1、第1章,半導(dǎo)體二極管及其基本電路,授課教師：季順寧,本章主要內(nèi)容,介紹半導(dǎo)體的基本知識； 半導(dǎo)體器件的核心環(huán)節(jié)PN結(jié)的形成及其特性； 簡介半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)； 半導(dǎo)體二極管的幾種常用等效電路及其應(yīng)用； 簡介幾種特殊二極管（除“穩(wěn)壓管”外均作為一般了解內(nèi)容）,目 錄,1.1 半導(dǎo)體的基本知識,1.3 半導(dǎo)體二極管,1.4 二極管基本電路及其分析方法,1.5 特殊二極管,返 回,1.2 PN結(jié)的形成及特性,1.1 半導(dǎo)體的基本知識,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,返回,半導(dǎo)體：,常見的半導(dǎo)體材料有：鍺、硅

2、、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。 其中最典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。,這種物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間。,一. 半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu),硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。,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：,半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)圖,共價鍵共用電子對,共 價 鍵,正離子核,二. 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，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。,T=0K時本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖：,溫度升高后，本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖,動畫演示,自由電子,空穴,溫度升高后

3、，本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖,動畫演示,這一現(xiàn)象稱為 本征激發(fā)，也 稱熱激發(fā)。,電子空穴對,溫度升高后，本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖,+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(bǔ)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(dá)到一種動態(tài)平衡。,溫度升高后，本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖,+4,+4,+4,+4,電子空穴對,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制,+4,+4,+4,+4,自由電子,空穴,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。,自由電子帶負(fù)電荷，形成電子流,兩種載流子,空穴視為帶正電荷

4、，形成空穴流,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制,+4,+4,+4,+4,自由電子,空穴,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。,三. 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在硅（或鍺）的晶體中摻入少量3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。,1. 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）,在硅（或鍺）的晶體中摻入少量3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。,1. P型半導(dǎo)體,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）,多數(shù)載流子（

5、多子）自由電子； 少數(shù)載流子（少子）空穴。,在硅（或鍺）的晶體中摻入少量5價雜質(zhì)元素，如磷，砷等。,2. 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）,多數(shù)載流子（多子）自由電子； 少數(shù)載流子（少子）空穴。,在硅（或鍺）的晶體中摻入少量5價雜質(zhì)元素，如磷，砷等。,2. N型半導(dǎo)體,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）,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

6、雜質(zhì)濃度的影響,負(fù)離子,空穴,正離子,自由電子,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,負(fù)離子,空穴,正離子,自由電子,【半導(dǎo)體知識】小結(jié),半導(dǎo)體與導(dǎo)體在導(dǎo)電機(jī)理上的區(qū)別： 導(dǎo)體的載流子只有一種：自由電子； 半導(dǎo)體的載流子有兩種：自由電子和空穴。,何謂本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體？雜質(zhì)半導(dǎo)體分類？ 【同前面所講！】,1.2 PN結(jié)的形成及特性,一. PN結(jié)的形成,返回,耗盡層,動畫演示,PN結(jié),勢壘區(qū),阻擋層,V0,（電位勢壘）,+,-,耗盡層,動畫演示,PN結(jié),勢壘區(qū),阻擋層,V0,（電位勢壘

7、）,由上可知，PN結(jié)中進(jìn)行著兩種載流子的運(yùn)動：,多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動,少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動,空間電荷的變化趨勢：【注意：此時為無外加電壓狀態(tài)】,到達(dá)平衡時，,空間電荷區(qū)的寬度也達(dá)到穩(wěn)定,外加正向電壓,二. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?前提：只有在外加電壓時才會顯示出來,PN結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,外電場,P區(qū),N區(qū),多子空穴,多子電子,VF,空間電荷區(qū),內(nèi)電場,擴(kuò)散運(yùn)動,PN結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,內(nèi)電場,外電場,P區(qū),N區(qū),多子空穴,多子電子,VF,PN結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通,+,+,+,+,

