1、第二章、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),導(dǎo)體：銅，銀，鋁，鐵,絕緣體：云母，陶瓷，塑料，橡膠,半導(dǎo)體：硅，鍺,半導(dǎo)體得以廣泛應(yīng)用，是因?yàn)槠鋵?dǎo)電性能會(huì)隨外界條件的變化而產(chǎn)生很大的變化。,2-1-1 半導(dǎo)體材料,溫度：溫度上升，電阻率下降。 鍺由20上升到30，電阻率降低一半。,摻雜：摻入少量的雜質(zhì)，會(huì)使電阻率大大降低。 純硅中摻入百萬分之一的硼，電阻率由 2.3105cm降至0.4 cm。,光照：光照使電阻率降低。,利用半導(dǎo)體的這些特性制成了各種各樣的半導(dǎo)體器件。,引起導(dǎo)電性能產(chǎn)生很大變化的外界條件有：,2-1-2 鍺、硅晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),1、原子結(jié)構(gòu),硅,+14,鍺,+32

2、,共同特點(diǎn)： 最外層具有4個(gè)價(jià)電子。,2 晶格與共價(jià)鍵,半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),處于共價(jià)鍵中的電子稱為束縛電子，能量小，不能參與導(dǎo)電。,2-1-3 本征半導(dǎo)體與本征激發(fā),本征半導(dǎo)體：高度純凈，結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。,本征激發(fā)：束縛電子獲得一定的能量，脫離共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子的現(xiàn)象。 (鍺 0.67ev 硅 1.1ev),認(rèn)為空穴帶正電荷，電荷量等于電子電荷量。,自由電子失去能量，重新回到共價(jià)鍵上，稱為復(fù)合。,本征激發(fā)后，共價(jià)鍵中留下的空位叫空穴。 本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)。,空穴的運(yùn)動(dòng),半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子和空穴。,半導(dǎo)體中的電流是電子流和空穴流之和。,在本征半導(dǎo)體中自由電子數(shù)總等

3、于空穴數(shù)，且濃度很低，導(dǎo)電能力差。 本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子濃度隨溫度增加急劇增大。,束縛電子填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)稱空穴的運(yùn)動(dòng)。,硅原子外層電子比鍺離核近，受原子核束縛力大，在同樣溫度下本征激發(fā)小，溫度穩(wěn)定性好。,2-1-4 雜質(zhì)半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入微量 3價(jià)元素（如硼）形成 。,空穴-多數(shù)載流子（多子） 電子-少數(shù)載流子（少子）,本征激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。,每一個(gè)三價(jià)雜質(zhì)原子產(chǎn)生一個(gè)空穴-負(fù)離子對(duì)。,雜質(zhì)元素使共價(jià)鍵上缺少1個(gè)電子,三價(jià)雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。,雜質(zhì)原子獲得一個(gè)電子成為負(fù)離子。 硅原子的共價(jià)鍵上缺少一個(gè)電子形成空穴,2 N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入少量的 五價(jià)元素（如磷）

4、形成。,雜質(zhì)原子多余的一個(gè)價(jià)電子容易掙脫原子核的 束縛變成自由電子。,每一個(gè)5價(jià)雜質(zhì)原子 產(chǎn)生一個(gè)電子-正離子對(duì)。,本征激發(fā)：電子-空穴對(duì)。,雜質(zhì)原子失去一個(gè)電子成為正離子。,5價(jià)雜質(zhì)-施主雜質(zhì),電子-多子載流子 空穴-少子載流子,結(jié)論,摻雜會(huì)大大提高半導(dǎo)體中載流子濃度，使導(dǎo)電性能大增。 摻入五價(jià)雜質(zhì)產(chǎn)生N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）。 多子電子、少子空穴。 摻入三價(jià)雜質(zhì)產(chǎn)生P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）。 多子空穴、少子電子。 多子濃度近似等于雜質(zhì)濃度， 少子濃度與溫度密切相關(guān)。,2-2 PN結(jié)的形成及特性,1、 PN結(jié)的形成,濃度差產(chǎn)生多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)， 擴(kuò)散破壞了原來的電中性, P區(qū)失去空穴，留下

