電子技術(shù)(模擬部分)-2-二極管及其典型應(yīng)用

緒論二極管及其典型應(yīng)用晶體三極管及其放大電路場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路級(jí)聯(lián)放大電路集成運(yùn)放及其典型應(yīng)用負(fù)反饋放大電路典型功能電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試課程主要內(nèi)容半導(dǎo)體二極管圖片問(wèn)題：1.二極管具有怎樣的物理結(jié)構(gòu)？2.二極管兩端的電壓和電流符合歐姆定律嗎？3.二極管有哪些類型？4.二極管有哪些典型應(yīng)用？2.1二極管特性2.2二極管工作原理2.3二極管結(jié)構(gòu)2.4二極管典型應(yīng)用電路2.5二極管主要參數(shù)2.6常用二極管器件介紹第二章晶體二極管及應(yīng)用電路2.1二極管特性一、二極管符號(hào)及其特性二、二極管的模型一、二極管符號(hào)及其特性1．正向特性2．反向特性3.二極管溫度特性4.二極管單向?qū)щ娦?.理想二極管模型特點(diǎn)：(1)正偏時(shí)導(dǎo)通，壓降為0V；(2)反偏時(shí)截止，反向電流為0。應(yīng)用:(1)電路簡(jiǎn)化定性分析;(2)大信號(hào)時(shí)電路的近似分析。+-

正極、陽(yáng)極負(fù)極、陰極二、二極管模型2.折線二極管模型特點(diǎn)：(1)正偏電壓>Uon時(shí)，導(dǎo)通；(2)反偏電壓<Uon時(shí)，截止。應(yīng)用：工程計(jì)算。（Si管Uon

≈0.7V，Ge管0.3V)；3.二極管交流模型當(dāng)二極管在正偏情況下，若疊加的交流為低頻小信號(hào)仍能保持二極管正偏，則可忽略二極管結(jié)電容和體電阻，其等效模型就是一個(gè)交流電阻rD。2.2二極管工作原理一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)二、PN結(jié)及其特性一、

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)什么是半導(dǎo)體？導(dǎo)體:

導(dǎo)電率為105s.cm-1，量級(jí)，如金屬。（S:西門(mén)子)絕緣體:導(dǎo)電率為10-22～10-14s.cm-1量級(jí)，如：橡膠、云母、塑料等。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。如：硅、鍺、砷化鎵等。半導(dǎo)體:

半導(dǎo)體特性摻入雜質(zhì)則導(dǎo)電率增加幾百倍摻雜特性半導(dǎo)體元件溫度增加使導(dǎo)電率大為增加溫度特性熱敏元件光照不僅使導(dǎo)電率大為增加還可以產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)光照特性光敏元件、光電元件本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。純度：99.9999999%，“九個(gè)9”它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。常用的本征半導(dǎo)體+4晶體特征在晶體中，質(zhì)點(diǎn)的排列有一定的規(guī)律。硅（鍺）的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型價(jià)電子正離子注意：為了方便，原子結(jié)構(gòu)常用二維結(jié)構(gòu)描述，實(shí)際上是三維結(jié)構(gòu)。鍺晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)示意圖價(jià)帶中留下的空位稱為空穴導(dǎo)帶自由電子定向移動(dòng)形成電子流本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵內(nèi)的電子稱為束縛電子價(jià)帶禁帶EG外電場(chǎng)E束縛電子填補(bǔ)空穴的定向移動(dòng)形成空穴流掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子1.本征半導(dǎo)體中有兩種載流子—自由電子和空穴它們是成對(duì)出現(xiàn)的2.在外電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生電流—電子流和空穴流電子流自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成的；方向與外電場(chǎng)方向相反；自由電子始終在導(dǎo)帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)。空穴流價(jià)電子遞補(bǔ)空穴形成的；方向與外電場(chǎng)方向相同；始終在價(jià)帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)。3.注意：本征半導(dǎo)體在熱力學(xué)零度（0K）和沒(méi)有外界能量激發(fā)下，晶體內(nèi)無(wú)自由電子，不導(dǎo)電。載流子概念：運(yùn)載電荷的粒子。本征半導(dǎo)體的載流子的濃度電子濃度

ni

:表示單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)空穴濃度pi:表示單位體積內(nèi)的空穴數(shù)。A0—

