第三章 半導(dǎo)體二極管及基本電路

第

3

章二極管及基本電路3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)3.3半導(dǎo)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

一.

半導(dǎo)體材料

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體的特點(diǎn):1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。2.半導(dǎo)體受外界光和熱的刺激時(shí)，其導(dǎo)電能力將會(huì)有顯著變化。

3.在純凈半導(dǎo)體中，加入微量的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力會(huì)急劇增強(qiáng)。3.1

半導(dǎo)體的基本知識(shí)二.半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型價(jià)電子通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)(c)晶體：原子排列規(guī)則、有規(guī)律的物質(zhì)1.本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體硅(鍺)的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)三.本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子2.本征激發(fā)載流子:

可以自移動(dòng)的帶電粒子

在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位(空穴)的過程?？昭ǖ某霈F(xiàn)使半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個(gè)重要特征。本征激發(fā)動(dòng)畫本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。3.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。ABC電子空穴移動(dòng)動(dòng)畫E本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。

結(jié)論：1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn)，且數(shù)量少；

2.半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；

3.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。四.

雜質(zhì)半導(dǎo)體1、P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導(dǎo)體中空穴是多子

電子是少子P型半導(dǎo)體形成動(dòng)畫2、N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為施主原子。+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中空穴是少子，電子是多子。Ｎ型半導(dǎo)體形成動(dòng)畫雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法：－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。

摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)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=1.4×1010/cm32比摻雜前載流子增加106，即一百萬倍。

3摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

3.雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm3

1本節(jié)小結(jié)

1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。

2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)，故其有一定的導(dǎo)電能力。

3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定；雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。

4、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，空穴是少子。

5、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度、光強(qiáng)、雜質(zhì)濃度和材料性質(zhì)有關(guān)。3.2PN結(jié)的形成及特性一.PN

結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場E漂移運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，ＰＮ結(jié)的形成動(dòng)畫1.載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散2.復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)特點(diǎn):無載流子，阻止擴(kuò)散進(jìn)行，利于少子的漂移。3.擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流等于漂移電流，

總電流

I=0。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮區(qū)N區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向PN結(jié)移動(dòng),中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流IF。IF=I多子I少子

I多子1.外加正向電壓(正偏)當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

PN結(jié)正偏,外電場削弱內(nèi)電場,PN結(jié)變窄,多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)大于少子漂移運(yùn)動(dòng),形成較大的正向電流,正向電阻很小,PN結(jié)導(dǎo)通2.外加反向電壓(反偏)P

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場外電場空間電荷區(qū)變寬。IR漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流IR，IR=I少子

0PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?/p>

正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大;反偏截止，電阻很大，電流近似為零。PN結(jié)反偏,外電場加強(qiáng)內(nèi)電場,PN結(jié)變寬,多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)削弱,少子漂移運(yùn)動(dòng)相對(duì)加強(qiáng),由濃度很小少子漂移運(yùn)動(dòng)形成很小的反向電流,反向電阻很大,PN結(jié)截止在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。三、PN結(jié)的伏安特性反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)常溫下T=300K(27C)：VT

=26mVOVD

/ViD

/mA正向特性反向特性加正向電壓時(shí)加反向電壓時(shí)表達(dá)式:四、PN結(jié)的反向擊穿特性O(shè)VD

/ViD

/mA反向擊穿VBR反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿:PN結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。:PN結(jié)燒毀。當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。反向擊穿原因：齊納擊穿：反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。

(擊穿電壓

<6V,負(fù)溫度系數(shù))雪崩擊穿：(擊穿電壓

>6V,正溫度系數(shù))反向電場使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。電擊穿只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中才能達(dá)到1.勢壘電容CB(PN結(jié)反偏)2.擴(kuò)散電容CD

(PN結(jié)正偏)PN結(jié)高頻等效電路：Cd=CB+CDrCd五、PN結(jié)的電容效應(yīng)勢壘電容示意圖

結(jié)論：1.低頻時(shí)，因容抗很大，對(duì)PN結(jié)影響很小。

高頻時(shí)，因容抗減小，使結(jié)電容分流，導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾睢?/p>

2.結(jié)面積小時(shí)結(jié)電容小，工作頻率高。勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入P區(qū)的電子在P區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。擴(kuò)散電容示意圖3.3半導(dǎo)體二極管一.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型PN結(jié)+引線+管殼=二極管(Diode)符號(hào)：ak陰極分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型陽極點(diǎn)接觸型二極管面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于大電流整流電路。

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。1、PN結(jié)的伏安特性方程反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量當(dāng)T=300(27C)：VT

=26mV二、二極管的伏安特性電子電量玻爾茲曼常數(shù)2、二極管的伏安特性O(shè)vD

/ViD/mA正向特性Vth門坎(死區(qū))電壓iD

=0Vth

=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)VVthiD急劇上升0V

Vth

VD(on)

=(0.60.8)V(導(dǎo)通電壓)硅管0.7V(0.10.3)V鍺管0.2V反向特性ISV(BR)反向擊穿V(BR)

V0iD=IS<

0.1A(硅)

;幾十A

(鍺)V<

V(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)1).正向特性2).反向特性硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.0203).反向擊穿特性：當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值(VBR)時(shí)，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

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆三.二極管的主要參數(shù)2.

