第1章晶體二極管

第1章晶體二極管1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識1.2PN結(jié)1.3晶體二極管電路的分析方法1.4晶體二極管的應(yīng)用1.5其他二極管*2/4/20231無論何種用途的電子系統(tǒng)，均由各種功能的電子線路組成。電子線路是指有電子器件、并能對電信號實(shí)現(xiàn)某種功能處理的電路，它由電子器件加外圍電路構(gòu)成。常用的電子器件有：晶體（半導(dǎo)體）二極管、三極管、場效應(yīng)管、集成電路等。外圍電路主要由直流電源、電阻、電容以及集成電路中常用的電流源電路等組合而成。不同半導(dǎo)體器件具有不同的特性。而同一種半導(dǎo)體器件，當(dāng)外圍電路提供不同條件時，電路又會呈現(xiàn)不同的功能。前言2/4/20232因此，要掌握各種功能電路的工作原理、性能特點(diǎn)，首先要了解各種半導(dǎo)體器件的外特性，掌握器件在不同條件下的等效模型及分析方法；然后再根據(jù)外部電路提供的條件，分析電路的功能和所能達(dá)到的性能。前言本章在簡要了解半導(dǎo)體基本知識的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)掌握器件的外特性。熟悉三極管的各種模型，并會利用模型分析功能電路。2/4/20233鍺二極管固體放電二極管LED穩(wěn)壓二極管整流二極管LD2/4/202341.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)（電阻率在10-4Ω·cm以下）稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電（電阻率在1010Ω·cm以上），稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間（電阻率在10-3～109Ω·cm之間），稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。1.1.1本征半導(dǎo)體原子結(jié)構(gòu)及簡化模型

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與它的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。2/4/20235元素的許多物理和化學(xué)性質(zhì)都是由價電子決定的。Si原子Ge原子慣性核價電子+32+142/4/20236+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。

將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。價電子共價鍵圖1.1.2本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖一、本征半導(dǎo)體當(dāng)溫度T=0

K時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。2/4/20237+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1.1.2本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴自由電子空穴若T，將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。這種現(xiàn)象稱為本征（熱）激發(fā)。T

自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱?？昭煽闯蓭д姷妮d流子，半導(dǎo)體中有兩種載流子。二、本征激發(fā)和復(fù)合2/4/20238在一定溫度下本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子濃度n0與空穴的濃度p0相等，它們統(tǒng)稱為本征載流子濃度ni，即有ni2=n0

p0。本征半導(dǎo)體中載流子的熱平衡濃度值：

T=300K時，本征硅的載流子濃度:

ni

=1.5×1010cm-3，本征鍺的載流子濃度:

ni

=2.4×1013cm-3；當(dāng)溫度每升高11℃，本征硅的增加一倍，溫度第升高12℃，本征鍺的增加一倍。本征激發(fā)復(fù)合當(dāng)溫度不變時，達(dá)到動態(tài)平衡，即熱平衡三、熱平衡載流子濃度本征半導(dǎo)體中載流子的濃度取決于禁帶寬度Eg0和溫度T。2/4/202391.本征半導(dǎo)體中兩種載流子帶負(fù)電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為電子-空穴對，故有n0

=p0即ni2=n0

p0。

3.本征半導(dǎo)體的載流子濃度對溫度非常敏感，因此，半導(dǎo)體器件的工作易受溫度影響。

4.

ni相對于原子密度只有三萬億分之一，因此，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很微弱。鑒于以上兩缺點(diǎn)，本征半導(dǎo)體不宜直接用于制造半導(dǎo)體器件。小結(jié)2/4/2023101.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體(Negative)在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。常用的5價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。2/4/202311+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖1.1.4N型半導(dǎo)體在室溫下雜質(zhì)原子電離為一價正離子，但不是載流子。能施放自由電子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即n0>>p0

