1、（3-1）,3 二極管及其基本電路,3.1 半導體的基本知識,3.3 二極管,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,3.5 特殊二極管,3.2 PN結(jié)的形成及特性,（3-2）,3.1 半導體的基本知識,3.1.1 半導體材料,3.1.2 半導體的共價鍵結(jié)構(gòu),3.1.3 本征半導體、空穴及其導電作用,3.1.4 雜質(zhì)半導體,（3-3）,3.1.1 半導體材料,根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。,導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。,絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之

2、間，稱為半導體。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。,（3-4）,3.1.2 半導體的共價鍵結(jié)構(gòu),硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu),價電子,共價鍵,（3-5）,3.1.3 本征半導體、空穴及其導電作用,空穴共價鍵中的空位。,自由電子,空穴,T ,電子空穴對由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對。,空穴的移動空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次填充空穴來實現(xiàn)的。,本征半導體化學成分純凈的半導體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。,（3-6）,本征半導體中載流子的濃度,在一定溫度下本征半導體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。,本征半導體中載流子的濃度公式：,T=300 K

3、室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.431010/cm3,本征鍺的電子和空穴濃度: n = p =2.381013/cm3,ni=pi=K1T3/2 e -EGO/(2KT),本征激發(fā),復(fù)合,動態(tài)平衡,（3-7）,3.1.4 雜質(zhì)半導體,在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。,N型半導體摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導體。,P型半導體摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導體。,（3-8）,一、 N 型半導體,在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成 N 型半導體

4、(或稱電子型半導體)。,（3-9）,二、 P 型半導體,在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3 價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成 P 型半導體。,空穴濃度多于電子濃度，即 p n?？昭槎鄶?shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。,3 價雜質(zhì)原子稱為受主原子。,受主原子,空穴,（3-10）,說明：,1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。,3. 雜質(zhì)半導體總體上保持電中性。,4. 雜質(zhì)半導體的表示方法如下圖所示。,2. 雜質(zhì)半導體載流子的數(shù)目要遠遠高于本征半導體，因而其導電能力大大改善。,(a)N 型半導體,(b) P 型半導體,（3-11）,雜質(zhì)對半導體導電性的影響：,摻入雜質(zhì)對本征半

5、導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:,以上三個濃度基本上依次相差約106/cm3 。,4.961022/cm3,（3-12）,3.2 PN結(jié)的形成及特性,3.2.2 PN結(jié)的形成,3.2.3 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿,3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng),3.2.1 載流子的漂移與擴散,（3-13）,3.2.1 載流子的漂移與擴散,漂移運動： 由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。,（3-14）,在一塊半導體單晶上一側(cè)摻雜成為 P 型半導體，另一側(cè)摻雜成為 N 型半導體，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的

6、薄層，稱為 PN 結(jié)。,一、PN 結(jié)的形成,3.2.2PN結(jié)的形成,（3-15）,PN 結(jié)中載流子的運動,耗盡層,1. 擴散運動,2. 擴散運動形成空間電荷區(qū),電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴散運動。, PN 結(jié)，耗盡層。,（3-16）,3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場,空間電荷區(qū)正負離子之間電位差 Uho 電位壁壘； 內(nèi)電場；內(nèi)電場阻止多子的擴散 阻擋層。,4. 漂移運動,內(nèi)電場有利于少子運動漂移。,少子的運動與多子運動方向相反,（3-17）,5. 擴散與漂移的動態(tài)平衡,擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減小； 隨著內(nèi)電場的增強，漂移運動逐漸增加； 當擴散電流與漂移電流相等時，PN 結(jié)總的電

7、流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定。,對稱結(jié),即擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡。,不對稱結(jié),（3-18）,3.2.3 PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?1、 PN結(jié) 外加正向電壓時處于導通狀態(tài),又稱正向偏置，簡稱正偏。,（3-19）,在 PN 結(jié)加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻 R。,2、PN 結(jié)外加反向電壓時處于截止狀態(tài)(反偏),反向接法時，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強了內(nèi)電場的作用；,外電場使空間電荷區(qū)變寬；,不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產(chǎn)生反向電流 I ；,由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。,（3-20）,反向電流

8、又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感， 隨著溫度升高， IS 將急劇增大。,（3-21）,當 PN 結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流， PN 結(jié)處于 導通狀態(tài)； 當 PN 結(jié)反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零， PN 結(jié)處于截止狀態(tài)。,綜上所述：,可見， PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?（3-22）,IS ：反向飽和電流；VT ：溫度的電壓當量 在常溫(300 K)下，,3、 PN 結(jié)V-I 特性表達式,PN結(jié)所加端電壓u與流過的電流i的關(guān)系為,（3-23）,3.2.4 PN結(jié)的反向擊穿,i = f (u )之間的關(guān)系曲線。,正向特性,反向特性,當PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，

9、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,（3-24）,3.2.5 PN結(jié)的電容效應(yīng),當PN上的電壓發(fā)生變化時，PN 結(jié)中儲存的電荷量將隨之發(fā)生變化，使PN結(jié)具有電容效應(yīng)。,電容效應(yīng)包括兩部分,勢壘電容,擴散電容,1. 勢壘電容Cb,是由 PN 結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的。,(a) PN 結(jié)加正向電壓,（b) PN 結(jié)加反向電壓,（3-25）,空間電荷區(qū)的正負離子數(shù)目發(fā)生變化，如同電容的放電和充電過程。,勢壘電容的大小可用下式表示：,由于 PN 結(jié) 寬度 l 隨外加電壓 u 而變化，因此勢壘電容 Cb不是一個常數(shù)。其 Cb = f (U) 曲線如圖示。, ：半導體材料的介