與材料有關(guān)的常數(shù)EG0—

禁帶寬度T—

絕對(duì)溫度k—

玻爾曼常數(shù)結(jié)論1.本征半導(dǎo)體中電子濃度ni

=空穴濃度pi

2.載流子的濃度與T、EG0有關(guān)

了解

載流子的產(chǎn)生與復(fù)合g——載流子的產(chǎn)生率即每秒成對(duì)產(chǎn)生的電子空穴的濃度。R——載流子的復(fù)合率即每秒成對(duì)復(fù)合的電子空穴的濃度。當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)g=R

R=r

nipi

其中r—復(fù)合系數(shù)，與材料有關(guān)。雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體。摻雜后半導(dǎo)體的導(dǎo)電率大為提高。

摻入的三價(jià)元素如B（硼）、Al（鋁）等，形成P型半導(dǎo)體，也稱空穴型半導(dǎo)體。

摻入的五價(jià)元素如P（磷）、砷等，形成N型半導(dǎo)體，也稱電子型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半導(dǎo)體中摻入的五價(jià)元素，如P。價(jià)帶導(dǎo)帶+++++++施主能級(jí)自由電子是多子（即多數(shù)載流子）空穴是少子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成由于五價(jià)元素很容易貢獻(xiàn)電子，因此將其稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)因提供自由電子而帶正電荷成為正離子。

P型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半導(dǎo)體中摻入的三價(jià)元素如B。價(jià)帶導(dǎo)帶-------受主能級(jí)自由電子是少子空穴是多子雜質(zhì)原子提供由熱激發(fā)形成因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。舉例：鍺原子密度為4.4×1022/cm3

，鍺本征半導(dǎo)ni=2.5×1013/cm3，若每104個(gè)鍺原子中摻入1個(gè)磷原子（摻雜密度為萬(wàn)分之一），則在單位體積中就摻入了10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3個(gè)砷原子。則施主雜質(zhì)濃度為：ND=

4.4×1018/cm3（比ni大一萬(wàn)倍）雜質(zhì)半導(dǎo)體小結(jié)：盡管雜質(zhì)含量很少（如萬(wàn)分之一），但提供的載流子數(shù)量仍遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子的數(shù)量。載流子的濃度主要取決于多子（即雜質(zhì)），故使導(dǎo)電能力激增。半導(dǎo)體的摻雜、溫度等可人為控制。雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度N型半導(dǎo)體：施主雜質(zhì)的濃度ND

n表示總電子的濃度

p表示空穴的濃度n

=p+ND≈ND（施主雜質(zhì)的濃度>>p）P型半導(dǎo)體：NA表示受主雜質(zhì)的濃度，

n表示電子的濃度

p表示總空穴的濃度p=n+NA≈NA

（受主雜質(zhì)的濃度>>n）

說(shuō)明：因摻雜的濃度很小，可近似認(rèn)為復(fù)合系數(shù)R保持不變。在一定溫度條件下，空穴與電子濃度的乘積為一常數(shù)。結(jié)論：在雜質(zhì)型半導(dǎo)體中，多子濃度比本征半導(dǎo)體的濃度大得多，而少子濃度比本征半導(dǎo)體的濃度小得多，但兩者乘積保持不變。其中：ni

