1、2 半導(dǎo)體二極管及其基本電路,2.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),2.3 半導(dǎo)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,2.2 PN結(jié)的形成及特性,2,教學(xué)內(nèi)容： 本章首先簡(jiǎn)單介紹半導(dǎo)體的基本知識(shí)，著 重討論半導(dǎo)體器件的核心環(huán)節(jié)-PN結(jié)，并重點(diǎn) 討論半導(dǎo)體二極管的物理結(jié)構(gòu)、工作原理、特 性曲線和主要參數(shù)以及二極管基本電路及其分 析方法與應(yīng)用；在此基礎(chǔ)上對(duì)齊納二極管、變 容二極管和光電子器件的特性與應(yīng)用也給予了 簡(jiǎn)要的介紹。,3,教學(xué)要求： 本章需要重點(diǎn)掌握二極管模型及其電 路分析，特別要注意器件模型的使用范圍 和條件。對(duì)于半導(dǎo)體器件，主要著眼于在 電路中的使用，關(guān)于器件內(nèi)部的物理

2、過(guò)程 只要求有一定的了解。,4,2.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí),2.1.1 半導(dǎo)體材料,2.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),2.1.3 本征半導(dǎo)體,2.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體,半導(dǎo)體:導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間 典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。,導(dǎo)電的 重要特點(diǎn),1、其能力容易受環(huán)境因素影響 （溫度、光照等）,2、摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力,5,2.1.2 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),原子結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)化模型, 完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。,2.1.3 本征半導(dǎo)體,在T=0K和無(wú)外界激發(fā)時(shí)，沒(méi)有載流子，不導(dǎo)電,兩個(gè)價(jià)電子的 共價(jià)鍵,正離子核,6,2.1.3 本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用,溫度,光照,

3、自由電子,空穴,本征激發(fā),空穴 共價(jià)鍵中的空位,空穴的移動(dòng)空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,由熱激發(fā)或光照而產(chǎn)生 自由電子和空穴對(duì)。,溫度 載流子濃度,7,*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)1：其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響 溫度載流子濃度導(dǎo)電能力,2.1.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體 摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）,P型半導(dǎo)體 摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）,自由電子 多子 空穴 少子,空穴 多子 自由電子 少子,9,摻入雜 質(zhì)對(duì)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:,以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3 。,雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響,10,本征半導(dǎo)體、本征激發(fā),本節(jié)中的有

4、關(guān)概念,自由電子 空穴,N型半導(dǎo)體、施主雜質(zhì)(5價(jià)) P型半導(dǎo)體、受主雜質(zhì)(3價(jià)),多數(shù)載流子、少數(shù)載流子,雜質(zhì)半導(dǎo)體,復(fù)合,*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)1： 其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響 溫度載流子濃度導(dǎo)電能力,*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)2：摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力,11,2.2 PN結(jié)的形成及特性,2.2.1 PN結(jié)的形成,2.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?*,2.2.3 PN結(jié)的反向擊穿,2.2.4 PN結(jié)的電容效應(yīng),12,2.2.1 PN結(jié)的形成,1. 濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),2. 擴(kuò)散空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng),3. 內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng) 阻止多子的擴(kuò)散,4、擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,載流子的運(yùn)動(dòng)：,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)濃度

5、差產(chǎn)生的載流子移動(dòng),漂移運(yùn)動(dòng)在電場(chǎng)作用下，載流子的移動(dòng),P區(qū),N區(qū),形成過(guò)程可分成4步 (動(dòng)畫(huà)),13,PN結(jié)形成的物理過(guò)程：,因濃度差 ,空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng), 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移, 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散,最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。,多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) ,對(duì)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。,14,2.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?只有在外加電壓時(shí)才 擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡將,定義：,加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏,加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏,擴(kuò)散 漂移 大的正向擴(kuò)散電流（多子） 低電阻 正向?qū)?