10、電比系數(shù)； S ：結(jié)面積； l ：耗盡層寬度。,（3-26）,2. 擴散電容 Cd,是由多數(shù)載流子在擴散過程中積累而引起的。,在某個正向電壓下，P 區(qū)中的電子濃度 np(或 N 區(qū)的空穴濃度 pn)分布曲線如圖中曲線 1 所示。,x = 0 處為 P 與 耗盡層的交界處,當電壓加大，np (或 pn)會升高，如曲線 2 所示(反之濃度會降低)。,當加反向電壓時，擴散運動被削弱，擴散電容的作用可忽略。,正向電壓變化時，變化載流子積累電荷量發(fā)生變化，相當于電容器充電和放電的過程 擴散電容效應(yīng)。,（3-27）,綜上所述：,PN 結(jié)總的結(jié)電容 Cj 包括勢壘電容 Cb 和擴散電容 Cd 兩部分。,Cb

11、 和 Cd 值都很小，通常為幾個皮法 幾十皮法， 有些結(jié)面積大的二極管可達幾百皮法。,當反向偏置時，勢壘電容起主要作用，可以認為 Cj Cb。,一般來說，當二極管正向偏置時，擴散電容起主要作用，即可以認為 Cj Cd；,在信號頻率較高時，須考慮結(jié)電容的作用。,（3-28）,3.3 半導體二極管,在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。,二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型,二極管的幾種外形,（3-29）,1、點接觸型二極管,3.3.1 二極管的幾種常見結(jié)構(gòu),PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。,（3-30）,3、平面型二極管,往往用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大

12、可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。,2、面接觸型二極管,PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。,(b)面接觸型,4、二極管的代表符號,D,（3-31）,3.3.2 二極管的伏安特性,二極管的伏安特性曲線可用下式表示,正向特性,反向特性,反向擊穿特性,開啟電壓：0.5V 導通電壓：0.7,一、伏安特性,開啟電壓：0.1V 導通電壓：0.2V,（3-32）,二、溫度對二極管伏安特性的影響,在環(huán)境溫度升高時，二極管的正向特性將左移，反向特性將下移。,二極管的特性對溫度很敏感，具有負溫度系數(shù)。,（3-33）,3.3.3 二極管的參數(shù),(1) 最大整流電流IF,(2) 反向擊穿電壓U（BR）和最高反向工作

13、電壓URM,(3) 反向電流IR,(4) 極間電容Cd,(5)反向恢復(fù)時間TRR,在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)管子所用的場合，按其所承受的最高反向電壓、最大正向平均電流、工作頻率、環(huán)境溫度等條件，選擇滿足要求的二極管。,（3-34）,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方法,3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,（3-35）,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。,（3-36）,例3.4.1 電路如圖所示，已

14、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的坐標值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點,（3-37）,1、二極管V-I特性的建模,3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法,（3-38）,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（VmVDD）, 將Q點附近小范圍內(nèi)的V-I 特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。,（3-39）,4、小信號模型,二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正

15、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,則,常溫下（T=300K）,二極管的微變等效電路,（3-40）,2、模型分析法應(yīng)用舉例,1）整流電路,（a）電路圖 （b）vs和vO的波形,（3-41）,2）靜態(tài)工作情況分析,理想模型,恒壓模型,（硅二極管典型值）,折線模型,（硅二極管典型值）,設(shè),（a）簡單二極管電路 （b）習慣畫法,（3-42）,3）限幅電路,電路如圖，R = 1k，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vI = 6sint V時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。,（3-43）,4）開關(guān)電路,電路如圖所示，求AO的電壓值,解：,先

16、斷開D，以O(shè)為基準電位， 即O點為0V。,則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。,陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)ā?導通后，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陽極的電位。,所以，AO的電壓值為-6V。,（3-44）,5）小信號工作情況分析,圖示電路中，VDD = 5V，R = 5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinwt V。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。,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。,（3-45）,3.5 穩(wěn)壓二極管,一、穩(wěn)壓管的伏安特性,(a)符號,(b)2CW17 伏安特性,DZ,（3-

17、46）,(1) 穩(wěn)定電壓UZ,(2) 動態(tài)電阻rZ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(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)溫度系數(shù)VZ,二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù),（3-47）,穩(wěn)壓電路,正常穩(wěn)壓時 UO =UZ,# 不加R可以嗎？,# 上述電路UI為正弦波，且幅值大于UZ ， UO的波形是怎樣的？,1）設(shè)電源電壓波動(負載不變),UI UOUZ IZ,UOUR IR ,2）設(shè)負載變化(電源不變) 略,如電路參數(shù)變化？,（3-48）,例1：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用,穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZ

18、=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負載電阻RL=2k，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200 ，求iZ。 若負載電阻變化范圍為1.5 k - 4 k ，是否還能穩(wěn)壓？,（3-49）,UZ=10V ui=12V R=200 Izmax=12mA Izmin=2mA RL=2k (1.5 k 4 k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA） i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA） RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA） RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）,負載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用,（3-50）,例2：穩(wěn)