二極管及其基本電路

二極管及其基本電路第1頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三

在自然界中，存在著各種各樣的物理量，其中一類物理量的變化在時間上和數(shù)值上都是連續(xù)的，稱為模擬量。例如溫度、壓力、交流電壓等是典型的模擬量。表示模擬量的信號叫做模擬信號，人們?yōu)榱烁脑旌驼鞣匀痪蛯W(xué)要多這些模擬量進行采集、處理和反饋，我們把傳送、變換、處理模擬信號的電子電路稱為模擬電路，大家熟悉的各種放大電路就是典型的模擬電路。那么這些微弱的模擬量是怎樣采集、放大和處理的呢？要用到什么樣的材料和處理方法呢？

上次課簡單回顧第2頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3二極管及其基本電路3.1半導(dǎo)體的基本知識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)的形成及特性第3頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.1半導(dǎo)體的基本知識

3.1.1

半導(dǎo)體材料

3.1.2

半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

3.1.3

本征半導(dǎo)體

3.1.4

雜質(zhì)半導(dǎo)體第4頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三在自然界中，根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力的差別，可將它們劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。如：金屬如：橡膠、陶瓷、塑料和石英等等3.1.1半導(dǎo)體材料典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。第5頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第6頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。硅原子和鍺原子的結(jié)構(gòu)SiGe+4半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。為方便起見，常表示如下：3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)第7頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)第8頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.1.3本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。空穴——共價鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對?？昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對第9頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三詞條：

本征半導(dǎo)體定義：純凈的、不含其他雜質(zhì)的半導(dǎo)體。在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛其中，不能成為自由電子，此時本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。+4+4+4+4T=0K時本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖：

制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。第10頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第11頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三溫度升高后，比如室溫下本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖+4+4+4+4自由電子空穴第12頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三溫度導(dǎo)致的本征激發(fā)+4+4+4+4這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。所謂本征激發(fā)，就是由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生電子—空穴對的過程。電子空穴對第13頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三+4+4+4+4電子空穴對復(fù)合：與本征激發(fā)現(xiàn)象相反，即自由電子遇到空穴并填補空穴，從而使兩者同時消失的現(xiàn)象。在一定溫度下，本征激發(fā)與復(fù)合這二者產(chǎn)生的電子－空穴對數(shù)目相等，達到一種動態(tài)平衡。第14頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三+4+4+4+4電子空穴對注意：在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，故在任何時候，本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴數(shù)總是相等的。第15頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三E＋－自由電子——帶負電荷，形成電子流兩種載流子空穴——視為帶正電荷，形成空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機制+4+4+4+4自由電子空穴電子流空穴流本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電流的根本原因：共價鍵中空穴的出現(xiàn)。空穴越多，載流子數(shù)目就越多，形成的電流就越大。第16頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三自由電子——帶負電荷，形成電子流E＋－兩種載流子空穴——視為帶正電荷，形成空穴流+4+4+4+4自由電子空穴電子流空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。第17頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三第18頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.1.4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)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。第19頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。因摻入雜質(zhì)性質(zhì)不同，可分為：空穴（P）型半導(dǎo)體電子（N）型半導(dǎo)體【Positive】【Negative】第20頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三1.N型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價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。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。第21頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三

多數(shù)載流子（多子）—自由電子；少數(shù)載流子（少子）—空穴。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖+4+4+5+4在硅（或鍺）的晶體中摻入少量5價雜質(zhì)元素，如磷，砷等。N型半導(dǎo)體多余的電子自由電子的來源：（1）本征激發(fā)產(chǎn)生（少量的）（2）摻入雜質(zhì)元素后多余出來的（大量的）第22頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三

多數(shù)載流子（多子）—自由電子；少數(shù)載流子（少子）—空穴。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖+4+4+5+4在硅（或鍺）的晶體中摻入少量5價雜質(zhì)元素，如磷，砷等。多余的電子施主原子空穴的來源：只有本征激發(fā)產(chǎn)生（少量的）N型半導(dǎo)體第23頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三2.P型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

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)。第24頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三+4+4+3+4P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖在硅（或鍺）的晶體中摻入少量3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。P型半導(dǎo)體

空穴

多數(shù)載流子（多子）—空穴；少數(shù)載流子（少子）－自由電子。空穴的來源：（1）本征激發(fā)產(chǎn)生（少量的）（2）摻入雜質(zhì)元素后多余出來的（大量的）第25頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三+4+4+3+4P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖在硅（或鍺）的晶體中摻入少量3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。空穴受主原子

多數(shù)載流子（多子）—空穴；少數(shù)載流子（少子）－自由電子。自由電子的來源：只有本征激發(fā)產(chǎn)生（少量的）P型半導(dǎo)體

第26頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示方法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體少子濃度——只與溫度有關(guān)多子濃度——主要受摻入雜質(zhì)濃度的影響負離子空穴正離子自由電子第27頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體負離子空穴正離子自由電子注意：半導(dǎo)體中的正負電荷數(shù)是相等的，其作用相互抵消，因此對外保持電中性。雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示方法第28頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

摻入雜質(zhì)對本征半導(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=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3第29頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三

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、空穴N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體

多數(shù)載流子、少數(shù)載流子

施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)end第30頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.2PN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

載流子的漂移與擴散第31頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.2.1載流子的漂移與擴散漂移運動：在電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。第32頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.2.2PN結(jié)的形成第33頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.2.2PN結(jié)的形成第34頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)第35頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三

對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。第36頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中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；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時

低電阻大的正向擴散電流第37頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中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；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(2)PN結(jié)加反向電壓時

高電阻很小的反向漂移電流

在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。第38頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三歸納：PN結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。在于它的耗盡層的存在，且其寬度隨外加電壓而變化。關(guān)鍵這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。?9頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(3)PN結(jié)V-I特性表達式其中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）第40頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.2.4PN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，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆第41頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴散電容CD擴散電容示意圖第42頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

(2)勢壘電容CBend第43頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三小節(jié)：半導(dǎo)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(dǎo)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。在純半導(dǎo)體中摻入不同的有用雜質(zhì)，可分別形成P型和N型兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體。它們是各種半導(dǎo)體器件的基本材料。

PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)，如二極管由一個PN結(jié)加引線組成。因此，掌握PN結(jié)的特性對于了解和使用各種半導(dǎo)體器件有著十分重要的意義。PN結(jié)的重要特性是單向?qū)щ娦浴?/p>

第44頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.3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)第45頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型兩大類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。第46頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號

(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)面接觸型第47頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三幾種常見二極管實物圖觸發(fā)二極管開關(guān)二極管第48頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.3.2二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特性第49頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.3.3二極管的主要參數(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)正向壓降VF(5)極間電容CJ（CB、CD）end第50頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

3.4.2

二極管電路的簡化模型分析方法第51頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.4.1簡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，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。第52頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三例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，稱為負載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點第53頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法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。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符號（c）正向偏置時的電路模型（d）反向偏置時的電路模型第54頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型第55頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型vs=0時,Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時（Vm<<VDD）,將Q點附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。第56頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型

過Q點的切線可以等效成一個微變電阻即根據(jù)得Q點處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型第57頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型

特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。（a）V-I特性（b）電路模型第58頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vo的波形第59頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三2．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，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，（自看）（a）簡單二極管電路（b）習(xí)慣畫法第60頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三2．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，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。第61頁，共70頁，2023年，2月20日，星期三2．模型分析法應(yīng)用舉例（4）開關(guān)電路電路如圖所示，求AO的電壓值解：

先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點為0V。

則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于