输出波形,2）并联限幅电路,因二极管VD和输出端并联，故称为并联限幅电路。,3）双向限幅电路,二极管VD1和VD2反向并联在电路的输出端。,1.3.2 二极管在整流电路中的应用,1）单相半波整流电路,2）全波整流电路,1. 4特殊二极管,1.4.1 稳压二极管,1.4.2 发光二极管,1.4.3 光电二极管,1.4.4 变容二极管,1.4.1 稳压二极管,一、伏安特性,符号,工作条件：反向击穿,特性,二、主要参数,1）稳定电压

16、 UZ 流过规定电流时稳压管两端的 反向电压值。,2）稳定电流 IZ 越大稳压效果越好， 小于 Imin 时不稳压。,3）最大工作电流 IZM,P ZM = UZ IZM,5）动态电阻 rZ,rZ = UZ / IZ,越小稳压效果越好。,几 几十 ,4）最大耗散功率 PZM,5）稳定电压温度系数 ,UZ 4 V， 0 (为齐纳击穿)具有负温度系数；,UZ 7 V， 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数；,4 V UZ 7 V， 很小。,三. 稳压管稳压电路稳压原理,IR = IDZ + IO,UO= UI IR R, 负载电阻RL不变，输入电压UI变化时, 当输入电压UI不变，负载电阻RL变化时,

17、（1）稳压原理, 限流电阻的选择,限流电阻R的选择按下式,限流电阻的选择公式 推导教材P21,【例1-5】,已知 稳压二极管参数：UZ=6V，IZmin=10mA，PCM=200mW，R=500。 rz和反向饱和电流均可忽略。试求：, 当UI=20V，RL分别取1k、100或开路时， 电路的稳压性能如何？输出电压UO=？ 当UI=7V，RL变化时，电路的稳压性能如何？, 当RL=1k时，,解:,见教材P22,VDZ被反向击穿,因为：,所以：,稳压管稳压性能好,当RL=100时,稳压管不能被击穿,当负载开路时,UO=UZ=6V,IDZIZmax,稳压管能稳压，且稳压性能很好, 当UI=7V时,当

18、负载开路时，流过稳压管的电流最大，为,故稳压管不能稳压,1.4.2 发光二极管,发光二极管 LED (Light Emitting Diode),1） 符号和特性,工作条件：正向偏置,一般工作电流几十 mA， 导通电压 (1 2) V,符号,特性,2. 主要参数,电学参数：I FM ，U(BR) ，IR,光学参数：峰值波长 P，亮度 L，光通量 ,发光类型：,可见光：红、黄、绿,显示类型： 普通 LED ，,不可见光：红外光,点阵 LED,七段 LED ,1.4.3 光电二极管,1符号和特性,符号,特性,工作条件： 反向偏置,2. 主要参数,电学参数：,暗电流，光电流，最高工作范围,光学参数：

19、,光谱范围，灵敏度，峰值波长,实物照片,补充：选择二极管限流电阻,步骤：,1. 设定工作电压(如 0.7 V；2 V (LED)；UZ ),2. 确定工作电流(如 1 mA；10 mA；5 mA),3. 根据欧姆定律求电阻 R = (UI UD)/ ID,(R 要选择标称值),1.4.4 变容二极管,特点：结电容随反向电压的增加而减少,符号,应用：高频技术中应用较多,C(pF),-V(V),第 1 章 小 结,一、两种半导体和两种载流子,两种载流 子的运动,电子, 自由电子,空穴, 价电子,两 种 半导体,N 型 (多电子),P 型 (多空穴),二、二极管,1）特性, 单向导电,正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。,2） 主要参数,正向 最大平均电流 IF,反向 ,最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿),反向饱和电流 IR (IS)(受温度影响),IS,3）二极管的等效模型,理想模型 (大