第1章半導(dǎo)體二極管及其基本電路

1、第1章 半導(dǎo)體二極管及其半導(dǎo)體二極管及其基本電路基本電路n半導(dǎo)體的基本知識n半導(dǎo)體二極管及其基本特性n二極管的基本應(yīng)用電路第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路1.1 半導(dǎo)體基本知識在自然界中，根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力的差別，可在自然界中，根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力的差別，可將它們劃分為將它們劃分為導(dǎo)體導(dǎo)體、絕緣體絕緣體和和半導(dǎo)體半導(dǎo)體。如：金屬如：金屬如：橡膠、陶瓷、塑如：橡膠、陶瓷、塑料和石英等等料和石英等等第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路其中最其中最典型的半導(dǎo)體是典型的半導(dǎo)體是硅硅Si和和鍺鍺Ge，它們都是它們都是4價價元素元素典型的半導(dǎo)體材料典型的半導(dǎo)體材料 元素元素硅（硅（Si）、鍺（鍺（Ge）化合物化合物

2、砷化鎵（砷化鎵（GaAs）摻雜元素?fù)诫s元素 硼（硼（B）、磷（磷（P）1.1.1 1.1.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，當(dāng)受外界光和熱刺激或加入微量摻雜,導(dǎo)電能力顯著增加。第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路半導(dǎo)體特點： 1) 在外界能源的作用下，導(dǎo)電性能顯著變 化。光敏元件、熱敏元件屬于此類。 2) 在純凈半導(dǎo)體內(nèi)摻入雜質(zhì)，導(dǎo)電性能顯 著增加。二極管、三極管屬于此類。第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路硅和鍺最外層軌道上的四個電子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為稱為價電子價電子。硅原子和鍺原子的結(jié)構(gòu)GeSi+4半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

3、能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。為方便起見，常表示如下：第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)圖+4+4+4+4共價鍵共用電子對共價鍵正離子核第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路1. 本征半導(dǎo)體定義：定義：純凈的、不含其他雜質(zhì)的半導(dǎo)體。純凈的、不含其他雜質(zhì)的半導(dǎo)體。在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛其中，不能成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。+4+4+4+4T=0K時本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖：第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路溫度升高后，本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖+4+4+4+4自由電子空穴第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路+4+4+4+4這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。所

4、謂本征激發(fā)，就是由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生電子空穴對的過程。電子空穴對第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路+4+4+4+4電子空穴對復(fù)合：與本征激發(fā)現(xiàn)象相反，即自由電子遇到空穴并填補空穴，從而使兩者同時消失的現(xiàn)象。在一定溫度下，本征激發(fā)在一定溫度下，本征激發(fā)與復(fù)合這二者產(chǎn)生的電子與復(fù)合這二者產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)目相等，達到空穴對數(shù)目相等，達到一種一種動態(tài)平衡動態(tài)平衡。第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路E自由電子帶負(fù)電荷，形成電子流帶負(fù)電荷，形成電子流兩種載流子兩種載流子空穴視為視為帶正電荷，形成空穴流帶正電荷，形成空穴流+4+4+4+4自由電子空穴電 子 流空 穴 流第1章 半導(dǎo)體二極管及其

5、基本電路2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。因摻入雜質(zhì)性質(zhì)因摻入雜質(zhì)性質(zhì)不同，可分為：不同，可分為：空穴（空穴（P）型半導(dǎo)體）型半導(dǎo)體電子（電子（N）型半導(dǎo)體）型半導(dǎo)體【Positive】【Negative】第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路+4+4+3+4P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖在硅（或鍺）的晶體中摻入少量在硅（或鍺）的晶體中摻入少量3價雜質(zhì)元素，如價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。硼、鎵等。1. P型半導(dǎo)體 空穴v 多數(shù)載流子（多子）空穴；v 少數(shù)載流子（少子）自由電子?？昭ǖ膩碓矗海?）本征激發(fā)產(chǎn)生（少量的）

6、（2）摻入雜質(zhì)元素后多余出來的（大量的）第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路+4+4+3+4P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖在硅（或鍺）的晶體中摻入少量在硅（或鍺）的晶體中摻入少量3價雜質(zhì)元素，如價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。硼、鎵等。1. P型半導(dǎo)體 空穴v 多數(shù)載流子（多子）空穴；v 少數(shù)載流子（少子）自由電子。自由電子的來源：只有本征激發(fā)產(chǎn)生（少量的）第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路v 多數(shù)載流子（多子）自由電子；v 少數(shù)載流子（少子）空穴。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖+4+4+5+4在硅（或鍺）的晶體中摻入少量在硅（或鍺）的晶體中摻入少量5價雜質(zhì)元素，價雜質(zhì)元素，如磷，砷等。如磷，砷等。2. N型半導(dǎo)體 多余的電子自由

