半導體二極管及其基本電路

2.1半導體的基本知識2.3半導體二極管2.4二極管基本電路及其分析方法2.5特殊二極管2.2PN結(jié)的形成及特性小結(jié)2.6二極管的應(yīng)用2半導體二極管及其基本電路2

半導體二極管及其基本電路主要內(nèi)容

1、掌握以下基本概念：半導體材料的特點、空穴、擴散運動、漂移運動、PN結(jié)正偏、PN結(jié)反偏；

2、了解PN結(jié)的形成過程及二極管的單向?qū)щ娦裕?/p>

3、掌握二極管的伏安特性及其電路的分析方法；

4、正確理解半導體二極管的主要參數(shù)；

5、掌握穩(wěn)壓管工作原理及使用中的注意事項，了解選管的一般原則。2.1半導體的基本知識

2.1.1半導體特性

2.1.2半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)

2.1.3本征半導體

2.1.4雜質(zhì)半導體一、何謂半導體物體分類導體如：金屬絕緣體如：橡膠、云母、塑料等?！獙щ娔芰橛趯w和絕緣體之。半導體二、半導體導電特性摻入雜質(zhì)則導電率增加幾百倍摻雜特性半導體器件溫度增加使導電率大為增加熱敏特性熱敏器件光照不僅使導電率大為增加還可以產(chǎn)生電動勢光敏特性光敏器件光電器件常用的半導體材料有：

元素半導體：硅（Si）、鍺（Ge）

化合物半導體：砷化鎵（GaAs）

摻雜材料：硼(B)、磷(P)2.1.1半導體特性硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)價電子是我們要研究的對象硅晶體的空間排列2.1.2半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)本征半導體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。純度：99.9999999%，“九個9”它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。常用的本征半導體Si+14284Ge+3228184+42.1.3本征半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵內(nèi)的電子稱為束縛電子掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子價帶中留下的空位稱為空穴自由電子定向移動形成電子流本征半導體1.本征半導體中有兩種載流子—自由電子和空穴2.在外電場的作用下，產(chǎn)生電流—電子流和空穴流電子流自由電子作定向運動形成的與外電場方向相反空穴流價電子遞補空穴形成的與外電場方向相同與自由電子運動的方向相反

本征激發(fā)

用空穴移動產(chǎn)生的電流代表束縛電子移動產(chǎn)生的電流電子濃度ni

=空穴濃度pi熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子空穴對空穴相當于帶正電的粒子，帶電量與電子相等，符號相反；空穴的運動相當于電子的反方向運動本征半導體雜質(zhì)半導體摻入雜質(zhì)的本征半導體。摻雜后半導體的導電率大為提高摻入三價元素如B、Al、In等，形成P型半導體，也稱空穴型半導體摻入五價元素如P、Sb等，形成N型半導體，也稱電子型半導體2.1.4雜質(zhì)半導體

N型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半導體中摻入五價元素如P。自由電子是多子（雜質(zhì)、熱激發(fā)）空穴是少子（熱激發(fā)）

由于五價元素很容易貢獻電子，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代表符號

P型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半導體中摻入三價元素如B。自由電子是少子（熱激發(fā)）空穴是多子（雜質(zhì)、熱激發(fā)）因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。代表符號本征半導體、雜質(zhì)半導體

本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子、空穴

N型半導體、P型半導體多數(shù)載流子、少數(shù)載流子施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)2.2PN結(jié)的形成及特性

2.2.1PN結(jié)的形成

2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

2.2.3PN結(jié)的反向擊穿

2.2.4PN結(jié)的電容效應(yīng)P區(qū)N區(qū)濃度差－－擴散運動（多子）載流子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴散,稱擴散運動形成的電流成為擴散電流內(nèi)電場—漂移運動（少子）內(nèi)電場阻礙多子向?qū)Ψ降臄U散即阻礙擴散運動同時促進少子向?qū)Ψ狡萍创龠M了漂移運動擴散運動=漂移運動時達到動態(tài)平衡2.2.1PN結(jié)的形成內(nèi)電場阻止多子擴散

因濃度差多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移擴散運動多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴散,稱擴散運動擴散運動產(chǎn)生擴散電流漂移運動少子向?qū)Ψ狡?稱漂移運動漂移運動產(chǎn)生漂移電流。動態(tài)平衡擴散電流=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V

內(nèi)電場的建立，使PN結(jié)中產(chǎn)生電位差。從而形成接觸電位V

接觸電位V決定于材料及摻雜濃度硅：V=0.7鍺：V=0.2PN結(jié)的接觸電位1.PN結(jié)加正向電壓時的導電情況外電場方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響?？臻g電荷區(qū)變窄，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；內(nèi)外2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加反向電壓時的導電情況外電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，增強內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動阻礙增強，擴散電流大大減小。少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流加大。此時PN結(jié)區(qū)少子漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流。ＰＮ結(jié)變寬PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏；內(nèi)外PN結(jié)的單向?qū)щ娦杂纱丝梢缘贸鼋Y(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。其中

Is飽和電流;UT=kT/q等效電壓

k波爾茲曼常數(shù)；T=300k（室溫）時

UT=26mv由半導體物理可推出：當加反向電壓時：當加正向電壓時：(U>>UT)PN結(jié)兩端的電壓與流過PN結(jié)電流的關(guān)系式PN結(jié)的伏安特性三．PN結(jié)電流方程反向擊穿PN結(jié)上所加的反向電壓達到某一數(shù)值時，反向電流激增的現(xiàn)象雪崩擊穿當反向電壓增高時，少子獲得能量高速運動，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。齊納擊穿當反向電壓較大時，強電場直接從共價鍵中將電子拉出來，形成大量載流子,使反向電流激增。擊穿是可逆。摻雜濃度小的二極管容易發(fā)生擊穿是可逆。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)耗散功率超過極限值，使結(jié)溫升高，導致PN結(jié)過熱而燒毀2.2.3PN結(jié)的反向擊穿一．勢壘電容CB勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。2.2.4PN結(jié)的電容效應(yīng)