5、負(fù)離子。 N區(qū)失去電子，留下正離子。 正負(fù)離子的數(shù)量相等。,在P區(qū)和N區(qū)交界面附近，形成由不能移動(dòng)的正負(fù)離子組成的區(qū)間稱空間電荷區(qū)，也稱PN結(jié)區(qū)。,PN 結(jié)區(qū),空間電荷區(qū)寬度與雜質(zhì)濃度成反比。,內(nèi)建電場(chǎng) 由空間電荷形成的電場(chǎng)。內(nèi)建電場(chǎng)阻止多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。,耗盡層 PN結(jié)內(nèi)由于擴(kuò)散與復(fù)合，使載流子幾乎被耗盡，是高阻區(qū)。 也稱為阻擋層。,結(jié)區(qū),E,漂移運(yùn)動(dòng) 載流子在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。 內(nèi)建電場(chǎng)有利于少子的漂移運(yùn)動(dòng)。,擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，形成PN結(jié)。 動(dòng)態(tài)平衡時(shí)流過PN結(jié)的總電流為0。,Vo: 硅 0.60.8V 鍺 0.10.3V,電位 分布圖,電子勢(shì)能分布圖,勢(shì)壘區(qū) 空間電荷在結(jié)區(qū)內(nèi)形

6、成電位差， 稱接觸電位差或結(jié)電壓,2.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?(1) 外加正向電壓,正向偏置: P區(qū)接電源端 N區(qū)接電源端,在外電場(chǎng)的作用下 P區(qū)空穴向結(jié)區(qū)運(yùn)動(dòng)，中和部分負(fù)離子。 N區(qū)自由電子向結(jié)區(qū)運(yùn)動(dòng)，中和部分正離子。 空間電荷減少， 結(jié)區(qū)變窄。,原來的動(dòng)態(tài)平衡被打破,多子的擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于少子的漂移電流， 產(chǎn)生較大的正向電流IF。,P區(qū)、N區(qū)為低阻區(qū)，結(jié)區(qū)為高阻區(qū)，所以外加電壓主要加在結(jié)區(qū)，抵消內(nèi)電場(chǎng)的作用。 結(jié)內(nèi)電位差減小，勢(shì)壘減小。,外加電壓很小變化，將引起電流的較大變化。,PN結(jié)正向?qū)ǎ湔驅(qū)娮韬苄　?(2) 外加反向電壓,反向偏置 : P區(qū)接電源端， N區(qū)接電源端。, 結(jié)

7、內(nèi)電位差增加， 勢(shì)壘提高。, P區(qū)的空穴，N區(qū)的自由電子，均背離結(jié)區(qū)運(yùn)動(dòng)，致使： 空間電荷增加， 結(jié)區(qū)變寬。,多子的擴(kuò)散電流趨于0， 由少子的漂移電流產(chǎn)生反向電流。 少子濃度很小，所以反向電流很小。 PN結(jié)反向截止，反向截止電阻很大。,少子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其濃度與材料及溫度有關(guān)， 所以反向電流幾乎與反向電壓的大小無關(guān)，而隨溫度增加急劇增大,結(jié)論: 加正向電壓，很小的電壓能產(chǎn)生較大的 電流，外加電壓很小變化，將引起電流的較大變化。 加反向電壓，只能產(chǎn)生微小的反向電流，且反向電流的大小幾乎與反向電壓無關(guān)。 PN結(jié)正向電阻小，反向電阻大，具有單向?qū)щ娦浴?(3) PN 結(jié)的V-I特性,IS 反向飽和

