電子技術(shù)基礎(chǔ)第五康華光半導(dǎo)體二極管及其基本電路演示文稿

電子技術(shù)基礎(chǔ)第五版康華光半導(dǎo)體二極管及其基本電路演示文稿1目前一頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點2優(yōu)選電子技術(shù)基礎(chǔ)第五版康華光半導(dǎo)體二極管及其基本電路目前二頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

半導(dǎo)體材料

根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。

典型的半導(dǎo)體有硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs和一些硫化物、氧化物等。半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體材料多以晶體的形式存在。目前三頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價鍵中的兩個電子，稱為價電子（束縛電子）。+4+4+4+4目前四頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。

在絕對0度和沒有外界激發(fā)時，價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。+4+4+4+4目前五頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

本征半導(dǎo)體

當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)（也稱熱激發(fā)）。但常溫下，通過本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。+4+4+4+4目前六頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。+4+4+4+4目前七頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點+4+4+4+4

在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。目前八頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流(1)自由電子作定向運動電子電流(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。

自由電子和空穴都是載流子。

自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。目前九頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性（本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差）摻雜性:

往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯增強。

(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性:

當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化

。

(可做成各種光敏元件)熱敏性:

當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強。（可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)目前十頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

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。

在常溫下，本征半導(dǎo)體的兩種載流子數(shù)量還是極少的，其導(dǎo)電能力相當(dāng)?shù)汀?/p>

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)元素，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力將大大提高。目前十一頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

1.N型半導(dǎo)體（摻入五價元素）

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,

由本征激發(fā)形成。

Si

Si

Si

Sip+

自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為N型半導(dǎo)體（電子半導(dǎo)體）。施主雜質(zhì)目前十二頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點2.P型半導(dǎo)體（摻入三價元素）

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，由本征激發(fā)形成。

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為P型半導(dǎo)體(空穴半導(dǎo)體)。

Si

Si

Si

SiB–雜質(zhì)半導(dǎo)體對外是否顯電性？受主雜質(zhì)目前十三頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

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=1.45×1010/cm32

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

1以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

3摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；摻入雜質(zhì)后，導(dǎo)電能力大大增強。目前十四頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量主要與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量主要與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當(dāng)溫度升高時，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba思考題：目前十五頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點3.2PN結(jié)的形成及特性

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)的反向擊穿

PN結(jié)的電容效應(yīng)目前十六頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

不論是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體，都只能看做是一般的導(dǎo)電材料，不具有半導(dǎo)體器件的任何特點。

半導(dǎo)體器件的核心是PN結(jié)，是采取一定的工藝措施在一塊半導(dǎo)體基片的兩側(cè)分別制成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，在兩種半導(dǎo)體的交界面上形成PN結(jié)。

各種各樣的半導(dǎo)體器件都是以PN結(jié)為核心而制成的，正確認識PN結(jié)是了解和運用各種半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵所在。PN結(jié)目前十七頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點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。目前十八頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

3.2.1PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－目前十九頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(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。

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)，由于缺少載流子，所以也稱耗盡層。多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)目前二十頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點PN結(jié)目前二十一頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓，即：P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極，又稱為PN結(jié)正向偏置。PN結(jié)加反向電壓，即：P區(qū)接電源負極，N區(qū)接電源正極，又稱為PN結(jié)反向偏置。目前二十二頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）P接正、N接負外電場IF

內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向擴散電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–目前二十三頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+目前二十四頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點PN結(jié)變寬外電場

內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向漂移電流。IR–+PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向漂移電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）P接負、N接正反向漂移電流的大小是否與溫度有關(guān)？目前二十五頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕凑驅(qū)?、反向截止。目前二十六頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點3.PN結(jié)V-I

特性表達式其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）PN結(jié)的伏安特性目前二十七頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

PN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——可逆目前二十八頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

PN結(jié)的電容效應(yīng)

1.勢壘電容CB勢壘電容示意圖目前二十九頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點2.擴散電容CD擴散電容示意圖目前三十頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點3.3半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

二極管的伏安特性

二極管的參數(shù)目前三十一頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

將PN結(jié)加上引線和封裝，就成為一個二極管。表示符號：P區(qū)引出的線稱為陽極（正極），用“a”表示；N區(qū)引出的線稱為陰極（負極），用“k”表示。k陰極陽極aD按結(jié)構(gòu)分點接觸型面接觸型按材料分硅管鍺管按用途分普通管整流管…目前三十二頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點1.點接觸型二極管PN結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(a)點接觸型目前三十三頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點2.面接觸型二極管鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(b)面接觸型PN結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。目前三十四頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點3.平面型二極管陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(c)平面型

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。目前三十五頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點硅管0.5V鍺管0.1V外加電壓大于死區(qū)電壓，二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓，二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。反向特性特點：非線性硅0.7V鍺0.2VvDiDPN+–PN–+常溫下，反向電流很小