。自由電子稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。包括本征激發(fā)自由電子和電離自由電子2/4/202312二、P型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。+3空穴濃度多于電子濃度，即p0>>n0?？昭槎鄶?shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。3價雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主原子空穴圖1.1.5P型半導(dǎo)體2/4/202313說明：1.摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3.雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。(a)N型半導(dǎo)體(b)P型半導(dǎo)體圖雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法2/4/202314三、多子和少子熱平衡濃度N型雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子與少子之間的定量關(guān)系服從兩個關(guān)系式：2、滿足電中性條件1、滿足相應(yīng)的熱平衡條件當(dāng)溫度一定時，兩種載流子的熱平衡濃度值的相乘積恒等于本征載流子濃度值ni的平方。整塊半導(dǎo)體中的正電荷量恒等于負(fù)電荷量。其中，Nd為施主雜質(zhì)濃度。因?yàn)镹d值遠(yuǎn)大于ni，因而有：n0≈Nd2/4/202315同理，在P型半導(dǎo)體中，帶正電荷的僅有多子空穴，而帶負(fù)電荷的有已電離的受主雜質(zhì)和少子自由電子。因而，它的電中性條件為：例1-1-1一塊本征硅片中摻入五價元素砷，濃度Nd=8×1014cm-3。試求室溫T＝300K時的自由電子和空穴的熱平衡濃度值。Na為受主雜質(zhì)濃度。解：五價元素砷為施主雜質(zhì)，形成N型半導(dǎo)體。已知Nd=8×1014cm-3，值遠(yuǎn)大于ni(=1.5×1010cm-3)，故多子電子濃度為：n0≈Nd

=8×1014cm-32/4/202316相應(yīng)的少子空穴濃度：

由此可見，摻雜后，多子濃度遠(yuǎn)大于少子濃度，且少量摻雜，載流子會有幾個數(shù)量級的增加，表明它的導(dǎo)電能力顯著增大。2/4/202317例1-1-2一塊本征硅片中，先摻入濃度為8×1016cm-3的五價砷原子，為N型半導(dǎo)體，再摻入濃度為5×1017cm-3的三價硼原子，試問它為何種雜質(zhì)半導(dǎo)體，并求室溫時的多子和少子的熱平衡濃度值。p0=Na-Nd+n0≈Na-Nd=4.2×1017cm-3解：硼為受主雜質(zhì)，Na=5×1017cm-3，砷為施主雜質(zhì)，Nd=8×1016cm-3，且Na>Nd，結(jié)果是施主雜質(zhì)釋放的自由電子除填補(bǔ)受主雜質(zhì)產(chǎn)生的空穴外，單位體積內(nèi)還余下了（Na-Nd）個空穴，且余下的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本征載流子濃度，因而雜質(zhì)半導(dǎo)體由原先的N型轉(zhuǎn)變?yōu)镻型。根據(jù)電中性條件：2/4/202318相應(yīng)的少子電子濃度可見，摻入不同性質(zhì)的雜質(zhì)，就可改變雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型，這個過程為雜質(zhì)補(bǔ)償，它是制造PN結(jié)的一種主要方法。2/4/202319半導(dǎo)體和導(dǎo)體不同，導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子，它在電場作用下產(chǎn)生定向的漂移運(yùn)動，形成漂移電流。而半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子，它們除了在電場作用下形成漂移電流外，還會在濃度差的作用下產(chǎn)生定向的擴(kuò)散運(yùn)動，形成相應(yīng)的擴(kuò)散電流。1.1.3兩種導(dǎo)電機(jī)理-漂移和擴(kuò)散2/4/202320

一、漂移與漂移電流電場作用下的漂移運(yùn)動I電場EI空穴電流IpT電子電流InT2/4/202321總漂移電流密度為其中μ為遷移率，表示單位場強(qiáng)下的平均漂移速度，單位是cm2/V·s。表示單位場強(qiáng)下的平均漂移速度。半導(dǎo)體材料不同，載流子的遷移率也不同。在同一種半導(dǎo)體中，自由電子的遷移率比空穴的大。采用遷移率大的材料可以制成工作速度或工作頻率高的半導(dǎo)體器件。若設(shè)半導(dǎo)體材料的長度為l，截面積為S，則根據(jù)歐姆定律，該材料的電阻為ρ為電阻率，σ為電導(dǎo)率。2/4/202322例1-1-4試求室溫下⑴本征硅半導(dǎo)體和⑵摻入Nd=1016cm-3的雜質(zhì)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。解：⑴本征硅半導(dǎo)體中，n0=p0=ni=1.5×1010cm-3，求得⑵摻入Nd=1016cm-3，形成N型半導(dǎo)體，其多子濃度n0=1016cm-3而少子濃度很小，可忽略，故上例表明，少量摻雜，σ就比本征半導(dǎo)體高6個數(shù)量級。2/4/202323在大多數(shù)半導(dǎo)體器件中，摻雜范圍一般自1015cm-3到1018cm-3，相應(yīng)的σ自0.2S/cm到200S/cm。假設(shè)足夠強(qiáng)度的光均勻地照射在半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的熱平衡條件便受到破壞，由光照產(chǎn)生的載流子將疊加在熱平衡濃度值上。通常將它們稱為非平衡載流子，其濃度值分別用△n和△p表示，且△n=△p。總載流子濃度值半導(dǎo)體的電導(dǎo)率熱平衡電導(dǎo)率光電導(dǎo)率2/4/202324