VBR—反向擊穿電壓4.

IR

—

反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?iDVDV(BR)IFO1.

IF—

最大整流電流(最大正向平均電流)5.

極間電容:勢壘電容CB

擴(kuò)散電容CDCd=CB+CD6.

fM

—

最高工作頻率(超過時(shí)單向?qū)щ娦宰儾?3.

VRM—

最高反向工作電壓，為V(BR)/2

3.4

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(duì)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。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(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法一、二極管伏安特性建模1、理想模型vDiD代表符號(hào):+-正偏導(dǎo)通，vD=0；反偏截止，iD=0R=由圖可見，在正向偏置時(shí)，其管壓降為0V，而當(dāng)二極管處于反向偏置時(shí)，認(rèn)為它的電阻為無窮大，電流為零。

在實(shí)際的電路中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時(shí)，利用此法來近似分析是可行的.2、恒壓降模型vDiD代表符號(hào):vD

≈0.7V(Si)0.2V(Ge)+-當(dāng)二極管導(dǎo)通后，其管壓降認(rèn)為是恒定的，且不隨電流而變，只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或大于1mA時(shí)與結(jié)果接近。+-VthrD3、折線模型vDiD代表符號(hào):門坎電壓Vth

≈0.5V(Si)0.1V(Ge)為了較真實(shí)地描述二極管V-I特性，認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的，而是隨著通過二極管電流的增加而增加，所以在模型中用一個(gè)電池和一個(gè)電阻rD來作進(jìn)一步的近似。電池的電壓選定為二極管的門坎電壓Vth:rD的值，當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為1mA時(shí)，管壓降為0.7V，于是rD的值可計(jì)算如下：vs

=0時(shí),Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。vs

=Vmsint

時(shí)（Vm<<VDD）,將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，得到小信號(hào)模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線。4、小信號(hào)模型vDiDQ代表符號(hào):+-求微變電阻rD:二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。常溫下（T=300K）:據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)1.整流電路（a）電路圖（b）vs和vo的波形二、模型分析法應(yīng)用舉例2、二極管電路靜態(tài)工作分析例:硅二極管，R=10k，分別用二極管理想模型、恒壓降模型和折線模型求出（1）VDD=10V、（2）

VDD=10V時(shí)ID和VD的值。DiDVDDvD+-RRVDDDiD+-vD理想模型:恒壓模型:折線模型:(1)VDD=10V(2)VDD=1V理想模型:恒壓模型:折線模型:VDD大，采用理想或恒壓降

模型VDD小，采用折線模型DiDVDDvD+-R3.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(dāng)vI=6sintV時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。例

一二極管開關(guān)電路如下圖所示。用理想模型分析當(dāng)vI1和vI2為0V或5V時(shí)，求vI1和vI2的值不同組合情況下，輸出電壓vO的值。5V4.開關(guān)電路D1D24.7KΩVcc5VvI1vI2+-+-vI1vI24.7KΩD1D2Vcc5VvI1vI2二極管工作情況vOD1D20V0V0V5V5V0V5V5V導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止0V0V0V5V例：電路如圖所示，求AO的電壓值解：先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點(diǎn)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(shí)正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。5.低電壓穩(wěn)壓電源DiDVIvD+-RiDvD+-RVI+-ΔVIiD=ID+ΔiDvD=VD+ΔvDΔiDR+-ΔvOrd+-ΔvI例:在圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電源電壓VI的正常值為10V，R=10KΩ,若VI

變化±1V時(shí)，問相應(yīng)的硅二極管電壓（輸出電壓）的變化如何？解：①當(dāng)

VI的正常值為10V，利用恒壓降模型，VD≈0.7V?？傻肣點(diǎn)上的電流為:②在此Q點(diǎn)上，二極管的微變電阻為③VI有±1V的波動(dòng)，可視為一峰-峰值為2V的交流信號(hào)作用于由R和rD組成的分壓器上二極管電壓vd的變化范圍為±2.9mV。小信號(hào)等效電路VI波動(dòng)后的電路6.小信號(hào)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。直流通路、交流通路、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。3.5特殊二極管一、齊納二極管(穩(wěn)壓管)符號(hào)+-工作條件：反向擊穿Vz—反向擊穿電壓

(穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓)穩(wěn)壓作用:電流增量IZ很大只引起很小的電壓VZ變化主要參數(shù)3)

最大工作電流IZM

(Imax)

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4)動(dòng)態(tài)電阻rZrZ

=UZ/IZ越小穩(wěn)壓效果越好。幾幾十1)

穩(wěn)定電壓VZ

流過規(guī)定電流時(shí)穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2)穩(wěn)定電流IZ

小于Imin

時(shí)不穩(wěn)壓,

大于Imax時(shí)燒毀。5.)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)CT一般，VZ<4V，CTV<0(為齊納擊穿)具有負(fù)溫度系數(shù)；VZ>7V，CTV>0(為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4V<VZ<7V，CTV很小。并聯(lián)式穩(wěn)壓電路VIVORRLILIRIZ(Io)穩(wěn)壓原理:穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例例:穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):VoiZDZRViRL(1)若,試求Vi允許的變化范圍