8、電流 VT 溫度的電壓當(dāng)量 VT =kT /q K=1.3810-23（J/K） q=1.610-19C T 絕對(duì)溫度 當(dāng)T=300K時(shí) VT26mV,加正向電壓 vD0,幾乎與反向電壓的大小無關(guān),加反向電壓 vD0,3、PN 結(jié)的反向擊穿,反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)， 反向電流劇增， 這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。（電擊穿) 擊穿時(shí)的反向電壓稱為反向擊穿電壓VBR,電擊穿,PN 結(jié)電擊穿的原因： 強(qiáng)電場(chǎng)使自由電子和空穴的數(shù)目大大增加，從而使反向電流急劇增加。,反向擊穿,熱擊穿 PN 結(jié)溫度過高，將結(jié)燒壞。, 雪崩擊穿： 發(fā)生在攙雜濃度較小的PN結(jié)。 少子在高反壓作用下，以很大能量碰撞束縛電子而形成的連

9、鎖反應(yīng)。 特點(diǎn)：擊穿電壓較大，（6V) 反向擊穿電壓隨溫度上升而增加(正溫度系數(shù))。,PN 結(jié)電擊穿的形式：,齊納擊穿 （場(chǎng)致?lián)舸?發(fā)生在攙雜濃度較高的PN結(jié)。 反壓雖不太大，但結(jié)區(qū)窄，結(jié)內(nèi)有很強(qiáng)的電場(chǎng)，將共價(jià)鍵的電子直接大量吸引出來而產(chǎn)生的。 特點(diǎn)：擊穿電壓較小(6V)， 反向擊穿電壓隨溫度上升而減小(負(fù)溫度系數(shù))。,2-3 半導(dǎo)體二極管,2.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體二極管是由PN結(jié)加電極引線封裝而成的，其結(jié)構(gòu)有： 點(diǎn)接觸型 ，PN結(jié)面積小，極間電容小，高頻特性好，但反向耐壓較低，正向電流較小。用于高頻檢波、開關(guān)器件等。 面接觸型，PN結(jié)面積大，反向耐壓較高，正向電流較大，用于整

10、流。,二極管的符號(hào),正極 (P),負(fù)極 (N),1、正向特性： 存在門坎電壓Vth （死區(qū)電壓） 硅0.5V 鍺0.1V 正向?qū)〞r(shí)壓降很小，硅 0.60.8V（估算值0.7V) 鍺0.20.3V（估算值0.2V),2.3.2 二極管的V-I特性,實(shí)際二極管的V-I特性與PN結(jié)特性基本相同。,理想PN結(jié)的特性：,2、反向特性 電壓小于反向擊穿電壓時(shí)，反向電流很小， 硅管 ：1A 、 鍺管：幾十幾百A 反向電流幾乎不隨反向電壓變化，但隨溫度增加急劇增大。,3、反向擊穿特性 當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓時(shí)反向電流迅速增大，產(chǎn)生反向擊穿。,思考題:,如何用模擬式萬用表判別二極管正負(fù)極,測(cè)量正反向電阻？

11、,內(nèi)阻Ro隨量程正比例增加。 1， 10， 100， 1K, 10K,模擬式萬用表測(cè)電阻的等效電路：,萬用表測(cè)電阻時(shí)： 黑表筆連接電池正極性 紅表筆連接電池負(fù)極性,測(cè)量正向電阻時(shí)，量程檔位增加，電阻值會(huì)怎樣變化？為什么與測(cè)線性電阻不同？,正向?qū)ㄟ€是反向截止？,1. 最大整流電流IF 管子長(zhǎng)期運(yùn)行允許通過的最大正向平均電流。 2. 反向擊穿電壓VBR 反向電流急劇增加時(shí)所加的反向電壓。 （參數(shù)表中一般規(guī)定反向電流所達(dá)到的值） 最高反向工作電壓一般取擊穿電壓的一半。 3. 反向電流IR 管子未發(fā)生電擊穿時(shí)的反向電流。 （參數(shù)表中一般規(guī)定所應(yīng)加的反向電壓）,2.3.3 二極管的參數(shù),4、PN結(jié)的電

