模擬電子技術(shù)：第3章 二極管及其基本電路

3二極管及其基本電路3.1半導體的基本知識3.3半導體二極管3.4二極管基本電路及其分析方法3.5特殊二極管3.2PN結(jié)的形成及特性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

3.1.4

雜質(zhì)半導體3.1.1半導體材料根據(jù)材料導電能力(電阻率)的不同，可以把材料劃分為:導體、絕緣體和半導體。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型

每一個硅（鍺）原子都與周圍四個原子構(gòu)成“共價鍵”，即每個外層電子均為兩個原子所共有，互相吸引，很牢固——鍵。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)外層電子稱為價電子。

3.1.2

半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)3.1.3本征半導體本征半導體——化學成分完全純凈的、晶格結(jié)構(gòu)完整的半導體?？昭ā矁r鍵中的空位。（看成一個帶正電荷的粒子，所帶電量與電子電量相同，但極性相反）空穴的移動——空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。由于共價鍵被打破而產(chǎn)生的空穴－電子對電子空穴對——由于共價鍵被打破而產(chǎn)生的電子空穴總是成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。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。本征半導體中摻入了雜質(zhì)后稱為雜質(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。1.N型半導體3.1.4雜質(zhì)半導體因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而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。五價雜質(zhì)原子釋放電子后帶正電荷而成為正離子，五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。2.P型半導體3.1.4雜質(zhì)半導體因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。鄰近的電子很容易落入受主的空穴，從而在半導體中產(chǎn)生可移動的空穴。在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。三價雜質(zhì)原子接受電子（即釋放空穴）后帶負電荷而成為負離子，三價雜質(zhì)原子也稱為受主雜質(zhì)。

3.雜質(zhì)對半導體導電性的影響

3.1.4雜質(zhì)半導體摻入雜質(zhì)對半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K（室溫）下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.5×1010/cm31本征硅的原子密度:4.96×1022/cm3

3

2硅中的摻雜濃度一般大于（見劉恩科，半物P85，圖4－15）

1×1014/cm3本征半導體、雜質(zhì)半導體

本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子、可移動空穴

N型半導體、P型半導體施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)3.2PN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?/p>

3.2.4

PN結(jié)的反向擊穿

3.2.5

PN結(jié)的電容效應

3.2.1

載流子的漂移與擴散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。3.2.2PN結(jié)的形成同一個半導體單晶片上的N型區(qū)和P型區(qū)的交界面處會出現(xiàn)如下物理過程:因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)建電場內(nèi)建電場使載流子發(fā)生漂移（方向與擴散相反）

最后,

擴散和漂移達到動態(tài)平衡，形成平衡的PN結(jié)。多子發(fā)生擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

在P型半導體和N型半導體結(jié)合面處，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)內(nèi)，由于載流子濃度相對于P區(qū)和N區(qū)內(nèi)的多子來說很少，所以空間電荷區(qū)也稱耗盡區(qū)。勢壘區(qū):

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽赑N結(jié)兩端施加電壓，P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時低電阻（耗盡區(qū)變薄，其中載流子濃度高）形成大的正向電流

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽赑N結(jié)兩端施加電壓，P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

(2)PN結(jié)加反向電壓時高電阻（耗盡區(qū)厚，其中載流子濃度低）形成很小的反向電流IR

PN結(jié)反向電流是由少子的反向擴散形成的。在一定的溫度下，由本征激發(fā)決定的少子濃度相對多子而言很少，而且濃度也不隨外加電壓變化，所以反向電流IR很小，并且隨反向電壓的增大，反向電流很快趨于恒定，這時的反向電流也稱為反向飽和電流IS

。

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導通，具有較大的正向電流；

PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止，具有很小的反向電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦缘年P(guān)鍵在于它的耗盡區(qū)的存在，且其寬度隨外加電壓而變化(如何變化？)。3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(3)PN結(jié)V-I特性表達式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）n

——發(fā)射系數(shù)，通常取為1VD——外加電壓

3.2.4PN結(jié)的反向擊穿當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(電擊穿)。

雪崩擊穿

齊納擊穿雪崩擊穿：由于碰撞電離使載流子產(chǎn)生倍增效應，使反向電流急劇增大。齊納擊穿：在(雜質(zhì)濃度特別大的)PN結(jié)上加有較高的反向電壓時，空間電荷區(qū)電場強度很大，它能夠破壞共價鍵，將束縛電子分離出來產(chǎn)生電子空穴對，使反向電流急劇增大。熱擊穿——不可逆(大的正向電流或反向擊穿電流均可引起熱擊穿)PN結(jié)發(fā)生電擊穿后，如果PN結(jié)的發(fā)熱超過它的耗散功率，使PN結(jié)熱量散不出去，而使其溫度上升，直至過熱而燒毀。3.2.5PN結(jié)的電容效應(1)擴散電容CD當PN結(jié)處于正向偏置時，結(jié)電容較大（主要決定于擴散電容）當PN結(jié)處于反向偏置時，結(jié)電容較小（主要決定于勢壘電容）

(2)勢壘電容CB3.3半導體二極管

3.3.1

半導體二極管的結(jié)構(gòu)

3.3.2

二極管的伏安特性

3.3.3

二極管的主要參數(shù)3.3.1半導體二極管的結(jié)構(gòu)

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、面接觸型兩大類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于高頻電路和數(shù)字電路,但不能承受高的反向偏壓和大的電流。示意圖見第四版P39(2)面接觸型二極管(b)面接觸型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鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性門坎電壓(死區(qū)電壓)Vth

:硅管0.5伏，鍺管0.1伏;導通壓降:硅管0.7伏，鍺管0.2伏。3.3.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(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)反向恢復時間TRR(5)極間電容Cd=CB+CD3.4二極管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3.4.1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。例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的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

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。

≥0就看作“正”偏（導通），<0才是反偏（截止）斷開二極管：（適應范圍）

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（2）恒壓降模型（適應范圍）（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（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（Vm<<VDD）,工作點將在和間移動,二極管特性曲線上和間的一段將反映隨變化的規(guī)律。將Q點附近小范圍內(nèi)的V-I特性看作直線（以Q點為切點的一條直線），就得到二極管在Q點附近的小信號模型。（因為線性化,所以可以應用疊加原理）3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號模型過Q點的切線的斜率就是小信號模型的等效電阻—微變電阻即根據(jù)得Q點處的微變電導則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且VD>>VT。（因為線性化,所以可以應用疊加原理）3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2．模型分析法應用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vo的波形2．模型分析法應用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）當VDD=10V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設當VDD=1V時，（自看）（a）簡單二極管電路（b）習慣畫法2．模型分析法應用舉例（3）限幅電路電路如圖，R=1kΩ，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=6sintV時，繪出相應的輸出電壓vO的波形。2．模型分析法應用舉例（4）開關(guān)電路（自己看)判斷二極管狀態(tài)的方法（5）低壓穩(wěn)壓電路（自己看)2．模型分析法應用舉例（6）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

=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。