晶體二極管工作原理及應(yīng)用電氣

晶體二極管工作原理及應(yīng)用電氣第1頁/共58頁2模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)電子器件及基本應(yīng)用第一章晶體二極管工作原理及應(yīng)用第二章晶體三極管及基本放大器第三章場效應(yīng)管及其應(yīng)用基本功能電路第四章負反饋放大器第五章振蕩電路第六章電流源電路第七章差分放大電路第八章功率放大電路模擬集成電路第九章運算放大器第十章集成穩(wěn)壓電路第十一章在系統(tǒng)可編程模擬器件教材知識體系第2頁/共58頁3

本課程是屬于技術(shù)基礎(chǔ)性質(zhì)的課程，它與《大學(xué)物理》、《電路》等基礎(chǔ)理論課程相比，更接近工程實際。課程的特點和學(xué)習(xí)方法

第3頁/共58頁4

課程安排：

共計3學(xué)分，其中：理論課占2.5學(xué)分實驗課占0.5學(xué)分考核方法：

閉卷考試

總評成績=平時成績20%+實驗成績10%+考試成績70%課程安排和考核方法

第4頁/共58頁5第一章 晶體二極管工作原理及應(yīng)用1.1引言1.2半導(dǎo)體物理知識1.3PN結(jié)1.4實際二極管的伏安特性1.5二極管的模型、參數(shù)、分析方法及基本應(yīng)用1.6其它類型的二極管第5頁/共58頁61.1引言P

N正極負極PN結(jié)外殼正極負極（a）二極管結(jié)構(gòu)示意圖（b）二極管的電路符號第6頁/共58頁71.2半導(dǎo)體物理知識1.2.1概述1.2.2

本征半導(dǎo)體1.2.3

雜質(zhì)半導(dǎo)體1.2.4載流子的運動第7頁/共58頁81.2.1概述導(dǎo)體：電阻率小于10-3Ω.cm，很容易導(dǎo)電，稱為導(dǎo)體.如銅、鋁、銀等金屬材料；絕緣體：電阻率大于109Ω.cm，很難導(dǎo)電，稱為絕緣體，如塑料、橡膠、陶瓷等材料；半導(dǎo)體：電阻率在10-3~109Ω.cm，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，例如硅(Si)和鍺(Ge)等半導(dǎo)體材料；第8頁/共58頁9半導(dǎo)體材料制作電子器件的原因?不是因為它的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是在于半導(dǎo)體材料具有熱敏性、光敏性和摻雜性。第9頁/共58頁10半導(dǎo)體材料制作電子器件的原因?1、熱敏性：是半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨著溫度的升高而迅速增加，例如純凈鍺從20℃升高到30℃時，電阻率下降為原來的1/2；2、光敏性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照的變化有顯著改變的特性；例如硫化鎘薄膜在暗處：電阻為幾十MΩ。光照：電阻下降為幾十KΩ3、摻雜性：是半導(dǎo)體導(dǎo)電能力因摻入適量的雜質(zhì)而發(fā)生很大的變化，例如在半導(dǎo)體硅中，只要摻入億分之一的硼雜質(zhì)，電阻率下降到原來的幾萬分之一，利用這一特性，可以制造出不同性能不同用途的半導(dǎo)體器件。第10頁/共58頁11+4+14284+3228184硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)硅鍺硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型SiGe第11頁/共58頁121.2.2本征半導(dǎo)體1、本征半導(dǎo)體：純凈的半導(dǎo)體單晶。原子按一定的規(guī)則整齊排列、結(jié)構(gòu)完整。硅(鍺)的晶體結(jié)構(gòu)第12頁/共58頁13+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵1.2.2本征半導(dǎo)體A．硅原子電子數(shù)為14，最外層電子為四個，是四價元素B、硅原子結(jié)合方式是共價鍵結(jié)合：(i)每個價電子都要受到相鄰兩個原子核的束縛;(ii)半導(dǎo)體的價電子既不象導(dǎo)體的價電子那樣容易掙脫成為自由電子，也不象絕緣體中被束縛，所以其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)—共價鍵結(jié)合，以硅原子（T=0K）為例。第13頁/共58頁14+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵2、本征激發(fā)和兩種載流子空穴自由電子空穴A、本征激發(fā)—