表示本征材料中電子的濃度

pi

表示本征材料中空穴的濃度。n·p=ni

·pi=ni2=CPN結(jié)的形成PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的反向擊穿4.PN結(jié)電容5.PN結(jié)的光電效應(yīng)6.PN結(jié)的電致發(fā)光二、PN結(jié)及其特性1.PN結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散,稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流成為擴(kuò)散電流內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子向?qū)Ψ降臄U(kuò)散即阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)同時(shí)促進(jìn)少子向?qū)Ψ狡萍创龠M(jìn)了漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)=漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡耗盡層PN結(jié)P區(qū)N區(qū)空穴自由電子負(fù)電荷正電荷內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)物質(zhì)從濃度高向濃度低的地方的運(yùn)動(dòng)稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擴(kuò)散電流。漂移運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)作用下載流子的運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移電流。動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流=漂移電流，PN結(jié)內(nèi)總電流=0。PN結(jié)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，又稱高阻區(qū)，也稱耗盡層。P區(qū)N區(qū)U內(nèi)電場(chǎng)的建立，使PN結(jié)中產(chǎn)生了電位差

，從而形成接觸電位U。接觸電位U決定于材料及摻雜濃度硅：U=0.6～0.7V鍺：U=0.2～0.3V2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?）PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

原理：外電場(chǎng)方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。外接電源E后，P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為外接正向電壓，也稱為正向偏置，簡(jiǎn)稱正偏。內(nèi)外結(jié)論：PN結(jié)正偏時(shí)，呈現(xiàn)低阻性。2）PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況原理：外電場(chǎng)與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)。

內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流加大。此時(shí)PN結(jié)區(qū)少子漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流。P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為外接反向電壓，也稱為反向偏置，簡(jiǎn)稱反偏。內(nèi)外結(jié)論：PN結(jié)反偏時(shí)，呈現(xiàn)高阻性，近似為截止?fàn)顟B(tài)。小結(jié)：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。問(wèn)題：有必要加電阻R嗎？式中Is(反向)飽和電流;

UT=kT/q等效電壓

k波爾茲曼常數(shù)；q為電子的電量；UD為PN結(jié)兩端的電壓；ID為PN結(jié)的電流；當(dāng)T=300k（室溫）時(shí)，UT=26mv由半導(dǎo)體物理可推出：3）PN結(jié)電流方程PN結(jié)兩端的電壓與流過(guò)PN結(jié)電流的關(guān)系式當(dāng)加反向電壓時(shí)：加正向電壓時(shí)：(UD>>UT)PN結(jié)電流方程IDUD(UD>UBR)反向擊穿概念：PN結(jié)上所加的反向電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)（UD<UBR

）

，反向電流激增的現(xiàn)象。雪崩擊穿當(dāng)反向電壓增高時(shí)，少子獲得能量高速運(yùn)動(dòng)，在空間電荷區(qū)與原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生碰撞電離。形成連鎖反應(yīng)，象雪崩一樣。使反向電流激增。摻雜濃度小的二極管容易發(fā)生。齊納擊穿當(dāng)反向電壓較大時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)直接從共價(jià)鍵中將電子拉出來(lái)，形成大量載流子,使反向電流激增。摻雜濃度大的二極管容易發(fā)生。不可逆擊穿熱擊穿PN結(jié)的電流或電壓較大，使PN結(jié)耗散功率超過(guò)極限值，使結(jié)溫升高，導(dǎo)致PN結(jié)過(guò)熱而燒毀?？赡鎿舸舸?.PN結(jié)擊穿勢(shì)壘電容CB

當(dāng)外加電壓不同時(shí)，耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，與電容的充放電過(guò)程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容為勢(shì)壘電容。注意：此時(shí)PN結(jié)為反偏）4.PN結(jié)電容注意：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容,并同時(shí)存在。外加電壓變化緩慢時(shí)可以忽略，但是變化較快時(shí)不容忽略。擴(kuò)散電容CD