二、擴(kuò)散與擴(kuò)散電流因濃度差引起載流子的定向運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生的電流稱為擴(kuò)散電流（DiffusionCurrent）。自由電子和空穴的擴(kuò)散電流密度分別為式中，Dp、Dn稱為空穴、自由電子擴(kuò)散系數(shù)，單位為cm2/s，它們的大小反映了擴(kuò)散運(yùn)動的難易程度。擴(kuò)散系數(shù)是影響半導(dǎo)體器件導(dǎo)電性能的一個重要參數(shù)。2/4/202325對于同一種材料，擴(kuò)散系數(shù)和遷移率之間關(guān)系上式稱為愛因斯坦關(guān)系式，稱為熱電壓，它具有電壓的量綱。T＝300K時，VT≈26mV。

注意：存在載流子濃度差是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一種特有現(xiàn)象。那么，由擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生的擴(kuò)散電流是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一種特有的電流。2/4/2023261、半導(dǎo)體是依靠自由電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電的。本征激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡時，熱平衡載流子濃度隨溫度升高而迅速增大；1.1.4小結(jié)2、摻入不同雜質(zhì)，形成N型和P型兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體。其中N型半導(dǎo)體中多子為自由電子，少子為空穴，施主雜質(zhì)為正離子。P型半導(dǎo)體中多子為空穴，少子為自由電子，受主雜質(zhì)為負(fù)離子；3、半導(dǎo)體有兩種導(dǎo)電方式：電場作用下產(chǎn)生的漂移電流和非平衡載流子濃度差作用下產(chǎn)生的擴(kuò)散電流。前者與電場強(qiáng)度成正比，比例系數(shù)為μ；后者與濃度梯度成正比，比例系數(shù)為D。2/4/2023271、本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體有什么區(qū)別？2、試解釋空穴的作用，它與正離子有什么不同？

⑴載流子的濃度；⑵ni與溫度的關(guān)系；⑶導(dǎo)電特性（電導(dǎo)率）

①本征半導(dǎo)體中，電子－空穴成對出現(xiàn)，保持電中性；②摻雜后能形成P型半導(dǎo)體；③當(dāng)半導(dǎo)體中出現(xiàn)非平衡載流子（如光照）而建立濃度差時，仍能處處滿足電中性，而有了濃度差才能產(chǎn)生擴(kuò)散電流。因此說沒有空穴就沒有半導(dǎo)體的擴(kuò)散運(yùn)動和擴(kuò)散電流。

①載流子與非載流子；②空穴可以與自由電子復(fù)合，而正離子不能。3、同一溫度T=300K時，N型雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子濃度一定比本征半導(dǎo)體中的載流子濃度大。對嗎？2/4/202328PN結(jié)是結(jié)型半導(dǎo)體器件的核心，是學(xué)習(xí)和分析半導(dǎo)體器件和集成電路的基礎(chǔ)。1.2PN結(jié)在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為PN結(jié)。根據(jù)P型區(qū)與N型區(qū)有效摻雜濃度是否相等，PN結(jié)有對稱結(jié)和不對稱結(jié)之分。實(shí)際的PN結(jié)都是不對稱結(jié)，其中P區(qū)摻雜濃度大于N區(qū)的稱為P+N結(jié)，反之稱為PN+結(jié)。2/4/2023291.點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。2/4/2023303.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D2/4/202331PNPN結(jié)圖PN結(jié)的形成一、PN結(jié)的形成1.2.1動態(tài)平衡下的PN結(jié)2/4/202332PN結(jié)中載流子的運(yùn)動耗盡層空間電荷區(qū)PN1.擴(kuò)散運(yùn)動2.擴(kuò)散運(yùn)動形成空間電荷區(qū)電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動。——PN結(jié)，耗盡層。PN2/4/2023333.空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場Vd空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差Vd——電位壁壘；——