電子、空穴對的產(chǎn)生B、價電子填充空穴的運動C、空穴是可以移動的，其實是共價鍵的電子依次填補空穴，形成空穴的移動第14頁/共58頁153、復(fù)合(1)復(fù)合：自由電子跳進空穴，并釋放出能量的現(xiàn)象。(2)當(dāng)溫度一定時，激發(fā)和復(fù)合達到動態(tài)平衡，空穴濃度和自由電子濃度相等，而且是一個定值。(3)本征載流子濃度：本征半導(dǎo)體單位體積內(nèi)的載流子數(shù)量。電子空穴對成對消失---本征激發(fā)現(xiàn)象的逆過程本征半導(dǎo)體中電子的濃度本征半導(dǎo)體中空穴的濃度與半導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)，Si：Ge：0K時半導(dǎo)體材料的帶隙能量。Si：1.207eVGe：0.785eV玻耳茲曼常數(shù)，k=8.63eV/K第15頁/共58頁16例1.1.1計算在室溫270C（300K）時硅和鍺的本征載流子濃度。解：Si：

Ge：結(jié)論：相同溫度下。Ge的導(dǎo)電能力比Si強。第16頁/共58頁17本征激發(fā)小結(jié)本征半導(dǎo)體中的電子和空穴是成對產(chǎn)生的，因此本征半導(dǎo)體還是電中性的。自由電子在晶格中運動；空穴在共價鍵內(nèi)運動。溫度一定時激發(fā)和復(fù)合達到動態(tài)平衡，即溫度一定時半導(dǎo)體材料中的載流子濃度是一定的。溫度升高時半導(dǎo)體材料中的載流子濃度就增大，導(dǎo)電能力增強。因此本征半導(dǎo)體可以制成熱敏元件或光敏元件。第17頁/共58頁181.2.3雜質(zhì)半導(dǎo)體在室溫270C時，Si的本征載流子濃度為1.5×1010cm-3,原子密度為2.4×1022cm-3。只有三萬億分一的原子由于本征激發(fā)產(chǎn)生了電子-空穴對。結(jié)論：本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力很弱！為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，并且人為控制半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性，可以采用摻雜技術(shù)。摻雜：將半導(dǎo)體材料中摻入一定量的雜質(zhì)元素，這樣的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體可可分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體摻雜要求：1.雜質(zhì)元素的濃度要遠大于本征載流子濃度；

