第03章 半導(dǎo)體二極管及基本電路.

1、1湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院E-mail:hunan_E-mail:hunan_ 主講主講: : 王潤民王潤民第三章第三章 2 物質(zhì)的導(dǎo)電性能分類物質(zhì)的導(dǎo)電性能分類導(dǎo)體：導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體導(dǎo)體，金屬，金屬一般都是導(dǎo)體。一般都是導(dǎo)體。電阻率小于電阻率小于10-4 cm 絕緣體：絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體絕緣體，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。電阻率大于電阻率大于109cm半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣

2、體之間，稱為體之間，稱為半導(dǎo)體半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。電阻率電阻率10-4 cm-109cm 一、一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體33.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識（一）本征半導(dǎo)體：（一）本征半導(dǎo)體： 純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的鍺鍺、硅、硒、硅、硒半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：( (可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻) )。摻雜性摻雜性：純凈的半導(dǎo)體中摻入微量某些雜質(zhì)，導(dǎo)電純凈的半導(dǎo)體中摻入微量某些雜質(zhì)，導(dǎo)電 能力明顯改變能力明顯改變( (可做成各種不同用途的半導(dǎo)可做

3、成各種不同用途的半導(dǎo) 體器件，如二極管、三極管等）。體器件，如二極管、三極管等）。光敏性：光敏性：當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化 ( (可做可做 成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極 管、光敏三極管等管、光敏三極管等) )。熱敏性：熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)34晶體中原子的排列方式晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價健共價鍵中的兩個電子，稱為共價鍵中的兩個電子，稱為價電子價電子。 Si Si Si Si價電子價電子半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)：45

4、 Si Si Si Si價電子價電子 價電子在獲得一定價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，能量（溫度升高或受光照）后，掙脫原子核的束縛，成為掙脫原子核的束縛，成為自由自由電子電子（帶負(fù)電），同時共價鍵（帶負(fù)電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為中留下一個空位，稱為空穴空穴（帶正電）。（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征激發(fā)：本征激發(fā)：空穴空穴 溫度愈高，晶體中產(chǎn)生溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子、空穴愈多。的自由電子、空穴愈多。自由電子自由電子 在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補(bǔ)，在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，

5、其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動（相而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動（相當(dāng)于正電荷的移動）。當(dāng)于正電荷的移動）。56結(jié)論：結(jié)論：(1) 半導(dǎo)體有半導(dǎo)體有兩種載流子兩種載流子（負(fù)）電子、（正）空穴（負(fù)）電子、（正）空穴(2) 自由電子和自由電子和空穴成對地產(chǎn)生，同時又不斷復(fù)合。空穴成對地產(chǎn)生，同時又不斷復(fù)合。 在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡動態(tài)平衡， 半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。(3) 載流子的數(shù)量少，故導(dǎo)電性能很差。載流子的數(shù)量少，故導(dǎo)電性能很差。(4) 載流子的數(shù)量受溫度影響較大，溫度高數(shù)量就多。載流

6、子的數(shù)量受溫度影響較大，溫度高數(shù)量就多。 所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。(5) 當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，載流子定向運(yùn)動當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，載流子定向運(yùn)動 （漂移運(yùn)動），在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流（漂移運(yùn)動），在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流 自由電子作定向運(yùn)動自由電子作定向運(yùn)動 電子電流電子電流 價電子遞補(bǔ)空穴價電子遞補(bǔ)空穴 空穴電流空穴電流67 Si Si Si Sip+多多余余電電子子磷原子磷原子在常溫下即可在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮幼優(yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€失去一個電子變?yōu)殡娮幼優(yōu)檎x子正離子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴（二）雜質(zhì)半導(dǎo)