8、+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,變薄,內(nèi)電場,外電場,P區(qū),N區(qū),多子空穴,多子電子,IF,VF,正向電流,I：擴(kuò)散電流,PN結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,變薄,內(nèi)電場,外電場,P區(qū),N區(qū),IF,VF,I：擴(kuò)散電流,PN結(jié)加正向電壓時導(dǎo)通,動畫演示,外加反向電壓,PN結(jié)加反向電壓時截止,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,空間電荷區(qū),內(nèi)電場,外電場,P區(qū),N區(qū),少子電子,少子空穴,VR,漂移運(yùn)動,PN結(jié)加反向電壓時截止,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,內(nèi)電場,外電場,P區(qū),N區(qū),V

9、R,IR,I：漂移電流,反向電流,PN結(jié)加反向電壓時截止,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,內(nèi)電場,外電場,P區(qū),N區(qū),VR,IR,I：漂移電流,PN結(jié)加反向電壓時截止,動畫演示,歸納：,PN結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴(kuò)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。,這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)V-I特性的表達(dá)式（以硅二極管PN結(jié)為例）,【可參見教材P37圖2.2.5】,式中：,IF,IR,(A),PN結(jié)V-I特性的表達(dá)式（以硅二極管PN結(jié)為例）,【

10、可參見教材P37圖2.2.5】,IF,IR,(A),PN結(jié)V-I特性的表達(dá)式（以硅二極管PN結(jié)為例）,【可參見教材P37圖2.2.5】,IF,IR,(A),PN結(jié)的反向擊穿：,反向擊穿電壓,反向擊穿,電擊穿,熱擊穿,雪崩擊穿,齊納擊穿,1.3 半導(dǎo)體二極管,一.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu),二極管的幾種常見外形,返回,二極管的幾種常見結(jié)構(gòu),【可參見教材P39圖2.3.1】,二極管的符號,(a)點(diǎn)接觸型,(b)面接觸型,(c)集成電路中的平面型,a,k,【Anode】,【Cathode】,幾種常見二極管實(shí)物圖,觸發(fā)二極管,開關(guān)二極管,半導(dǎo)體二極管的型號,二.二極管的V-I特性,它的大小與二極管的材料及溫度

11、等因素有關(guān)。,關(guān)于死區(qū)電壓,二.二極管的V-I特性,關(guān)于死區(qū)電壓,與溫度的關(guān)系,IF：最大整流電流,三.二極管的參數(shù),指二極管長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均電流。,VBR：反向擊穿電壓,指管子反向擊穿時的電壓值。,一般手冊上給出的最大反向工作電壓約為VBR的一半。,三.二極管的參數(shù),低頻或中頻信號時二極管極間電容作用不予考慮；高頻信號時才考慮作用。,1.4 二極管基本電路及其分析方法,理想模型,正偏時，管壓降為0V，即vD=0V； 反偏時，認(rèn)為R=，電流為0。,適用,當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時可用,返回,恒壓降模型,恒壓降模型,iD,vD,VON,VON,vD,iD,當(dāng)二極管導(dǎo)通后，

12、認(rèn)為其管壓降vD=VON。,對硅而言，常取vD=VON=0.7V。,適用,只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或大于1mA時才正確。 應(yīng)用較廣泛。,折線模型,折線模型,iD,vD,Vth,Vth,vD,iD,當(dāng)二極管正向vD大于Vth后其電流iD與vD成線性關(guān)系，直線斜率為1/rD。,截止時反向電流為0,Vth為二極管的門檻電壓，約為0.5V。,折線模型,折線模型,iD,vD,Vth,Vth,vD,iD,小信號模型（也稱二極管的微變等效電路）,【可參見教材P47圖2.4.4】,求rd？,小信號模型（也稱二極管的微變等效電路）,模型分析法應(yīng)用舉例,（1）二極管電路的靜態(tài)工作情況分析,設(shè)簡單二極管基本電

13、路如圖a所示，R=10k，圖b是它的習(xí)慣畫法。對于下列兩種情況，求電路的ID和VD的值： （1）VDD=10V;（2）VDD=1V。在每種情況下，應(yīng)用理想模型、恒壓降模型和折線模型求解。,例1：,（a）簡單二極管電路,（b）習(xí)慣畫法,恒壓降模型,當(dāng)VDD=10V時,折線模型,二者相比較: ID間相差0.001mA,VD間相差0.01V,恒壓降模型,當(dāng)VDD=1V時,折線模型,二者相比較: ID間相差0.019mA,VD間相差0.19V,例題表明：,在電源電壓遠(yuǎn)大于二極管管壓降的情況下，利用恒壓降模型就能得到比較合理的結(jié)果； 當(dāng)電源電壓較低時，需要采用折線模型才能得到更合理的結(jié)果。,（2）限幅電