6、漂移 擴(kuò)散 很小的反向漂移電流（少子） 高電阻 反向截止,15,2.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦? PN結(jié)特性描述,2、PN結(jié)方程,陡峭電阻小正向?qū)?1、PN結(jié)的伏安特性,特性平坦反向截止 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,非線性,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）,近似 估算,正向：,反向：,16,2.2.3 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(shí)，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,17,2.2.4 PN結(jié)的電容效應(yīng),(1) 勢(shì)壘電容CB,勢(shì)壘電容示意圖,擴(kuò)

7、散電容示意圖,(2) 擴(kuò)散電容CD,18,2.3 半導(dǎo)體二極管,2.3.1 半導(dǎo)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),PN結(jié)加上引線和封裝 二極管,按結(jié)構(gòu) 分類,點(diǎn)接觸型,面接觸型,平面型,19,半導(dǎo)體二極管圖片,點(diǎn)接觸型,面接觸型,平面型,20,半導(dǎo)體二極管圖片,21,22,23,2.3.2 二極管的伏安特性,3. PN結(jié)方程（近似）,正向特性,反向特性,反向擊穿特性,Vth = 0.5V（硅） Vth = 0.1V（鍺）,注 意,1. 死區(qū)電壓（門(mén)坎電壓）,2. 反向飽和電流硅：0.1A；鍺：10A,24,2.3.3 二極管的參數(shù),(1) 最大整流電流IF

8、,(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,25,2.4 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 模型分析法應(yīng)用舉例,4、應(yīng)用電路分析舉例,2、二極管狀態(tài)判斷,1、二極管電路的分析概述,3、等效電路（模型）分析法,講課思路：,26,1、二極管電路的分析概述,應(yīng)用電路舉例,例2.4.2（習(xí)題2.4.12）,習(xí)題2.4.5,整流限幅,習(xí)題2.4.6,初步分析依據(jù)二極管的單向?qū)щ娦?D導(dǎo)通：vO = vI - vD,D截止：vO = 0,D導(dǎo)通：vO = vD,D截止：vO = vI,

9、左圖,中圖,顯然，vO 與 vI 的關(guān)系由D的狀態(tài)決定,而且，D處于反向截止時(shí)最簡(jiǎn)單！,27,分析思路,分析任務(wù)：求vD、iD 目的1: 確定電路功能，即信號(hào)vI傳遞到vO ，有何變化？ 目的2: 判斷二極管D是否安全。 首先，判斷D的狀態(tài)？ 若D反向截止，則相當(dāng)于開(kāi)路（ iD 0，ROFF ）； 若D正向?qū)ǎ瑒t？ 正向?qū)ǚ治龇椒ǎ?圖解法 等效電路（模型）法 將非線性 線性 先靜態(tài)（直流），后動(dòng)態(tài)（交流） 靜態(tài)： vI =0（正弦波過(guò)0點(diǎn)） 動(dòng)態(tài)： vI 0,1、二極管電路的分析概述,28,2、二極管狀態(tài)判斷,例1: 2CP1（硅），IF=16mA， VBR=40V。求VD、ID。,(a

10、),(b),(c),(d),正偏,正偏,反偏,反偏,iD IF ？,D反向截止,D反向擊穿,二極管狀態(tài)判斷方法,假設(shè)D截止(開(kāi)路)， 求D兩端開(kāi)路電壓,D正向?qū)ǎ?D正向?qū)ǎ?29,習(xí)題2.4.4 試判斷圖題2.4.4中二極管導(dǎo)通還是截止， 為什么?,圖題2.4.4(a),例2:,習(xí)題2.4.3 電路如下圖所示， 判斷D的狀態(tài),2、二極管狀態(tài)判斷,30,3、等效電路（模型）分析法,（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,VD = 0.7V（硅） VD = 0.2V（鍺）,Vth = 0.5V（硅） Vth = 0.1V（鍺）,31