7、體：（二）雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻入少量雜質(zhì)的半導(dǎo)體摻入少量雜質(zhì)的半導(dǎo)體下一節(jié)下一節(jié)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回78下一節(jié)下一節(jié)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回(1) N 型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）形成：向本征半導(dǎo)體中摻入少量的形成：向本征半導(dǎo)體中摻入少量的 5 價元素價元素特點(diǎn)：特點(diǎn)：（a）含有）含有大量的電子大量的電子多多數(shù)載流數(shù)載流子子 （b）含有）含有少量的空穴少量的空穴少少數(shù)載流數(shù)載流子子無論無論N型或型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。(2) P 型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）形成：向本征半導(dǎo)體中摻入少量的

8、形成：向本征半導(dǎo)體中摻入少量的 3 價元素價元素特點(diǎn)：特點(diǎn)：（a）含有）含有大量的空穴大量的空穴多多數(shù)載流數(shù)載流子子 （b）含有）含有少量的電子少量的電子少少數(shù)載流數(shù)載流子子89（三）（三）PN 結(jié)結(jié) (1) PN 結(jié)的形成結(jié)的形成flash1多數(shù)載流子的濃度差多數(shù)載流子的濃度差多數(shù)載流子擴(kuò)散多數(shù)載流子擴(kuò)散空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)少數(shù)載流子漂移少數(shù)載流子漂移擴(kuò)散擴(kuò)散 = 漂移漂移穩(wěn)定的空間電荷區(qū)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)即即PN 結(jié)結(jié)或耗盡層或耗盡層下一節(jié)下一節(jié)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回內(nèi)電場內(nèi)電場半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)910(2) PN 結(jié)的特性結(jié)的特性 （a）PN 結(jié)外加正向電壓結(jié)外加

9、正向電壓PN 結(jié)正偏結(jié)正偏PN 結(jié)正向?qū)ńY(jié)正向?qū)ㄍ怆妶雠c內(nèi)電場方向相反外電場與內(nèi)電場方向相反利于擴(kuò)散利于擴(kuò)散擴(kuò)散擴(kuò)散 漂移漂移PN 結(jié)變窄結(jié)變窄外部電源不斷提供電荷外部電源不斷提供電荷產(chǎn)生較大的擴(kuò)散電流產(chǎn)生較大的擴(kuò)散電流 I正正下一節(jié)下一節(jié)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回 1011（b）PN 結(jié)外加反向電壓結(jié)外加反向電壓PN 結(jié)反偏結(jié)反偏PN 結(jié)反向截止結(jié)反向截止外電場與內(nèi)電場方向相同外電場與內(nèi)電場方向相同利于漂移利于漂移漂移漂移 擴(kuò)散擴(kuò)散PN 結(jié)變厚結(jié)變厚外部電源不斷提供電荷外部電源不斷提供電荷產(chǎn)生較小的反向電流產(chǎn)生較小的反向電流 I反反 下一節(jié)下一節(jié)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回

10、1112 結(jié)論：結(jié)論：加正向電壓加正向電壓導(dǎo)通導(dǎo)通加反向電壓加反向電壓截止截止單方向?qū)щ娦詥畏较驅(qū)щ娦韵乱还?jié)下一節(jié)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回 12133.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管（一）基本結(jié)構(gòu)（一）基本結(jié)構(gòu)按材料分按材料分硅管硅管鍺管鍺管按按PN結(jié)分結(jié)分點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型面接觸型面接觸型按用途分按用途分普通管普通管整流管整流管PN陽極陽極陰極陰極下一節(jié)下一節(jié)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)兩層半導(dǎo)體兩層半導(dǎo)體一個一個PN結(jié)結(jié)1314點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型正極正極引線引線觸絲觸絲N N 型鍺片型鍺片外殼外殼負(fù)極負(fù)極引線引線負(fù)極引線負(fù)極引線 面接觸型面接觸型N型鍺型鍺PN PN