14、路,一限幅電路如圖所示，R=1k，VREF=3V。 （1）vI=0V，4V，6V時，求相應(yīng)的輸出電壓vO的值; （2）當(dāng)vi6sintV時，繪出相應(yīng)當(dāng)輸出電壓vO的波形。,例2：, 當(dāng)vI=4V時, 當(dāng)vI=6V時,A,B,（2）當(dāng)vi=6sintV時，求vO的波形,先畫出電壓傳輸特性曲線：,繪制輸出電壓vO的波形：,方法：按照輸入電壓的波形通過傳輸特性用描點(diǎn)法可以畫出。,（3）開關(guān)電路,一二極管開關(guān)電路如圖所示。當(dāng)vI1和vI2為0V或5V時，求vI1和vI2的值不同組合情況下，輸出電壓vO的值。設(shè)二極管是理想的。,例3：,解：,邏輯與,（4）低電壓穩(wěn)壓電路,在下圖的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電

15、源電壓VI的正常值為10V，R=10k，若VI變化1V時，問相應(yīng)的硅二極管電壓（輸出電壓）的變動如何？,例4：,VI,R,D,vO,iD,vD,請同學(xué)們 自己看書！,1.5 特殊二極管,一.齊納二極管（穩(wěn)壓管）,VZ表示反向擊穿電壓，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。,返回,穩(wěn)壓電路,【分析】,例如：假設(shè)VI恒定，而RL減小，則有,IO,IZ不變,IR,VR,VI恒定,VO,IZ,IR,VR,VI恒定,VO,使用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時，需注意幾點(diǎn)：,（1）應(yīng)使外加電源的正極接管子的N區(qū)，電源的負(fù)極接P區(qū)，以保證穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)【！】。 （2）穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻RL并聯(lián)，由于穩(wěn)壓管兩端電壓的變化量很小，因

16、而使輸出電壓比較穩(wěn)定。 （3）必須限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ，不要超過規(guī)定值，以免因過熱而燒壞管子。,穩(wěn)壓管的一種實(shí)物圖,黑頭一側(cè)為陰極，即k端,二.光電管和發(fā)光管,光電管,可用來作為光的測量，是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的常用器件。,發(fā)光管,(發(fā)光),最常見的有紅、黃、綠等顏色。,實(shí)際中，二者配合使用的情況很多，如遙控電視機(jī)、光纜傳輸電信號等。,(接收光),幾種普通發(fā)光二極管實(shí)物圖,長腳為正極,大頭為負(fù)極,本章小結(jié)（1）,電子電路中常用的半導(dǎo)體器件有二極管、穩(wěn)壓管、雙極型三極管和場效應(yīng)管等。制造這些器件的主要材料是半導(dǎo)體，例如硅和鍺等。 半導(dǎo)體中存在兩種載流子：電子和空穴。純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體

17、，它的導(dǎo)電能力很差。摻有少量其他元素的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體分為兩種：N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子是電子；P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子是空穴。,本章小結(jié)（2）,當(dāng)把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，在二者的交界處形成一個PN結(jié)，這是制造各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，所以PN結(jié)這個概念在電子技術(shù)中是相當(dāng)重要的，必須很好的理解。,PN結(jié)中的P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的交界處形成一個空間電荷區(qū)或耗盡層。當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，耗盡區(qū)變窄，有電流流過；而當(dāng)外加反向電壓（反向偏置）時，耗盡區(qū)變寬，沒有電流流過或電流極小，這就是半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦浴?本章小結(jié)（3）,常用V-I特性來描述PN結(jié)二極管的性能，V-I特性的理論表達(dá)式為,二極管的主要參數(shù)有最大整流電流、最高反向工作電壓和反向擊穿電壓。在高頻電路中，還要考慮極間電容的影響。 齊納二極管是一種特殊二極管，