二極管及其基本電路演示文稿目前一頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點第三章二極管及其基本電路

§3.1半導(dǎo)體的基本知識

§3.2PN結(jié)的形成及特性§3.4二極管的基本電路及其分析方法

§3.5特殊二極管

§3.3二極管目前二頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點§3.1半導(dǎo)體基本知識半導(dǎo)體器件特點：

體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、功率轉(zhuǎn)換效率高。3.1.1半導(dǎo)體材料：（Semiconductormaterials)ρ(Ω-cm)10+910-3導(dǎo)體

如金屬等絕緣體

如橡皮、塑料等典型半導(dǎo)體：硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs等

半導(dǎo)體目前三頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變。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，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)。(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）。目前四頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

簡化模型最外層上的電子，決定了物質(zhì)的化學(xué)特性和導(dǎo)電性；Si硅原子Ge鍺原子1、Si、Ge的原子結(jié)構(gòu)

價電子：慣性核目前五頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

2、共價鍵硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示慣性核§3.1半導(dǎo)體基本知識

目前六頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。SiSiSiSi價電子目前七頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點SiSiSiSi價電子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(fù)電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。空穴溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動（相當(dāng)于正電荷的移動）。目前八頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)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(yùn)動電子電流2）價電子遞補(bǔ)空穴空穴電流目前九頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點1.本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少，其導(dǎo)電性能很差；2.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。自由電子和空穴都稱為載流子。

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(dá)到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。注意：目前十頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點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。N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）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?！?.1半導(dǎo)體基本知識

目前十一頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點1.N型半導(dǎo)體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)。多余電子硅原子SiPSiSi五價雜質(zhì)原子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硅(鍺)+磷N型半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體目前十二頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點2.P型半導(dǎo)體在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(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。因缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴?？昭⊿iSiSiB三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵硅(鍺)+硼P型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體目前十三頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體§3.1半導(dǎo)體基本知識目前十四頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散§3.2PN結(jié)的形成及特性漂移運(yùn)動：由于電場作用而導(dǎo)致載流子的運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動：載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域移動的現(xiàn)象空穴的移動方向與電場方向相同電子的移動方向與電場方向相反目前十五頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E漂移運(yùn)動3.2.2PN結(jié)的形成目前十六頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點漂移運(yùn)動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E§3.2PN結(jié)的形成及其特性內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。目前十七頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點漂移運(yùn)動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。3.2.2PN結(jié)的形成

3.2PN結(jié)的形成及其特性目前十八頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點

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(kuò)散最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。3.2.1PN結(jié)的形成

§3.2PN結(jié)目前十九頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點一、PN結(jié)外加正向偏置電壓時的導(dǎo)電情況：電源VF+P-N空間電荷區(qū)厚度

內(nèi)電場εI擴(kuò)>>

I漂擴(kuò)散漂移正向?qū)顟B(tài)、小電阻，正向?qū)娏鱅F＝

I擴(kuò)IF3.2.3PN結(jié)單向?qū)щ娦?目前二十頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點二、PN結(jié)加反向偏置電壓時的導(dǎo)電情況：空間電荷區(qū)厚度

內(nèi)電場ε漂移

擴(kuò)散I漂>>

I擴(kuò)反向截止?fàn)顟B(tài)，大電阻

反向電流IR=

I漂IR電源VR+N-P反向飽和電流IS目前二十一頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點PN結(jié)正偏PN結(jié)反偏目前二十二頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點三、結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)加正向電壓時，正向?qū)ǎ?/p>

電阻值很小，具有較大的正向?qū)娏鳎?/p>

開關(guān)閉合PN結(jié)加反向電壓時，反向截止：

呈現(xiàn)高電阻，具有較小反向飽和電流，

開關(guān)斷開目前二十三頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點流過PN結(jié)電流A反向飽

和電流A加在PN結(jié)

兩端電壓VVT=KT/q=26mVT=300KVD<0反向截止VD>0正向?qū)ㄋ?、PN結(jié)V-I特性表示式：（二極管特性方程）發(fā)射系數(shù)(12)目前二十四頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點