11、結(jié)結(jié) 正極引線正極引線鋁合金鋁合金小球小球底座底座金銻金銻合金合金正極正極引線引線負(fù)極負(fù)極引線引線集成電路中平面型集成電路中平面型PNP P 型支持襯底型支持襯底15 半導(dǎo)體二極管的型號半導(dǎo)體二極管的型號 國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下： 2 A P 9 用數(shù)字代表同類型器件的不同型號用數(shù)字代表同類型器件的不同型號 用字母代表器件的類型，用字母代表器件的類型，P P代表普通管代表普通管 用字母代表器件的材料，用字母代表器件的材料，A A代表代表N N型型GeGe B B代表代表P P型型GeGe，C C代表代表N N型型SiSi，D D代表代表P

12、 P型型SiSi 2 2代表二極管，代表二極管，3 3代表三極管代表三極管16173.2.2 3.2.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性一、一、PN PN 結(jié)的伏安方程結(jié)的伏安方程D/DS(e1)TunUiI反向飽和電流反向飽和電流10-8-10-14A溫度的溫度的電壓當(dāng)量電壓當(dāng)量qkTUT 電子電量電子電量玻爾茲曼常數(shù)玻爾茲曼常數(shù)1.38*10-23J/K當(dāng)當(dāng) T T = 300(27= 300(27 C)C)：UT = 26 mV18二、二極管的伏安特性二、二極管的伏安特性O(shè)uD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死區(qū)死區(qū)電壓電壓iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V( (硅

13、管硅管) )( (鍺管鍺管) )U UthiD 急劇上升急劇上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管硅管 0.7 V(0.2 0.4) V鍺管鍺管 0.3 V反向特性反向特性ISU (BR)反向擊穿反向擊穿U(BR) U 0 iD = IS U(BR) 反向電流急劇增大反向電流急劇增大 ( (反向擊穿反向擊穿) )19反向擊穿類型：反向擊穿類型：電擊穿電擊穿熱擊穿熱擊穿反向擊穿原因反向擊穿原因： 齊納擊穿齊納擊穿：(Zener)(Zener)反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價鍵。反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價鍵。 ( (擊穿電壓擊穿電壓 6 V 6 V 6 V，正，正

14、溫度系數(shù)溫度系數(shù)) )擊穿電壓在擊穿電壓在 6 V 6 V 左右時，溫度系數(shù)趨近零。左右時，溫度系數(shù)趨近零。20（二）伏安特性：（二）伏安特性： 二極管電流與電壓之間的關(guān)系二極管電流與電壓之間的關(guān)系UIOUDUIOUIOAABB硅硅鍺鍺正向：死區(qū)（正向：死區(qū)（ OA 段）段）: 硅管約硅管約 0.5 V， 鍺管約鍺管約 0.2 V； 正向?qū)▍^(qū)正向?qū)▍^(qū): 硅管硅管 約約 0.7 V，鍺管約，鍺管約0.3 V溫度增加，曲溫度增加，曲線左移線左移反向：截止區(qū)（反向：截止區(qū)（ OB 段）段）: I 近似為近似為 0； 擊穿區(qū)擊穿區(qū): 管子被擊穿管子被擊穿半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的伏安特性

15、(a) 近似特性近似特性 (b) 理想特性理想特性溫度增加，曲溫度增加，曲線下移線下移下一節(jié)下一節(jié)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)2021（c c） 折線近似模型折線近似模型u uD Di iD DU UD(on)D(on)U UI IIUr D斜率斜率1/ 1/ r rD Dr rD DU UD(on)D(on)22溫度對二極管特性的影響溫度對二極管特性的影響606040402020 0.02 0.020 00.40.425255050i iD D / mA/ mAu uD D / V / V2020 C C9090 C CT T 升高時，升高時，U UD(on)D(on)以以

16、 ( (2 2 2.5) mV/ 2.5) mV/ C C 下降下降233.2.3 3.2.3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)1.1. I IF F 最大整流電流最大整流電流( (最大正向最大正向平均平均電流電流) )2 2. . U URM RM 最高反向工作電壓最高反向工作電壓，為為 U U(BR) (BR) / 2/ 2 3 3. . I IR R 反向電流反向電流( (越小單向?qū)щ娦栽胶迷叫蜗驅(qū)щ娦栽胶? )4 4. . f fM M 最高工作頻率最高工作頻率( (超過時單向?qū)щ娦宰儾畛^時單向?qū)щ娦宰儾? )i iD Du uD DU U (BR) (BR)I I F FU UR