11、,3、等效電路（模型）分析法,(4) 小信號(hào)模型,二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效為:,微變電阻,根據(jù) 得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo),常溫下（T=300K）,32,4、應(yīng)用電路分析舉例,例2.4.1 求VD、ID。,（R=10k）,（a）VDD=10V 時(shí),（b）VDD=1V 時(shí),VDD,理想模型,恒壓模型,折線模型,理想模型,恒壓模型,折線模型,33,二極管應(yīng)用舉例,（1） 二極管整流電路,34,（2）二極管限幅電路,35,D1 鉗位作用 D2隔離作用,(3) 開(kāi)關(guān)電路,36,例2.4.3 一二極管開(kāi)關(guān)電路如圖所示。當(dāng)V1和V2為0V或5V時(shí)，求V1和V2的值不同組合情況下，輸

12、出電壓0的值。設(shè)二極管是理想的。,37,解：(1)當(dāng)V1=0V, V2=5V時(shí),D1為正向偏置， V0=0V,此時(shí) D2的陰極電位為5V，陽(yáng)極為0V， 處于反向偏置，故D2截止。 (2)以此類推，將V1和V2 的其余三種組合及 輸出電壓列于下表：,38,由上表可見(jiàn)，在輸入電壓V1和V2中，只 要有一個(gè)為0V，則輸出為 0V;只有當(dāng)兩輸入 電壓均為5V時(shí)，輸出才為5V，這種關(guān)系在數(shù) 字電路中稱為“與”邏輯。 注意：即判斷電路中的二極管處于導(dǎo) 通狀態(tài)還是截止?fàn)顟B(tài)，可以先將二極管斷開(kāi)，然后觀察陰、陽(yáng)兩極間是正向電壓還是反向電壓，若是前者則二極管導(dǎo)通，否則二極管截止。,39,（4）低電壓穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓

13、電源是電子電路中常見(jiàn)的組成部分。 利用二極管正向壓降基本恒定的特點(diǎn)，可以構(gòu) 成低電壓穩(wěn)壓電路。,40,例：在如圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流 電源電壓 V的正常值為10V，R=10k,當(dāng) V變 化1V時(shí)，問(wèn)相應(yīng)的硅二極管電壓(輸出電壓) 的變化如何？,41,解：(1)當(dāng)V的正常值為10V時(shí)，利用二極管 恒壓降模型有 VD0.7V， 由此可得二極管的電流為,此電流值可證實(shí)二極管的管壓降為0.7V的 假設(shè)。 (2)在此Q點(diǎn)上，,42,(3)按題意，V有1V的波動(dòng)，它可視為峰- 峰值為2V的交流信號(hào)，該信號(hào)作用于由R和rd組 成得分壓器上。顯然，相應(yīng)的二極管的信號(hào)電 壓可按分壓比來(lái)計(jì)算，即 Vd(峰

14、-峰值),由此可知，二極管電壓Vd的變化為2.79mV。,43,4、應(yīng)用電路分析舉例,例2.4.4 求vD、iD。,VI = 10V， vi = 1Vsint,解題步驟:,(1) 靜態(tài)分析 (令vi=0）,由恒壓降模型得,VD0.7V; ID 0.93mA,(2) 動(dòng)態(tài)分析 (令VI=0）,由小信號(hào)模型得,44,分析方法小結(jié),2.4 二極管基本電路及其分析方法,假設(shè)D截止（開(kāi)路） 求D兩端開(kāi)路電壓,VD 0.7V,狀態(tài),等效電路,條件,將不同狀態(tài)的等效電路（模型）代入原電路中，分析vI和vO 的關(guān)系,畫(huà)出電壓波形和電壓傳輸特性,特殊情況：求vD（波動(dòng)）,小信號(hào)模型和疊加原理,恒壓降模型,45,