擴散電容是由多子擴散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。二．擴散電容CD當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。2.3半導體二極管

2.3.1半導體二極管的結(jié)構(gòu)

2.3.2二極管的伏安特性

2.3.3二極管的參數(shù)實物圖片

2.3.1半導體二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分為點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(3)平面型二極管

往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4)二極管的代表符號1.正向起始部分存在一個死區(qū)或門坎，稱為門限電壓。硅：Vr=0.5-0.6v;鍺：Vr=0.1-0.2v2.加反向電壓時，反向電流很小即Is硅(nA)<Is鍺(A)

硅管比鍺管穩(wěn)定3.當反壓增大VB時再增加，反向電流激增，發(fā)生反向擊穿，VB稱為反向擊穿電壓。①②③二極管的伏安特性可用下式表示

2.3.2二極管的伏安特性晶體二極管的電阻非線性電阻直流電阻R(也稱靜態(tài)電阻）交流電阻r（又稱動態(tài)電阻或微變電阻）一、直流電阻定義二極管兩端的直流電壓UD與電流ID之比IDIUUDD二、交流電阻rRLEDDuIQUUI或?qū)嵸|(zhì)是特性曲線靜態(tài)工作點處的斜率交流電導：g=dI/dU=I/UT交流電阻：r=1/g=UT/I室溫下：UT=26mv交流電阻：r=26mv/ID(mA)晶體二極管的正向交流電阻可由PN結(jié)電流方程求出：由此可得：晶體二極管的電阻

2.3.3

二極管的參數(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)正向壓降VF(5)極間電容CB二極管的型號命名2.4二極管基本電路及其分析方法（*）

2.4.1二極管V-I特性的建模

2.4.2應(yīng)用舉例

2.4.1二極管V-I特性的建模

1.理想模型3.折線模型

2.恒壓降模型正偏時導通，管壓降為0V;反偏時截止，電流為0。管子導通后,管壓降認為是恒定的,典型值為0.7V。管壓降不是恒定的,而是隨電流的增加而增加。

4.小信號模型二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。即根據(jù)得Q點處的微變電導則常溫下（T=300K）

2.4.1二極管V-I特性的建模

5.指數(shù)模型較完整且較準確

2.4.2應(yīng)用舉例

1.二極管的靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V時恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)（2）VDD=1V時（自看）例2.4.2電路如圖：輸入正弦波，分析輸出信號波形。

2.限幅電路當輸入信號為0V、4、6V時，分析輸出信號，自己分析。1k3V~220Ve2iDuL3、整流電路整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，1)半波整流e2E2m+-iDuL整流電路中的二極管是作為開關(guān)運用，具有單向?qū)щ娦?。~220Ve2iDuL+-2)全波整流~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLe2’e2-+-+e2uL3)橋式整流~220Ve2uL+-~220Ve2uL+-e2uL4、開關(guān)電路在數(shù)字電路中實現(xiàn)與邏輯2.5特殊二極管

2.5.1穩(wěn)壓二極管

2.5.2光電子器件1.光電二極管2.發(fā)光二極管1.穩(wěn)壓特性穩(wěn)壓原理：在反向擊穿時，電流在很大范圍內(nèi)變化時，只引起很小的電壓變化。正向部分與普通二極管相同穩(wěn)壓管穩(wěn)壓時必須工作在反向電擊穿狀態(tài)。當反向電壓加到一定值時，反向電流急劇增加，產(chǎn)生反向擊穿。2.5.1穩(wěn)壓二極管(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動態(tài)電阻rZ：愈小穩(wěn)壓性能愈好

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax

和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ

2.特性參數(shù)

穩(wěn)壓管工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管。二是當輸入電壓或負載電流變化時，通過電阻上壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。3.應(yīng)用方法穩(wěn)壓電路IZmin

≤IZ≤IZmaxVIVOIZIRVRVO光電二極管是有光照射時會產(chǎn)生電流的二極管。其結(jié)構(gòu)和普通的二極管基本相同它利用光電導效應(yīng)工作，PN結(jié)工作在反偏狀態(tài)，當光照射在PN結(jié)上時，束縛電子獲得光能變成自由電子，產(chǎn)生電子—空穴對，在外電場的作用下形成光電流。D應(yīng)在反壓狀態(tài)工作發(fā)光二極管是將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊半導體器件，它只有在加正向電壓時才發(fā)光。2.5.2光電子器件1、光電二極管2、發(fā)光二極管二極管應(yīng)用二、

LED顯示器abcdfgabcdefgabcdefg+5V共陽極電路共陰極電路控制端為高電平對應(yīng)二極管發(fā)光控制端為低電平對應(yīng)二極管發(fā)光e小結(jié)

1、

半導體中有兩種載流子：電子和空穴。載流子有兩種運動方式：擴散運動和漂移運動。

本征激發(fā)使半導體中產(chǎn)生電子-空穴對，但它們的數(shù)目很少，并與溫度有密切關(guān)系。

2、在本征半導體中摻入不同的雜質(zhì),可分別形成P型和N型半導體,它們是各種半導體器件的基本材料。

3、PN結(jié)是各種半導