17、MRMO O24影響工作頻率的原因影響工作頻率的原因 PN PN 結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 結(jié)論：結(jié)論：1. 1. 低頻低頻時，因結(jié)電容很小，對時，因結(jié)電容很小，對 PN PN 結(jié)影響很小。結(jié)影響很小。 高頻高頻時，因容抗增大，使時，因容抗增大，使結(jié)電容分流結(jié)電容分流，導(dǎo)致導(dǎo)致單向單向 導(dǎo)電性變差。導(dǎo)電性變差。2. 2. 結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。25二極管二極管的單向?qū)щ娦缘膯蜗驅(qū)щ娦?1. 二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）時，極接負(fù)）時， 二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二

18、極管正向電阻較小，正向電流較大。向電阻較小，正向電流較大。 2. 二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰極接正）時，極接正）時， 二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。向電阻較大，反向電流很小。 3. 3. 外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。失去單向?qū)щ娦浴?4. 4. 二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。反向電流愈大。下一節(jié)下一節(jié)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)2526二極管

19、電路分析：先二極管電路分析：先判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止否則，正向管壓降否則，正向管壓降硅硅0 0.60.7V鍺鍺0.20.3V若若 V陽陽 V陰陰或或 UD為正，二極管導(dǎo)通為正，二極管導(dǎo)通若若 V陽陽 UN二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通等效為等效為 0.7 V 的恒壓源的恒壓源 PN30UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (

20、mA)31 +aTrDuou2bRLio+u1t uDO分析輸出電壓和二極管上電壓的波形。分析輸出電壓和二極管上電壓的波形。假設(shè)二極管為理想二極管。假設(shè)二極管為理想二極管。 u2 正半周，正半周，VaVb，D導(dǎo)通，導(dǎo)通，uo = u2 ； u2 負(fù)半周，負(fù)半周，VaV陰陰 二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V否則，否則， UAB低于低于6V一個管壓降一個管壓降，為為6.3或或6.7V例例4： 取取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。陽極和陰極的電位。 二極管起鉗位作用二極管起鉗

21、位作用 D6V12V3k BAUAB+下一節(jié)下一節(jié)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)3233兩個二極管的陰極接在一起兩個二極管的陰極接在一起取取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極管，分析二極管陽極和陰極的電位。的電位。V1陽陽 =6 V，V2陽陽=0 V，V1陰陰 = V2陰陰= 12 VUD1 = 6V， UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導(dǎo)通優(yōu)先導(dǎo)通，鉗位，使鉗位，使 D1截止截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V例例5:流過流過 D2 的電流為的電流為mA43122D I求求：UA

22、BD2 起鉗位作用起鉗位作用， D1起隔離作用起隔離作用。 BD16V12V3k AD2UAB+下一節(jié)下一節(jié)上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回上一節(jié)上一節(jié)3334例例6:+6VRDAVAVBVYDB當(dāng)當(dāng)VA = 3V，VB = 0V時，分析輸出端的電位時，分析輸出端的電位VY。理想二極管：理想二極管：VY = VB = 0V UDB UDA DB 優(yōu)先導(dǎo)通優(yōu)先導(dǎo)通， DA截止截止。 鍺二極管：鍺二極管：VY = VB + UD = 0.3V 硅二極管：硅二極管：VY = VB + UD = 0.7V-6VRDAVAVBVYDB UDA UDB DA 優(yōu)先導(dǎo)通優(yōu)先導(dǎo)通， DB截止截止。理想二極管：理想二極管：VY = VA = 3V 鍺二極管：鍺二極管：VY = VA - UD = 2.7V 硅二極管：硅二極管：VY = VA - UD =