PN的反向擊穿（P65自學(xué)熟悉）

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。反向擊穿段3.2.5PN結(jié)電容效應(yīng)（P66自學(xué)了解）目前二十五頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點一、符號：陽極+-陰極二、結(jié)構(gòu)：（1）點接觸型二極管：陽極+-陰極（2）面接觸型二極管：（3）平面型二極管：3.3.1二極管結(jié)構(gòu):§3.3二極管（Diode)目前二十六頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點3.3.2伏安特性（V-I特性）(P70)硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓VBR導(dǎo)通壓降外加電壓大于死區(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?。正向特性反向特性特點：非線性硅0.7V,鍺0.2V。UI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。目前二十七頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點一、最大整流電流IF二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大正向平均電流。二、反向擊穿電壓VBR

二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值。

3.3.3二極管主要參數(shù)（P71自學(xué)熟悉）目前二十八頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點三、反向電流IR在室溫及規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。

硅管：(<0.1A)；

鍺管：(<幾十A)。四、結(jié)電容Cd

反映二極管中PN結(jié)結(jié)電容效應(yīng)的參數(shù)。在高頻

和開關(guān)狀態(tài)時運(yùn)用時必須考慮。五、最高工作頻率fM

二極管工作上限頻率。六、反向恢復(fù)時間TRR

二極管由正向?qū)ㄟ^渡到反向截止時所需的時間。目前二十九頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點§3.4二極管的基本電路

及其分析方法3.4.1簡單二極管電路的圖解分析法

(P73自學(xué)了解)目前三十頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點3.4.2二極管電路的簡化模型分析法：1理想模型：(理想二極管)

(vD＞0正偏)二極管導(dǎo)通VD

=0rD

=0(vD

<0反偏)二極管截止iD

=0rD=∞一、二極管V-I特性的建模：目前三十一頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點2恒壓降模型：(vD＞VF)二極管導(dǎo)通vD

=VFr=0開關(guān)閉合(vD

<VF)二極管截止iD

=0r=∞開關(guān)斷開目前三十二頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點3折線模型：(P74自學(xué)、了解)4小信號模型:(P76自學(xué)、了解)目前三十三頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.7V鍺0.2V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當(dāng)于斷開。目前三十四頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點Eg.1簡單硅二極管電路：

R=10K解：分析可知二

極管正偏：1理想模型：2恒壓降模型：求:VDD=

10V時

ID及VD二、模型分析法應(yīng)用舉例：目前三十五頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點Eg.2電路如圖，(設(shè)D為理想二極管）

判斷二極管工作狀態(tài)，并求輸出電壓。D導(dǎo)通

D2導(dǎo)通、D1截止

D2優(yōu)先導(dǎo)通D1截止a1a2b1b2vA0

=-15VvA0

=0VvA0

=－4V參考點目前三十六頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點ui>3V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=3V

ui<3V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo波形。3VEg.3限幅電路：(P80)

思考：若用恒壓降模型分析二極管，輸出波形應(yīng)為什么？ui6V二極管陰極電位為3VD3VRuoui++––目前三十七頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點Eg.4全波整流電路（P97題3.4.2）2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二極管D1、D3

導(dǎo)通，D2、D4

截止。3.工作波形1.電路結(jié)構(gòu)－uRLuiouo1234ab+–+–－目前三十八頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點Eg.4全波整流電路（P97題3.4.2）2.工作原理3.工作波形1.電路結(jié)構(gòu)RLuiouo1234ab+–+–u

正半周，Va>Vb，二極管1、3導(dǎo)通，2、4截止。u

負(fù)半周，Va<Vb，二極管2、4導(dǎo)通，1、3截止。u－－目前三十九頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點

作業(yè)題

必做

(P97)：3.4.5、3.4.6(a)3.4.9(用理想模型分析)選做3.4.7

目前四十頁\總數(shù)四十五頁\編于十一點§3.5特殊二極管（P84）光電二極管發(fā)光二極管激光二極管齊納二極管變?nèi)荻O管光電子器件肖特