模擬電子技術(shù)：第3章 二極管及其基本電路

3二極管及其基本電路3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)3.3半導(dǎo)體二極管3.4二極管基本電路及其分析方法3.5特殊二極管3.2PN結(jié)的形成及特性3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

3.1.1

半導(dǎo)體材料

3.1.2

半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

3.1.3

本征半導(dǎo)體

3.1.4

雜質(zhì)半導(dǎo)體3.1.1半導(dǎo)體材料根據(jù)材料導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，可以把材料劃分為:導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

每一個(gè)硅（鍺）原子都與周?chē)膫€(gè)原子構(gòu)成“共價(jià)鍵”，即每個(gè)外層電子均為兩個(gè)原子所共有，互相吸引，很牢固——鍵。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)外層電子稱(chēng)為價(jià)電子。

3.1.2

半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)3.1.3本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分完全純凈的、晶格結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體?？昭ā矁r(jià)鍵中的空位。（看成一個(gè)帶正電荷的粒子，所帶電量與電子電量相同，但極性相反）空穴的移動(dòng)——空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生的空穴－電子對(duì)電子空穴對(duì)——由于共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生的電子空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，稱(chēng)為電子空穴對(duì)。3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。本征半導(dǎo)體中摻入了雜質(zhì)后稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。1.N型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫€(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。五價(jià)雜質(zhì)原子釋放電子后帶正電荷而成為正離子，五價(jià)雜質(zhì)原子也稱(chēng)為施主雜質(zhì)。2.P型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。鄰近的電子很容易落入受主的空穴，從而在半導(dǎo)體中產(chǎn)生可移動(dòng)的空穴。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。三價(jià)雜質(zhì)原子接受電子（即釋放空穴）后帶負(fù)電荷而成為負(fù)離子，三價(jià)雜質(zhì)原子也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。

3.雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K（室溫）下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.5×1010/cm31本征硅的原子密度:4.96×1022/cm3

3

2硅中的摻雜濃度一般大于（見(jiàn)劉恩科，半物P85，圖4－15）

1×1014/cm3本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體

本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子、可移動(dòng)空穴

N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)3.2PN結(jié)的形成及特性

3.2.2

PN結(jié)的形成

3.2.3

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

3.2.4

PN結(jié)的反向擊穿

3.2.5

PN結(jié)的電容效應(yīng)

3.2.1

載流子的漂移與擴(kuò)散3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運(yùn)動(dòng)：由電場(chǎng)作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。3.2.2PN結(jié)的形成同一個(gè)半導(dǎo)體單晶片上的N型區(qū)和P型區(qū)的交界面處會(huì)出現(xiàn)如下物理過(guò)程:因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)使載流子發(fā)生漂移（方向與擴(kuò)散相反）

最后,

擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成平衡的PN結(jié)。多子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面處，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱(chēng)為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)內(nèi)，由于載流子濃度相對(duì)于P區(qū)和N區(qū)內(nèi)的多子來(lái)說(shuō)很少，所以空間電荷區(qū)也稱(chēng)耗盡區(qū)。勢(shì)壘區(qū):

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽赑N結(jié)兩端施加電壓，P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極，稱(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏；反之稱(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)低電阻（耗盡區(qū)變薄，其中載流子濃度高）形成大的正向電流

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽赑N結(jié)兩端施加電壓，P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極，稱(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏；反之稱(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)高電阻（耗盡區(qū)厚，其中載流子濃度低）形成很小的反向電流IR

PN結(jié)反向電流是由少子的反向擴(kuò)散形成的。在一定的溫度下，由本征激發(fā)決定的少子濃度相對(duì)多子而言很少，而且濃度也不隨外加電壓變化，所以反向電流IR很小，并且隨反向電壓的增大，反向電流很快趨于恒定，這時(shí)的反向電流也稱(chēng)為反向飽和電流IS