2.雜質(zhì)元素的濃度又要遠小于材料的原子密度。

第18頁/共58頁19+4+4+4+5+4+4磷原子空穴是少子電子是多子硅原子多數(shù)載流子電子少數(shù)載流子空穴N型半導(dǎo)體簡化模型1、N型半導(dǎo)體（N-typeSemiconductor）A、在四價的本征硅中摻入微量的五價元素（如磷、砷）。B、磷原子失去一個電子自身成不能移動的帶正電荷的離子，稱為施主雜質(zhì)。摻入一個磷原子就提供一個自由電子。C、N型半導(dǎo)體中,電子是多子,空穴是少子D、整塊的半導(dǎo)體仍為中性多子（自由電子）濃度≈施主雜質(zhì)摻雜濃度根據(jù)半導(dǎo)體物理中的熱平衡條件：少子（空穴）濃度：第19頁/共58頁20A、在四價的本征硅中摻入微量的3價硼B(yǎng)、硼原子在共價鍵留下一個空位，相鄰硅原子中的價電子容易移過來填補個空位。硼原子接受一個電子，成為帶負電的離子，稱受主雜質(zhì)；在相鄰硅共價鍵中產(chǎn)生一個帶正電的空穴C、P型半導(dǎo)體中：空穴是多子；電子是少子D、整塊的半導(dǎo)體仍為中性+4+4+4+3+4+42、P型半導(dǎo)體（P-typeSemiconductor）硅原子硼原子空穴是多子電子是少子多子（空穴）濃度≈受主雜質(zhì)摻雜濃度根據(jù)半導(dǎo)體物理中的熱平衡條件：少子（自由電子）濃度：P型半導(dǎo)體簡化模型多數(shù)載流子少數(shù)載流子第20頁/共58頁21雜質(zhì)半導(dǎo)體小結(jié)雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩類：一類是N型半導(dǎo)體，另一類是P型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體摻雜濃度要遠大于對應(yīng)的本征載流子濃度，又要遠小于半導(dǎo)體的原子密度。本征半導(dǎo)體中摻入5價元素（施主雜質(zhì)）就形成N形半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體的多子是電子，少子是空穴；當(dāng)本征半導(dǎo)體中摻入3價元素（受主雜質(zhì)）就形成P型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體的多子是空穴，少子是電子。第21頁/共58頁22雜質(zhì)半導(dǎo)體小結(jié)在一定的溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子濃度近似等于摻雜濃度，幾乎和溫度無關(guān)；少子濃度是對應(yīng)溫度下的本征載流子濃度的平方除以摻雜濃度，并隨溫度的升高而增加。當(dāng)溫度過高時，本征載流子濃度可能會高于摻雜濃度，此時的半導(dǎo)體具有本征半導(dǎo)體的特性了。第22頁/共58頁23半導(dǎo)體中的電子和空穴有兩種運動形式。

1、載流子的漂移運動：載流子在外加電場的作用下而產(chǎn)生的運動。

2、載流子的擴散運動：由于濃度差而引起的載流子的運動。1.2.4載流子的運動第23頁/共58頁24I

IPIN空穴電流電子電流外電路電流本征半導(dǎo)體中載流子的飄移運動示意圖

半導(dǎo)體中兩種載流子：帶正電荷的空穴帶負電荷的自由電子外電場它們在外電場的作用下，會出現(xiàn)定向運動本征半導(dǎo)體1、載流子的漂移運動第24頁/共58頁252、載流子的擴散運動N注入空穴擴散電流第25頁/共58頁26漂移運動和擴散運動小結(jié)載流子有兩種運動：漂移運動和擴散運動。在電場的作用下，載流子的運動為漂移運動，載流子的漂移運動產(chǎn)生漂移電流。在濃度差的作用下，載流子的運動稱為擴散運動，載流子的擴散運動產(chǎn)生擴散電流。第26頁/共58頁271.3PN結(jié)1.3.1概述1.3.2熱平衡情況下的PN結(jié)1.3.3PN結(jié)的伏安特性1.3.4PN結(jié)的電容特性第27頁/共58頁281.3.2

熱平衡情況下的PN結(jié)P型區(qū)N型區(qū)內(nèi)建電場

PN結(jié)(2)隨著內(nèi)電場由弱到強的建立,少子漂移從無到有,逐漸加強,而擴散運動逐漸減弱,

形成平衡的PN結(jié)。(1)多子的擴散運動產(chǎn)生空間電荷區(qū)建立內(nèi)電場1、PN結(jié)(PNJunction)的形成多子的擴散多子的擴散動畫演示第28頁/共58頁291.3.2熱平衡情況下的PN結(jié)2、內(nèi)建電位差或內(nèi)建電壓：熱平衡情況下，PN結(jié)的寬度一定，在PN結(jié)兩端存在的電壓。P型區(qū)內(nèi)建電場