7、電子的來源：（1）本征激發(fā)產(chǎn)生（少量的）（2）摻入雜質(zhì)元素后多余出來的（大量的）第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路v 多數(shù)載流子（多子）自由電子；v 少數(shù)載流子（少子）空穴。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖+4+4+5+4在硅（或鍺）的晶體中摻入少量在硅（或鍺）的晶體中摻入少量5價雜質(zhì)元素，價雜質(zhì)元素，如磷，砷等。如磷，砷等。2. N型半導(dǎo)體 多余的電子空穴的來源：只有本征激發(fā)產(chǎn)生（少量的）第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示方法+P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體少子濃度只與溫度有關(guān)多子濃度主要受摻入雜質(zhì)濃度的影響負(fù)離子空穴正離子自由電子第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路P1-2相關(guān)概念相關(guān)

8、概念n半導(dǎo)體半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間n半導(dǎo)體特點：1) 在外界能源的作用下，導(dǎo)電性能顯著變化。2) 在純凈半導(dǎo)體內(nèi)摻入雜質(zhì)，導(dǎo)電性能顯著增加。n本征激發(fā)，就是由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生電子空穴對的過程。n復(fù)合：與本征激發(fā)現(xiàn)象相反，即自由電子遇到空穴并填補空穴，從而使兩者同時消失的現(xiàn)象。n本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示方法+P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體少子濃度只與溫度有關(guān)多子濃度主要受摻入雜質(zhì)濃度的影響負(fù)離子空穴正離子自由電子第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路1.1.2 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?. PN結(jié)的形成第1章 半導(dǎo)體

9、二極管及其基本電路耗盡層PN結(jié)勢壘區(qū)阻擋層+-第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路由上可知，由上可知，PN結(jié)中進行著兩種載流子的運動：v 多數(shù)載流子的多數(shù)載流子的擴散運動擴散運動v 少數(shù)載流子的少數(shù)載流子的漂移運動漂移運動產(chǎn)生的電流稱為產(chǎn)生的電流稱為擴散電流擴散電流產(chǎn)生的電流稱為產(chǎn)生的電流稱為漂移電流漂移電流P區(qū)空穴N區(qū)N區(qū)電子P區(qū)N區(qū)空穴P區(qū)P區(qū)電子N區(qū)第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦詎外加正向電壓即電源的正極接即電源的正極接P P區(qū)，負(fù)極接區(qū)，負(fù)極接N N區(qū)。區(qū)。PNPN結(jié)的這種接法稱為結(jié)的這種接法稱為正向接法正向接法或或正向偏置正向偏置（簡稱（簡稱正偏正偏）。）。前提

10、：只有在外加電壓時才會顯示出來第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路PN結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通+變薄內(nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)多子空穴多子電子IFVF正向電流I：擴散電流第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路PN結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通+變薄內(nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)IFVFI：擴散電流內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流I。小結(jié)第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路外加反向電壓即電源的正極接即電源的正極接N N區(qū)，負(fù)極接區(qū)，負(fù)極接P P區(qū)。區(qū)。PNPN結(jié)的這種接法稱為結(jié)的這種接法稱為反向接法反向接法或或反向偏置反向偏置（簡稱（簡稱反偏反偏）。）。第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路PN結(jié)加反向電壓時截止+內(nèi)電場外電場P區(qū)N

11、區(qū)VR變厚IRI：漂移電流反向電流溫度一定時，反向電流IR趨于恒定值，稱為反向飽和電流IS。第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路PN結(jié)加反向電壓時截止+內(nèi)電場外電場P區(qū)N區(qū)VR變厚IRI：漂移電流小結(jié)內(nèi)電場被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流IR。第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路歸納： PNPN結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴散電擴散電流流，呈現(xiàn)低電阻，呈現(xiàn)低電阻， PNPN結(jié)結(jié)導(dǎo)通導(dǎo)通； PNPN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電漂移電流流，呈現(xiàn)高電阻，呈現(xiàn)高電阻， PNPN結(jié)結(jié)截止截止。這就

12、是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。?章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路 1.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)與符號二極管實物認(rèn)識二極管實物認(rèn)識1.2 1.2 半導(dǎo)體二極管及其特性半導(dǎo)體二極管及其特性第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路二極管圖形符號、文字符號二極管圖形符號、文字符號diodeD第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路1 正向特性 硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.50.8V左右， 鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.20.3 V左右。 當(dāng)0VVth時，正向電流為零，Vth稱死區(qū)電壓或開啟電壓。正向區(qū)分為兩段： 當(dāng)V Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。1.2.2 二極管的V-I特性第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路 當(dāng)