內(nèi)電場；內(nèi)電場阻止多子的擴(kuò)散——

阻擋層。4.漂移運(yùn)動內(nèi)電場有利于少子運(yùn)動—漂移。少子的運(yùn)動與多子運(yùn)動方向相反阻擋層2/4/2023345.擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡擴(kuò)散運(yùn)動使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減小；隨著內(nèi)電場的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動逐漸增加；當(dāng)擴(kuò)散與漂移相等時，PN結(jié)稱為動態(tài)平衡時的PN結(jié)。動態(tài)平衡時，凈空穴電流密度和凈電子電流密度都為零?？臻g電荷區(qū)的寬度也達(dá)到穩(wěn)定。對稱結(jié)

PN不對稱結(jié)2/4/202335二、內(nèi)建電位差動態(tài)平衡時不對稱的PN結(jié)區(qū)內(nèi)的不同點(diǎn)，其電場強(qiáng)度也不同，在交界處的電場強(qiáng)度最強(qiáng)，在結(jié)邊界處（-xp，xn）電場強(qiáng)度為零，兩邊中性區(qū)沒有電場。2/4/202336由于結(jié)區(qū)電場的存在，引起結(jié)區(qū)各點(diǎn)電位的不同。電場中各點(diǎn)的電場強(qiáng)度為該點(diǎn)電位梯度的負(fù)值，即E(x)=-dV/dx。故根據(jù)動態(tài)平衡時，阻擋層內(nèi)凈空穴電流為零及愛因斯坦關(guān)系式Dp/μp=VT可得

PN結(jié)兩邊區(qū)域的雜質(zhì)濃度越高，Vd越大；溫度升高，因ni2增長很快，故Vd隨溫度的上升而減小，每升高1℃，Vd減小2.5mV。室溫時鍺的Vd≈(0.2～0.3)V，硅的Vd≈(0.5～0.7)V。2/4/202337三、阻擋層寬度由阻擋層內(nèi)正負(fù)電荷量的絕對值相等可推得阻擋層兩側(cè)的寬度與摻雜濃度的關(guān)系為該式說明，在阻擋層內(nèi)，摻雜濃度高的一側(cè)寬度較窄，而摻雜濃度低的一側(cè)寬度較寬，即阻擋層寬度主要向摻雜濃度低的一側(cè)擴(kuò)展。實(shí)際上，PN結(jié)的總寬度的值可小到0.1～1μm數(shù)量級。上面所討論的PN結(jié)，是由均勻摻雜的P型和N型半導(dǎo)體構(gòu)成的，因此它們在交界面上的雜質(zhì)分布是一突變，稱為突變結(jié)。此外，還有緩變結(jié)、超突變結(jié)等。2/4/202338一、正向特性又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向內(nèi)電場方向耗盡層VFRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動，電路中有較大的正向電流。圖1.1.6PN什么是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?？有什么作用?.2.2PN結(jié)的伏安特性2/4/2023392/4/202340在PN結(jié)加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入限流電阻R。反向接法時，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴(kuò)散運(yùn)動，有利于漂移運(yùn)動，漂移電流密度大于擴(kuò)散電流密度即Jt>Jd，電路中產(chǎn)生反向電流IS；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。二、反向特性2/4/202341耗盡層圖1.1.7PN結(jié)加反相電壓時截止反向電流IS又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感，隨著溫度升高，IS將急劇增大。PN外電場方向內(nèi)電場方向VRRIS2/4/202342內(nèi)電場作用下，P區(qū)在阻擋層邊界處的少子漂移到N區(qū)，N區(qū)在阻擋層邊界處的少子空穴漂移到P區(qū)。故在阻擋層兩側(cè)邊界處的少子濃度等于零。Vd+VR2/4/202343漂移電流的大小與少子的濃度有關(guān)。少子的濃度取決于兩個方面的因素：一方面半導(dǎo)體中摻雜濃度愈高，相應(yīng)的熱平衡少子就愈?。涣硪环矫鏈囟壬?，本征激發(fā)加劇，少子濃度增加。反向飽和電流隨溫度的上升而增大是影響半導(dǎo)體器件的重要方面?？梢?，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，即正向?qū)?，反向截止。硅PN結(jié)的IS約為(10-16～10-9)A，鍺PN結(jié)的IS約為(10-8～10-6)A。2/4/202344IS：反向飽和電流（少子形成，其值與vD無關(guān)）；VT=kT/q：熱電壓（T＝300K時，VT

26mV）；vD為PN結(jié)兩端的外加電壓；m尺寸系數(shù)（本書中取1）。三、伏安特性iD的近似計(jì)算公式正向特性和反向特性可統(tǒng)一由下列指數(shù)函數(shù)表示:2/4/202345iD=f