PN結(jié)溫度的電壓當(dāng)量。室溫下VT=26mV第29頁/共58頁301.3.3PN結(jié)的伏安特性伏安特性：PN結(jié)的電流和加在它兩端的電壓的關(guān)系。1.PN結(jié)的正向特性(forwardbias外加正向電壓)2.PN結(jié)的反向特性(reversebias外加反向電壓)第30頁/共58頁311、PN結(jié)的正向特性

P

N內(nèi)電場外電場正向電流IFIF=I多子I少子

I多子A、正向偏壓的接法：P區(qū)接高電位，N區(qū)接低電位B、正向偏壓削弱內(nèi)電場，有利多子的擴散運動，使PN結(jié)空間電荷區(qū)變窄；C、正向偏壓時，PN結(jié)為導(dǎo)通狀態(tài)，外電路電流IF很大，PN結(jié)呈現(xiàn)的正向電阻很小限流電阻RUI多子PN結(jié)為導(dǎo)通狀態(tài)動畫演示第31頁/共58頁32D、反向偏壓PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)，外電路電流接近為O，PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很大

P

N內(nèi)電場IR=I少子

0反向電流IRA、反向偏壓的接法：P區(qū)接低電位，N區(qū)接高電位B、反向偏壓內(nèi)電場增強，不利多子擴散運動，有利于少子的漂移運動，形成反向電流IR，IR很小，硅管為納安數(shù)量級，鍺管為微安數(shù)量級。限流電阻R外電場UI少子PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)2、PN結(jié)的反向特性C、反向偏壓，使PN結(jié)空間電荷區(qū)變寬。D、反向偏壓PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)，外電路電流接近為O，PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很大第32頁/共58頁333、PN結(jié)的伏安特性表達式PN結(jié)的反向飽和電流(1)當(dāng)所加正向電壓V遠大于VT（>0.1V）時，(2)當(dāng)所加正向電壓V遠小于VT（<-0.1V）時，第33頁/共58頁34IS擊穿電壓UBRPN結(jié)的伏安特性硅PN結(jié)4、PN結(jié)的擊穿硅PN結(jié)鍺PN結(jié)死區(qū)電壓IF/mA正向電流104030200.20.60.41.00.8UF/VUR/VIR/A反向電流反向電壓正向電壓A、正向特性—加正向偏壓UFA、UF較小時，IF較小

B、UF大于死區(qū)電壓時，IF迅速增加，并按指數(shù)規(guī)律上升。如圖中A段所示

C、當(dāng)正向電流變化很大時，PN結(jié)兩端電壓幾乎不變，硅PN結(jié)約0.6~0.7V，鍺PN結(jié)約0.2~0.3V，分別作為正向工作時兩端直流壓降的估算值。B、反向特性——加反向偏壓URA、反向電流IR是少子漂移運動引起，所以數(shù)量小，幾乎不變，又稱為反向飽和電流IS。

B、當(dāng)溫度升高，IS增加

C、硅PN結(jié)IS小于1uA，鍺PN結(jié)為幾十到幾百uA。C、擊穿特性——

當(dāng)UR繼續(xù)增大，并超過某一個特定電壓值時，IR將急劇增大，這種現(xiàn)象稱為擊穿，這時對應(yīng)的電壓叫擊穿電壓UBR。鍺PN結(jié)第34頁/共58頁351、反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿2、反向擊穿原因：

齊納擊穿：(Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。

(擊穿電壓

<6V，負溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增?！狿N結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)?！狿N結(jié)燒毀。(擊穿電壓