13、VBRV0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(dāng)VVBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓 。2, 反向特性第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路 硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。 3. 反向擊穿特性第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路 溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每增加溫度每增加88，反向電流將約增加一倍；鍺二極，反向

14、電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加管溫度每增加1212，反向電流大約增加一倍。，反向電流大約增加一倍。4. 溫度影響第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路VthV（BR）vD/ViD/mAiD/A環(huán)境溫度升高，二極管的正向特性曲線將左移，反向特性曲線下移。第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路nIF：最大整流電流1.2.3.二極管的參數(shù)指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。均電流。VBR：反向擊穿電壓指管子反向擊穿時的電壓值。指管子反向擊穿時的電壓值。一般手冊上給出的最大反向工作電壓約為一般手冊上給出的最大反向工作電壓約為VBR的的一半。一半。第1章 半

15、導(dǎo)體二極管及其基本電路指管子未擊穿時的反向電流。其值愈小，則管指管子未擊穿時的反向電流。其值愈小，則管子的單向?qū)щ娦杂?。子的單向?qū)щ娦杂?。溫度對它影響很大，使用時應(yīng)注意。溫度對它影響很大，使用時應(yīng)注意。IR：反向電流第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路1.3.1 穩(wěn)壓二極管iZ/mAvZ/VVZIZVZV-I特性特性ak代表符號代表符號V VZ Z表示反向擊表示反向擊穿電壓，即穩(wěn)壓管穿電壓，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。的穩(wěn)定電壓。1.31.3二極管的應(yīng)用電路二極管的應(yīng)用電路第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路VIIZIO(IL)VO【分析】例如：假設(shè)例如：假設(shè)VI恒定，而恒定，而RL減小，則有減小，則有R

16、LVZ穩(wěn)壓穩(wěn)壓IOIZ不變不變IRVRVI恒定恒定VOIZIRVRVI恒定恒定VO第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路（1 1）應(yīng)使外加電源的正極接管子的應(yīng)使外加電源的正極接管子的N N區(qū)，電區(qū)，電源的負(fù)極接源的負(fù)極接P P區(qū)，以區(qū)，以保證穩(wěn)壓管工作在保證穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)【！】。（2 2）穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻）穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻R RL L并聯(lián)，由于穩(wěn)壓并聯(lián)，由于穩(wěn)壓管兩端電壓的變化量很小，因而使輸出電管兩端電壓的變化量很小，因而使輸出電壓比較穩(wěn)定。壓比較穩(wěn)定。（3 3）必須限制流過穩(wěn)壓管的電流）必須限制流過穩(wěn)壓管的電流I IZ Z，不要超，不要超過規(guī)定值，以免因過熱而燒壞管子。過規(guī)定值，以免

17、因過熱而燒壞管子。【注意】第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路穩(wěn)壓管的一種實物圖黑頭一側(cè)為陰極，即k端第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路符號符號光電傳輸系統(tǒng)光電傳輸系統(tǒng) 1.3.2 1.3.2 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(發(fā)光發(fā)光)第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路幾種普通發(fā)光二極管實物圖長腳為正極大頭為負(fù)極第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路（a）符號）符號 （b）電路模型）電路模型 （c）特性曲線）特性曲線 1.3.3 1.3.3 光電二極管光電二極管可用來作為光的測量，是將光信可用來作為光的測量，是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的常用器件。號轉(zhuǎn)換為電信號的常用器件。(接收光接收光)第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路補

18、:判斷D狀態(tài)方法n習(xí)題1.11,1.12第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路開關(guān)電路開關(guān)電路（理想模型理想模型）電路如圖所示，求電路如圖所示，求AO的電壓值的電壓值解：解： 先斷開先斷開D，以，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，為基準(zhǔn)電位， 即即O點為點為0V。 則接則接D陽極的電位為陽極的電位為-6V，接陰極的電位為，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)?。接入時正向?qū)ā?dǎo)通后，導(dǎo)通后，D的壓降等于零，即的壓降等于零，即A點的電位就是點的電位就是D陽極的電位。陽極的電位。所以，所以，AO的電壓值為的電壓值為-6V。1.3.1 1.3.1 開關(guān)與整流電路開關(guān)與整流電路( (補補) )第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路整流電路整流電路（理想模型理想模型）（a）電路圖）電路圖 （b）vs和和vo的波形的波形半波整流電路第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路 將指數(shù)模型將指數(shù)模型 分段線性化，得到二極管特性的等效模型。分段線性化，得到二極管特性的等效模型