12、容 在電路理論中定義：一個(gè)二端器件，可存儲(chǔ)電荷，且存儲(chǔ)的電荷與兩端電壓相關(guān)，則該器件為電容。 PN結(jié)具有電容效應(yīng)，主要表現(xiàn)在兩方面： 勢(shì)壘電容CB 描述PN結(jié)內(nèi)空間電荷隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。,反向電壓增加,空間電荷區(qū)寬度增加,空間電荷增加(正負(fù)離子),外加電壓的變化會(huì)引起空間電荷的變化,勢(shì)壘電容的特點(diǎn): 存儲(chǔ)的電荷是正負(fù)離子，不是載流子，“充、放”電是由載流子與離子的中和或取出產(chǎn)生的。 非線性電容，電容值隨外加電壓而變化 。,變?nèi)荻O管：,利用勢(shì)壘電容特性而制作的特殊二極管。 工作時(shí)必須加反偏電壓， 反偏電壓增大，電容C減小。,用于自動(dòng)調(diào)諧電路，調(diào)頻振蕩器，自動(dòng)頻率微調(diào),PN結(jié)正偏時(shí)：

13、 P區(qū)空穴到達(dá)N區(qū)成為非平衡少子，一面擴(kuò)散，一面與電子復(fù)合，濃度逐漸下降，在結(jié)的邊緣處有空穴的積累； 同樣，N區(qū)的電子到達(dá)P區(qū)，在結(jié)的邊緣處也有積累。 正向電壓越大，正向電流加大，積累的非平衡少子越多，擴(kuò)散電容加大。, 擴(kuò)散電容CD,描述PN結(jié)正偏時(shí)，注入的非平衡少子在擴(kuò)散過程中因積累產(chǎn)生的電容效應(yīng)。,PN結(jié)總的結(jié)電容 ：CJ=CB+CD,正向偏置：主要表現(xiàn)為擴(kuò)散電容 CJCD,反向偏置：擴(kuò)散電容CD=0 表現(xiàn)為勢(shì)壘電容 CJCB,結(jié)電容是影響二極管高頻特性的主要因素，將破壞二極管的單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)高頻等效電路,正向偏置，r小，結(jié)電容較大，但影響小。 反向偏置，r大，結(jié)電容較小，但影響大。

14、,2.4 二極管基本電路及其分析方法,二極管是一種非線性器件，分析含二極管的電路一般采用圖解法和模型分析法。 2.4.1 二極管正向 vi的建模 1、理想模型,正向偏置時(shí)，管壓為0V， 反向偏置時(shí)，電流為0。 用于電源電壓 管壓降的情況 如開關(guān)電路,2、恒壓降模型,二極管正向?qū)〞r(shí)，認(rèn)為其管壓降VF=常數(shù) （硅管取0.7V)。 用于直流分析時(shí)，電源電壓較大，工作電流較大， （1mA)，正向電壓變化較小的情況。,3、折線模型,Vth:門坎電壓 (硅管一般取0.5v),二極管的正向壓降隨流過二極管正向電流的增加而線性增加。一般用于電源電壓較小，工作電流較小的場(chǎng)合。,根據(jù)二極管的電流ID和管壓降VD

15、可以求出rD,4、小信號(hào)模型,當(dāng)輸入變化的信號(hào)時(shí)，且信號(hào)幅度很小，二極管工作在靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近的小范圍內(nèi), 則可以在小范圍內(nèi)把V-I特性曲線看成是過Q點(diǎn)的切線。其斜率的倒數(shù)稱微變電阻rd （動(dòng)態(tài)電阻）,小信號(hào)模型只用于動(dòng)態(tài)分析， 方程中求解的變量是信號(hào)量。 （電壓和電流瞬時(shí)值的變化量）,rd的計(jì)算,rd與靜態(tài)工作電流有關(guān)。,2-4-2 二極管模型分析法,1、靜態(tài)分析,圖解法, 模型分析法,理想模型,VDD0: ID=VDD/R VD=0 VDD0: ID=0 VD=VDD,恒壓降模型,VDDVF: VD=VF=0.7V ID=(VDD-0.7)/R,VDDVF: VD=VDD ID=0,折線模