>6V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在

6V左右時，溫度系數(shù)趨近零。第1章半導(dǎo)體二極管4、PN結(jié)的擊穿第35頁/共58頁36IF/mA0.20.60.40.8UF/VT

升高時，Uth以(22.5)mV/C

下降,輸入曲線左移當(dāng)溫度升高10C時，Is增加一倍IR/AUth半導(dǎo)體具有熱敏性，溫度變化,使二極管參數(shù)發(fā)生變化，使二極管工作不穩(wěn)定。IF/A5、PN結(jié)的溫度特性第36頁/共58頁371.3.4PN結(jié)的電容特性若PN結(jié)兩端加上隨時間變化的電壓時，PN結(jié)還會顯示出電容特性，PN結(jié)電容有兩種類型：一種稱為勢壘電容，用CB表示；另一種稱為擴散電容，用CD表示。第37頁/共58頁38PN結(jié)小結(jié)當(dāng)溫度一定時，PN結(jié)處于動態(tài)平衡，多子的擴散等于少子的漂移數(shù)量，因此空間電荷區(qū)寬度一定，內(nèi)建電位差為一個定值，當(dāng)溫度升高時，VB下降。PN結(jié)的伏安特性是非線性的，它的表達式為：

PN結(jié)加正向電壓時，IF和V近似成指數(shù)關(guān)系

PN結(jié)加反向電壓時，反向電流和反向電壓無關(guān)。當(dāng)PN上的反響電壓大于VBR時，PN結(jié)擊穿。PN結(jié)的擊穿特性可以用來穩(wěn)壓。第38頁/共58頁39PN結(jié)小結(jié)當(dāng)溫度升高時，PN結(jié)伏安特性曲線的正向特性向左移；反向飽和電流IS增大；擊穿電壓VBR可能是負溫度系數(shù)（對應(yīng)齊納擊穿），也可能是正溫度系數(shù)（對應(yīng)雪崩擊穿）。PN電容Cj=CB+CD，當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時，以擴散電容CD為主，即Cj≈CD；當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時，以勢壘電容CB為主，即Cj=CB。

第39頁/共58頁401.4

實際二極管的伏安特性IF/mA正向電流104030200.20.60.41.00.8UF/VUR/VIR/A反向電流反向電壓正向電壓IS擊穿電壓UBR第40頁/共58頁411.5

二極管的模型、參數(shù)、分析方法及基本應(yīng)用1.5.1概述1.5.2二極管的開關(guān)模型及應(yīng)用1.5.3二極管的恒壓模型及應(yīng)用1.5.4二極管的小信號模型1.5.5二極管電路的分析方法1.5.6二極管的主要參數(shù)第41頁/共58頁421.5.1緒論ivQ1Q2V1I1V2I2直流電阻：交流電阻：第42頁/共58頁431、UD≥0時，二極管正向?qū)?，管壓降?，即UF=0，視二極管為短路；2、UD＜0時，二極管反向截止，電流為0，即IF=0，視二極管為開路。UFIF二極管的開關(guān)模型1.5.2二極管的開關(guān)模型及應(yīng)用導(dǎo)通截止第43頁/共58頁441、UD≥0.7V時，二極管正向?qū)?，管壓降?.7V，即UF=0.7V，視二極管為短路；2、UD＜0.7時，二極管反向截止，電流為0，即IF=0，視二極管為開路。UFIF二極管的恒壓模型1.5.2二極管的恒壓模型及應(yīng)用導(dǎo)通截止第44頁/共58頁45

二極管電路分析舉例

定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止

若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當(dāng)于斷開。第45頁/共58頁46電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。

在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–第46頁/共58頁47兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB

在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–第47頁/共58頁48ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––第48頁/共58頁491、整流應(yīng)用利用二極管單向?qū)щ娦园汛笮『头较蚨甲兓恼医涣麟娮優(yōu)閱蜗蛎}動的直流電。2、限幅應(yīng)用利用二極管單向?qū)裕瑢⑤敵鲭妷合薅ㄔ谝蟮姆秶畠?nèi)，稱為限幅。二極管的應(yīng)用第49頁/共58頁50UiUott截止導(dǎo)通UiUoVDRL(a)二極管整流電路;(b)輸入與輸出波形1、整流應(yīng)用第50頁/共58頁51導(dǎo)通截止