外加電壓不同情況下，P、N區(qū)少子濃度的分布將發(fā)生變化，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電荷的積累與釋放過(guò)程與電容充放電過(guò)程相同，這種電容等效為擴(kuò)散電容。如果在PN結(jié)加正偏電壓UD，外電場(chǎng)將消弱內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)載流子擴(kuò)散的阻擋作用。在外加電場(chǎng)滿足一定條件下，注入到耗盡區(qū)內(nèi)的電子和空穴通過(guò)輻射復(fù)合而產(chǎn)生光子的速率將大于材料對(duì)光子的吸收速率，從而在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生光增益。EDPN5.PN結(jié)的電致發(fā)光PN結(jié)用導(dǎo)線連接成回路時(shí)，載流子面臨PN結(jié)勢(shì)壘的阻擋，在回路中不產(chǎn)生電流。當(dāng)有光照射PN結(jié)材料上時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度，則在PN結(jié)的耗盡區(qū)、P區(qū)、N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生光生的電子-空穴對(duì)，耗盡區(qū)內(nèi)的載流子在內(nèi)建場(chǎng)的作用下電子迅速移向N區(qū)，孔穴移向P區(qū)，在回路內(nèi)容形成光電流，而P、N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光子無(wú)內(nèi)建電場(chǎng)的作用只進(jìn)行自由的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，多數(shù)因復(fù)合而消失，對(duì)光電流基本沒(méi)有貢獻(xiàn)。DEDDRLUDIP注意：為了充分利用在PN結(jié)各區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子，PN結(jié)需加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘骸?.PN結(jié)的光電效應(yīng)一、二極管結(jié)構(gòu)二、二極管類型2.3二極管結(jié)構(gòu)及類型一、

二極管結(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)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。二極管符號(hào)正極負(fù)極分類說(shuō)明按功能分類整流二極管專門(mén)用于整流的二極管開(kāi)關(guān)二極管作為電子開(kāi)關(guān)使用穩(wěn)壓二極管專門(mén)用于直流穩(wěn)壓的二極管發(fā)光二極管專門(mén)用于發(fā)光指示的二極管光敏二極管對(duì)光有敏感作用的二極管，也稱光電二極管變?nèi)荻O管高頻電路中作為可調(diào)電容按材料分類硅二極管硅材料制作的二極管鍺二極管鍺材料制作的二極管按結(jié)構(gòu)分類點(diǎn)接觸型用于高頻檢波，開(kāi)關(guān)元件，小電流整流電路面接觸型用于低頻整流平面型用于整流、開(kāi)關(guān)元件二、

二極管類型2.4二極管典型應(yīng)用電路一、二極管整流電路二、二極管穩(wěn)壓電路三、二極管限幅電路四、二極管鉗位電路整流電路:把交流變?yōu)橹绷鞯碾娐?。半波整流整流電路中的二極管是作為開(kāi)關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦?。一?/p>

二極管整流電路橋式整流~220Vui2uL+-~220Vui2uL+-e2uLUL≈0.9

Ui2穩(wěn)壓電路組成：穩(wěn)壓管和調(diào)節(jié)電阻R。穩(wěn)壓條件：ui>Uz穩(wěn)壓工作原理：ui不變，負(fù)載減小，則IL增大，R上電流增大導(dǎo)致其壓降增大一個(gè)微量，RL兩端電壓將減小一個(gè)微量使IZ減小，這樣最后調(diào)節(jié)電阻R上的電流近似不變，R上的壓降不變，所以輸出電壓不變。電路特點(diǎn)：利用穩(wěn)壓二極管提供穩(wěn)定的直流電壓。二、

二極管穩(wěn)壓電路工作原理：利用二極管單向?qū)щ娦?，限定輸出信?hào)的幅度。三、

二極管限幅電路工作原理：當(dāng)輸入ui>0時(shí)，二極管瞬間導(dǎo)通，C快速充電，Uc=V1，充電結(jié)束，R無(wú)電流，輸出uo=0.

當(dāng)輸入ui<0時(shí)，二極管截止，C充放電緩慢，輸出uo=-Uc+ui

=-V1-V2。結(jié)論：利用二極管和電容，把一個(gè)雙向的周期信號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗虻男盘?hào)，并保持原信號(hào)波形的電路。四、

二極管鉗位電路2.5二極管的主