16、型,VDDVth: ID=(VDD-Vth)/(R+rD) VD=Vth+IDrD=VDD-IDR,VDDVth: ID=0 VD=VDD,2、限幅電路,設(shè)二極管為理想二極管 1)設(shè)Vi=0V、4V， 求Vo,二極管開路電壓VDO=Vi-3 VDO0 Vi3V 二極管導(dǎo)通 VDO0 Vi3V 二極管截止,Vi=4V VDO=1V 二極管導(dǎo)通 Vo=VR=3V,Vi=0V VDO=-3V 二極管截止 Vo=Vi=0 V,2) 設(shè)vi=6sint,畫出vo的波形及傳輸特性,二極管開路電壓VDO=Vi-3 VDO0 Vi3V 二極管導(dǎo)通 Vo=VR=3V VDO0 Vi3V 二極管截止 Vo=Vi,

17、如二極管采用折線模型(Vth=0.5V,rD=200)，重作此題。,1)設(shè)Vi=0V，4V，,Vi=0，二極管截止，Vo=Vi=0,Vi=4V，二極管導(dǎo)通 I=(Vi-VR-Vth)/(R+rD)=0.417mA Vo=Vth+VR+IrD=3.583V,2) 設(shè)vi=6sint, 畫出vo的波形及傳輸特性,當(dāng)ViVth+VR=3.5V, 二極管截止 Vo=Vi,3 、開關(guān)電路二極管在開關(guān)電路中一般采用理想模型。關(guān)鍵是判別二極管是導(dǎo)通，還是截止,例1：試判斷下圖中二極管是導(dǎo)通還是截止，并求出輸出端的電壓Vo（設(shè)二極管是理想的）,Vo=0V,方法是：將二極管開路，計(jì)算兩端的開路電壓， 開路電壓大

18、于0，二極管正偏，將其看作短路。開路電壓小于0，二極管反偏，將其看作開路。,D1導(dǎo)通，D2截止,例2：,如果多個(gè)二極管都有可能導(dǎo)通的話， 則先令正向電壓較大的二極管先導(dǎo)通。 再重新計(jì)算其他二極管的開路電壓， 重新考慮其狀態(tài)。,此時(shí)VD1=6V， 所以D1 截止。 Vo= -6V,D2所加正向電壓較大，所以先導(dǎo)通。,例2.4.3,D1導(dǎo)通， D2導(dǎo)通 Vo=0V,D1導(dǎo)通，D2截止 Vo=0V,D1截止，D2截止 Vo=5V,與門電路,Vi1=0 Vi2=0,Vi1=0，Vi2=5V,Vi1=5V，Vi2=5V,4、 低電壓穩(wěn)壓,利用二極管的正向特性可以構(gòu)成低電壓的穩(wěn)壓電路,分析方法： 1）用恒

19、壓降模型進(jìn)行靜態(tài)分析，求IQ 2）根據(jù)靜態(tài)工作點(diǎn)求出微變電阻。 3）建立二極管的小信號(hào)模型，此時(shí)只考慮交變分量。,例：在圖所示電路中， 直流電壓VDD=10V，R=10K， 若V=1V， 相應(yīng)的硅二極管兩端電壓的變化量為多少？,解：求靜態(tài)工作點(diǎn) 由于VDD=10V0.7V， 所以二極管采用恒壓降模型。,計(jì)算二極管的微變電阻 rd= 26mV/ID= 28 歐姆,畫微變等效電路：直流電源取零值，二極管用其微變電阻代替，電路中的變量是電壓、電流的變化量。,VD=0.7V ID=（10-0.7）/10 =0.93mA,vD = vrd/(R+rd) = 2.79mV,2-5 特殊二極管,2.5.1 穩(wěn)壓管,1、原理：利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。反向擊穿后，電流急劇增加，