。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通，具有較大的正向電流；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止，具有很小的反向電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦缘年P(guān)鍵在于它的耗盡區(qū)的存在，且其寬度隨外加電壓而變化(如何變化？)。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(3)PN結(jié)V-I特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）n

——發(fā)射系數(shù)，通常取為1VD——外加電壓

3.2.4PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱(chēng)為PN結(jié)的反向擊穿(電擊穿)。

雪崩擊穿

齊納擊穿雪崩擊穿：由于碰撞電離使載流子產(chǎn)生倍增效應(yīng)，使反向電流急劇增大。齊納擊穿：在(雜質(zhì)濃度特別大的)PN結(jié)上加有較高的反向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度很大，它能夠破壞共價(jià)鍵，將束縛電子分離出來(lái)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使反向電流急劇增大。熱擊穿——不可逆(大的正向電流或反向擊穿電流均可引起熱擊穿)PN結(jié)發(fā)生電擊穿后，如果PN結(jié)的發(fā)熱超過(guò)它的耗散功率，使PN結(jié)熱量散不出去，而使其溫度上升，直至過(guò)熱而燒毀。3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴(kuò)散電容CD當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時(shí)，結(jié)電容較大（主要決定于擴(kuò)散電容）當(dāng)PN結(jié)處于反向偏置時(shí)，結(jié)電容較?。ㄖ饕獩Q定于勢(shì)壘電容）

(2)勢(shì)壘電容CB3.3半導(dǎo)體二極管

3.3.1

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

3.3.2

二極管的伏安特性

3.3.3

二極管的主要參數(shù)3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類(lèi)。(1)點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于高頻電路和數(shù)字電路,但不能承受高的反向偏壓和大的電流。示意圖見(jiàn)第四版P39(2)面接觸型二極管(b)面接觸型3.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性門(mén)坎電壓(死區(qū)電壓)Vth

:硅管0.5伏，鍺管0.1伏;導(dǎo)通壓降:硅管0.7伏，鍺管0.2伏。3.3.3二極管的主要參數(shù)(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)反向恢復(fù)時(shí)間TRR(5)極間電容Cd=CB+CD3.4二極管基本電路及其分析方法

3.4.1簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法

3.4.2

二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法3.4.1簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡(jiǎn)單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過(guò)二極管的電流iD

。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱(chēng)為負(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱(chēng)為電路的工作點(diǎn)

3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。

≥0就看作“正”偏（導(dǎo)通），<0才是反偏（截止）斷開(kāi)二極管：（適應(yīng)范圍）

3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（2）恒壓降模型（適應(yīng)范圍）（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號(hào)模型vs

=0時(shí),Q點(diǎn)稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。vs

=Vmsint時(shí)（Vm<<VDD）,工作點(diǎn)將在和間移動(dòng),二極管特性曲線上和間的一段將反映隨變化的規(guī)律。將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I特性看作直線（以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線），就得到二極管在Q點(diǎn)附近的小信號(hào)模型。（因?yàn)榫€性化,所以可以應(yīng)用疊加原理）3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號(hào)模型過(guò)Q點(diǎn)的切線的斜率就是小信號(hào)模型的等效電阻—微變電阻即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模特別注意：小信號(hào)模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且VD>>VT。（因?yàn)榫€性化,所以可以應(yīng)用疊加原理）3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vo的波形2．模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）當(dāng)VDD=10V時(shí)，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)VDD=1V時(shí)，（自看）（a）簡(jiǎn)單二極管電路（b）習(xí)慣畫(huà)法2．模型分析法應(yīng)用舉例（3）限幅電路電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI=6sintV時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。2．模型分析法應(yīng)用舉例（4）開(kāi)關(guān)電路（自己看)判斷二極管狀態(tài)的方法（5）低壓穩(wěn)壓電路（自己看)2．模型分析法應(yīng)用舉例（6）小信號(hào)工作情況分析圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs

=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。