(vD

)之間的關(guān)系曲線。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50iD/mAvD/V正向特性Von擊穿電壓V(BR)反向特性PN結(jié)的伏安特性⑴當(dāng)PN結(jié)加正向偏置電壓時，只有當(dāng)正向電壓大于起始導(dǎo)通電壓Von時，其正向電流才明顯增加。⑵由于硅的本征載流子深度比鍺的小一千多倍，故硅二極管的起始導(dǎo)通電壓比鍺的大。鍺二極管的起始導(dǎo)通電壓約為0.2V。⑶實(shí)際應(yīng)用中，二極管導(dǎo)通時的端電壓可以認(rèn)為基本不變。2/4/2023461.2.3PN結(jié)的擊穿特性一、雪崩擊穿二、齊納擊穿雪崩擊穿不僅與電場強(qiáng)度有關(guān)，還與阻擋層寬度有關(guān)。齊納擊穿發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結(jié)中，擊穿電壓較低，且其值隨著摻雜濃度的增加而減小。2/4/2023471.穩(wěn)壓管的伏安特性(a)符號(b)2CW17伏安特性利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)，反向電壓應(yīng)大于穩(wěn)壓電壓。DZ三、穩(wěn)壓二極管2/4/202348(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動態(tài)電阻rZ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)溫度系數(shù)——VZ2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)2/4/202349溫度系數(shù)為負(fù)溫度系數(shù)為正2/4/2023501.2.4PN結(jié)的溫度特性在環(huán)境溫度升高時，二極管的正向特性將左移，反向特性將下移。溫度升高到極端時，本征激發(fā)占支配地位，雜質(zhì)半導(dǎo)體就得與本征半導(dǎo)體相似，PN結(jié)也就不存在了。最高工作溫度：硅為150～200℃，鍺為75～100℃。–50iD/mAvD

/V0.20.4–2551015–0.01–0.020溫度增加溫度每升高10℃，IS約增加一倍。溫度升高1℃，Vth約減小2.5mV。一、PN結(jié)伏安特性的溫度特性2/4/2023511.2.3PN結(jié)的擊穿特性三、擊穿電壓的溫度特性雪崩擊穿電壓具有正的溫度系數(shù)。齊納擊穿具有負(fù)的溫度系數(shù)。一般6V以下的擊穿屬于齊納擊穿，而高于6V的擊穿主要是雪崩擊穿。當(dāng)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓在6V左右時，兩種擊穿將同時發(fā)生，它的溫度系數(shù)可接近于零。2/4/2023521.2.5PN結(jié)的電容特性當(dāng)PN上的電壓發(fā)生變化時，PN結(jié)中儲存的電荷量將隨之發(fā)生變化，使PN結(jié)具有電容效應(yīng)。電容效應(yīng)包括兩部分勢壘電容CT擴(kuò)散電容CD是由PN結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的。(a)PN結(jié)加正向電壓（b)PN結(jié)加反向電壓-N空間電荷區(qū)PVRI+VN空間電荷區(qū)PRI+-VVCj=CT+CD2/4/202353空間電荷區(qū)的正負(fù)離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的放電和充電過程。故將這種效應(yīng)等效為勢壘電容，用CT表示。勢壘電容的大小可用下式表示：

Vd為內(nèi)建電位差，n為常數(shù)，稱為變?nèi)葜笖?shù)，其值與PN結(jié)的工藝結(jié)構(gòu)有關(guān)。CT與外加反偏電壓之間呈現(xiàn)非線性的特性。一、勢壘電容CT2/4/202354二、擴(kuò)散電容CDQ是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中積累而引起的。在某個正向電壓下，P區(qū)中的電子濃度np(或N區(qū)的空穴濃度pn)分布曲線如圖中曲線1所示。x=0處為P區(qū)與耗盡層的交界處當(dāng)電壓加大，np(或pn)會升高，如曲線2所示(反之濃度會降低)。OxnPQ12QQ正向電壓變化時，變化載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當(dāng)于電容器充電和放電的過程——擴(kuò)散電容效應(yīng)。圖1.2.11PNPN結(jié)當(dāng)加反向電壓時，擴(kuò)散運(yùn)動被削弱，擴(kuò)散電容的作用可忽略。2/4/202355綜上所述：PN結(jié)總的結(jié)電容Cj包括勢壘電容CT和擴(kuò)散電容CD兩部分。CT和CD值都很小，通常為幾個皮法~幾十皮法，有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法。當(dāng)反向偏置時，勢壘電容起主要作用，可以認(rèn)為Cj