15、2.5 特殊二極管,2.5.1 穩(wěn)壓二極管（齊納）,2.5.2 變?nèi)荻O管,2.5.3 光電子器件,1. 光電二極管,2. 發(fā)光二極管,3. 激光二極管,反向擊穿狀態(tài),反向截止，利用勢(shì)壘電容,反向截止，少子漂移電流,特殊材料，正向?qū)òl(fā)光,必須掌握“齊納二極管”，其它了解。 請(qǐng)自學(xué)！,46,2.5.1 穩(wěn)壓二極管,1. 符號(hào)及穩(wěn)壓特性,(a)符號(hào),(b) 伏安特性,47,(1) 穩(wěn)定電壓VZ,(2) 動(dòng)態(tài)電阻rZ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)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)

16、穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)VZ,2. 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù),2.5.1 穩(wěn)壓二極管,48,2.5.1 穩(wěn)壓二極管,3. 穩(wěn)壓電路,正常穩(wěn)壓時(shí) VO =VZ,# 穩(wěn)壓條件是什么？,# 不加R可以嗎？,自動(dòng)調(diào)整過(guò)程：,49,例： 如圖所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的并聯(lián)穩(wěn)壓電路。 R為限流電阻，求 R 上的電壓值VR和電流值。,R,50,解：假定輸入電壓在（7-10V）內(nèi)變化。,R,51,習(xí)題與預(yù)習(xí),習(xí)題 2.4.1 2.4.3 2.5.4 預(yù)習(xí) 3.1 半導(dǎo)體BJT,52,一、判斷下列說(shuō)法是否正確，用“”和“”表示判斷結(jié)果填入空內(nèi)。 （1）在N型半導(dǎo)體中如果摻入足夠量的三價(jià)元素，可將其改型為P型半導(dǎo)體。（ ） （2）因?yàn)镹

17、型半導(dǎo)體的多子是自由電子，所以它帶負(fù)電。（ ） （3）PN結(jié)在無(wú)光照、無(wú)外加電壓時(shí)，結(jié)電流為零。（ ）,自 測(cè) 題,解：（1） （2） （3）,53,解：（1）A （2）C （3）C,二、選擇正確答案填入空內(nèi)。,54,三、寫(xiě)出圖T1.3所示各電路的輸出電壓值， 設(shè)二極管導(dǎo)通電壓UD0.7V。,解：UO11.3V，UO20， UO31.3V， UO42V， UO51.3V，UO62V。,圖T1.3,55,四、已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ6V，穩(wěn)定電流的最小值IZmin5mA。求圖T1.4所示電路中UO1和UO2各為多少伏。,解：UO16V，UO25V。,圖T1.4,56,1.1 選擇合適答案填入空內(nèi)。

18、 （1）在本征半導(dǎo)體中加入 元素可形成N型半導(dǎo)體， 加入 元素可形成P型半導(dǎo)體。 A. 五價(jià) B. 四價(jià) C. 三價(jià) （2）當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的反向飽和電流將 。 A. 增大 B. 不變 C. 減小,習(xí) 題,解：（1）A ，C （2）A,57,1.2 能否將1.5V的干電池以正向接法接到二極管兩端？為什么？,解：不能。因?yàn)槎O管的正向電流與其端電壓成指數(shù)關(guān)系，當(dāng)端電壓為1.5V時(shí)，管子會(huì)因電流過(guò)大而燒壞。,58,1.7 現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管，它們的穩(wěn)定電壓分別為 6V和8V，正向?qū)妷簽?.7V。試問(wèn)： （1）若將它們串聯(lián)相接，則可得到幾種穩(wěn)壓 值？各為多少？ （2）若將它們并聯(lián)相接，則又可得到幾種穩(wěn) 壓值？各為多少？,解：（1）兩只穩(wěn)壓管串聯(lián)時(shí)可得1.4V、6.7V、 8.7V和14V等四種穩(wěn)壓值。 （2）兩只穩(wěn)壓管并聯(lián)時(shí)可得0.7V和6V等 兩種穩(wěn)壓值。,59,1.8 已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ6V，穩(wěn)定電流 的最小值IZmin5mA，最大功耗PZM 15