二極管的伏安特性目前三十六頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性在工程實踐中，為什么硅二極管應(yīng)用得較普遍？

硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管的反向電流一般在微安(uA)級。目前三十七頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點二極管的單向?qū)щ娦?/p>

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。

2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。目前三十八頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

二極管的參數(shù)1.最大整流電流IF2.反向擊穿電壓VBR二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。最高反向工作電壓VRM二極管反向擊穿時的電壓值。

是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓VBR的一半或三分之二。鍺二極管2AP15的V-I特性——選擇二極管的依據(jù)目前三十九頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點3.正向壓降VF鍺二極管2AP15的V-I特性門坎電壓：

硅管0.5V，鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降:硅管0.7V,鍺管0.2V。門坎電壓Vth

溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VF大約減小2mV，即二極管具有負溫度系數(shù)。目前四十頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點4.反向電流IR

指二極管未擊穿時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睢?.極間電容CJCJ=CD+

CB

溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加。硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。目前四十一頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點3.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法目前四十二頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點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。目前四十三頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點例：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點稱為電路的工作點，Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。目前四十四頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管V-I特性的簡化模型。

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.理想模型正向偏置時的電路模型反向偏置時的電路模型電源電壓遠大于二極管正向壓降目前四十五頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)

導(dǎo)通截止如何利用二極管理想模型分析電路？分析方法：

將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低。若V陽

>V陰

(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰

(反向偏置)，二極管截止

理想狀況下，正向?qū)〞r，二極管可視作短路；

反向截止時，二極管可視作斷路。目前四十六頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點例：電路如圖(a)所示，輸入電壓vs=18sintV,二極管是理想的，試畫出輸出電壓vO的波形。vs18V

在這里，二極管起整流作用。目前四十七頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點0V0V5V0VVCC5VRD1vI1vI2vOD25V5V0V0V5V例：電路如圖，利用理想模型求解，當(dāng)vI1

和vI2為0V或5

V時，求vI1

和vI2的值各種組合情況下，輸出電壓vO的值。

在這里，二極管用作開關(guān)元件。目前四十八頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點2.恒壓降模型正向管壓降硅管0.7V鍺管0.2ViD≈1mA或iD>1mA目前四十九頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點3.折線模型死區(qū)電壓硅管0.5V鍺管0.1V目前五十頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點理想模型（R=10k）（1）VDD=10V時恒壓降模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)例：電路如圖，R=10kΩ，二極管為硅二極管。分別用理想模型、恒壓降模型和折線模型求解，當(dāng)(1)VDD=10V，(2)VDD=1V時，ID和VD的值。

目前五十一頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點恒壓降模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)理想模型（R=10k）（2）VDD=1V時目前五十二頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點例：限幅電路如圖，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。

理想模型uO-+DVREFuI-+RuO-+VREFuI-+R目前五十三頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點恒壓模型uO-+VFVREFuI-+RuO-+DVREFuI-+RuO-+VFVREFuI-+R目前五十四頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點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，即以Q點為切點作一條直線，得到小信號模型。目前五十五頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

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(dǎo)則常溫下（T=300K）

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

。

目前五十六頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點如何利用二極管小信號模型分析電路？1、判斷二極管是否工作于正向?qū)顟B(tài)；2、分析電路的靜態(tài)工作情況，求得靜態(tài)工作點Q；3、根據(jù)靜態(tài)工作點Q計算出微變電阻rd；4、根據(jù)小信號模型的交流通路，計算出交流小信號作用下電路的交流電壓、電流；5、將交流量與靜態(tài)直流量疊加，得到電壓、電流總量。目前五十七頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點小信號工作情況分析例：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。目前五十八頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點目前五十九頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點

直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。二極管的用途：整流、限幅、開關(guān)、低電壓穩(wěn)壓、檢波、鉗位、隔離、元件保護、溫度補償?shù)?。目前六十頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點3.5特殊二極管

穩(wěn)壓二極管

光電子器件1.光電二極管2.發(fā)光二極管目前六十一頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點3.5.1穩(wěn)壓二極管表示符號：穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型二極管。它在電路中常實現(xiàn)穩(wěn)定電壓的作用。+-陰極陽極DZ目前六十二頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點1.伏安特性-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO1）正向特性：同普通二極管2）反向擊穿特性：

a、反向擊穿特性曲線比普通二極管更陡一些，即較大的I較小的V

b、在一定的范圍內(nèi)，反向擊穿具有可逆性

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)，利用其反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。-VZ0-IZT目前六十三頁\總數(shù)六十八頁\編于十七點-VZ-IZ(min)-IZ(max)VZIZvDiDO-VZ0-IZTQ2.簡化模型目前六十四頁\總數(shù)