CT。一般來說，當(dāng)二極管正向偏置時，擴(kuò)散電容起主要作用，即可以認(rèn)為Cj

CD；在信號頻率較高時，須考慮結(jié)電容的作用。三、PN結(jié)電容2/4/202356四、變?nèi)荻O管結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小，這種效應(yīng)顯著的二極管稱為變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管在高頻電子線路中應(yīng)用廣泛，例如，在諧振回路中作為電調(diào)諧元件，在壓控振蕩器中作為被控元件等。2/4/202357

1.3晶體二極管電路的分析方法由于二極管電阻特性的非線性，因此分析二極管電路時，應(yīng)采用適合于非線性器件的分析方法。限制作用于非線性器件的電壓和電流的范圍，將非線性器件近似看作線性元件，或?qū)⑵渥鳛榉侄尉€性的元件來處理。因此，在一定電壓或電流的范圍內(nèi)，就可用線性電路的方法分析二極管電路。

1.3.1晶體二極管模型

一、數(shù)學(xué)模型

指數(shù)模型一般只用于計(jì)算機(jī)仿真。2/4/202358

二、伏安特性曲線伏安特性曲線是晶體二極管的曲線模型。伏安特性曲線可以根據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式直接描繪得到。

而實(shí)際上一般都是通過實(shí)測得到的。

測量精度越高，伏安特性曲線就越逼近實(shí)際器件特性。

2/4/202359

三、等效電路模型理想二極管在導(dǎo)通時，其兩端電壓為零；在截止時，通過二極管的電流為零。所以理想二極管可用一個理想的開關(guān)來等效。1.大信號電路模型2/4/2023601.大信號電路模型2/4/2023612.小信號電路模型前面討論的理想化模型、恒壓降模型、折線模型都是在信號信號較大時對正向指數(shù)特性曲線的近似等效。當(dāng)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(diǎn)處的微變電導(dǎo)圖1-3-8二極管小信號電路模型2/4/202362圖1-3-8晶體二極管的小信號電路模型和高頻小信號電路模型rjrsCjrjrs(a)(b)

rj為Q點(diǎn)處曲線斜率的倒數(shù)，稱為PN結(jié)的動態(tài)電阻，rs為P區(qū)和N區(qū)的體電阻和引線接觸電阻之和。小信號電路模型受到△V足夠小的限制，工程上，限定|△V|<10mV。常溫下（T=300K）2/4/202363圖解法是將電路分為兩部分：具有非線性電阻特性的二極管伏安特性曲線和線性電路部分。線性電路方程為：1.3.2晶體二極管電路分析方法一、圖解分析法1.直流分析它所確定的直線為直流負(fù)載線，斜率為-1/R。2/4/2023642.交流分析vi的變化使負(fù)載線的變化，而負(fù)載線的變化又致使其與特性曲線的交點(diǎn)Q也按同樣的正弦規(guī)律變化，Q點(diǎn)在曲線上“振動”，從而畫出二極管兩端電壓VQ+vd以及電流iD=IQ+id的波形。VQ2/4/202365二、等效電路分析法1.直流分析采用簡化電路模型進(jìn)行二極管的分析2/4/2023662.交流分析2/4/202367

1.4晶體二極管的應(yīng)用利用二極管的單向?qū)щ娦院头聪驌舸┨匦裕梢詷?gòu)成整流、穩(wěn)壓、限幅等各種功能電路。電源設(shè)備的組成框圖：2/4/202368理想模型分析結(jié)果恒壓降模型分析結(jié)果一、整流電路

1.4.1整流與穩(wěn)壓電路2/4/202369穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時VO=VZ#不加R可以嗎？#上述電路VI為正弦波，且幅值大于VZ，VO的波形是怎樣的？（1）設(shè)電源電壓波動(負(fù)載不變)VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑↑↓VO↓←VR↑←IR↑（2）設(shè)負(fù)載變化(電源不變)略如電路參數(shù)變化？VOVI2/4/202370例1：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用RLvivoRDZiiziLVZ穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值VZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻RL=2k，輸入電壓vi=12V，限流電阻R=200，求iZ。若負(fù)載電阻變化范圍為1.5k－4k，是否還能穩(wěn)壓？2/4/202371RLvivoRDZiiziLVZVZ=10Vvi=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=vo/RL=VZ/RL=10/2=5（mA）i=（vi-VZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10