第三章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路

第三章半導(dǎo)體二極管及其基本電路第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四2.1半導(dǎo)體的基本知識

2.1.1半導(dǎo)體材料

2.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

2.1.3本征半導(dǎo)體

2.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

2.1.1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。半導(dǎo)體的特點(diǎn)：1）導(dǎo)電能力不同于導(dǎo)體、絕緣體；2）受外界光和熱刺激時電導(dǎo)率發(fā)生很大變化——光敏元件、熱敏元件；3）摻進(jìn)微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力顯著增加——半導(dǎo)體。第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

2.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅晶體的空間排列第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。

原子按一定規(guī)律整齊排列，形成晶體點(diǎn)陣后，結(jié)構(gòu)圖為：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

2.1.2半導(dǎo)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)第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

2.1.3本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)?？昭ā矁r鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對?？昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\(yùn)動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次填充空穴來實現(xiàn)的。第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四電子空穴對

當(dāng)T=0K和無外界激發(fā)時，導(dǎo)體中沒有載流子，不導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子——本征激發(fā)。

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，這個空位為空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子

因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。本征激發(fā)動畫1-1空穴返回第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4（電子型半導(dǎo)體）在本征半導(dǎo)體中摻入五價的元素(磷、砷、銻)多余電子，成為自由電子+5自由電子

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)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(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。返回+5

2.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)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(dǎo)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。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）在本征半導(dǎo)體中摻入三價的元素（硼）+3空穴空穴返回第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

2.P型半導(dǎo)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。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

摻入雜質(zhì)對本征半導(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/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2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)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體

本節(jié)中的有關(guān)概念end自由電子、空穴N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子、少數(shù)載流子施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四2.2PN結(jié)的形成及特性

2.2.1

PN結(jié)的形成

2.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

2.2.3

PN結(jié)的反向擊穿

2.2.4

PN結(jié)的電容效應(yīng)第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四+三價的元素產(chǎn)生多余空穴+五價的元素產(chǎn)生多余電子

2.2.1PN結(jié)的形成圖2.2.1PN結(jié)的形成第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四漂移運(yùn)動：由電場作用引起的載流子的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動：由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，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)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(1)PN結(jié)加正向電壓擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。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。

動畫外加的正向電壓，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

外加反向電壓,方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。

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)，這個電流也稱為反向飽和電流。

動畫（2）PN結(jié)加反向電壓第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴５诙?，共六十頁，編輯?023年，星期四2.3半導(dǎo)體二極管

2.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

2.3.2二極管的伏安特性

2.3.3二極管的參數(shù)第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管

二極管：一個PN結(jié)就是一個二極管。單向?qū)щ姡憾O管正極接電源正極，負(fù)極接電源負(fù)極時電流可以通過。反之電流不能通過。符號：第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

2.3.1半導(dǎo)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(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四(3)平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。PN結(jié)面積可大可小，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(c)平面型(4)二極管的代表符號第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線

式中IS為反向飽和電流，VD

為二極管兩端的電壓降，VT=kT/q稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q為電子電荷量，T為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當(dāng)T=300K），則有VT=26mV。

第一象限的是正向伏安特性曲線，第三象限的是反向伏安特性曲線。第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四(1)正向特性

硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5~0.8V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.2~0.3V左右。

當(dāng)0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱死區(qū)電壓或開啟電壓。正向區(qū)分為兩段：

當(dāng)V＞Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四反向區(qū)也分兩個區(qū)域：

當(dāng)VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS。

當(dāng)V≥VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。(2)反向特性第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。

若|VBR|≥7V時,主要是雪崩擊穿；若|VBR|≤4V時,則主要是齊納擊穿。(3)反向擊穿特性熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四半導(dǎo)體二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR(3)反向電流IR(4)正向壓降VF在室溫，規(guī)定的反向電壓下，最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。硅二極管約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。二極管連續(xù)工作時，允許流過的最大整流電流的平均值。二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四PN結(jié)的電容效應(yīng)

(1)勢壘電容CB第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四PN結(jié)的電容效應(yīng)(2)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖{end}當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置時，擴(kuò)散運(yùn)動使多數(shù)載流子穿過PN結(jié)，在對方區(qū)域PN結(jié)附近有高于正常情況時的電荷累積。存儲電荷量的大小，取決于PN結(jié)上所加正向電壓值的大小。離結(jié)越遠(yuǎn)，由于空穴與電子的復(fù)合，濃度將隨之減小。若外加正向電壓有一增量V，則相應(yīng)的空穴（電子）擴(kuò)散運(yùn)動在結(jié)的附近產(chǎn)生一電荷增量Q，二者之比Q/V為擴(kuò)散電容CD。第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四2.4

二極管基本電路及其分析方法

2.4.1二極管V-I特性的建模

2.4.2應(yīng)用舉例第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四二極管基本電路分析二極管模型正向偏置時：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時：電流為0，電阻為∞。當(dāng)iD≥1mA時，vD=0.7V。1.理想模型2.恒壓降模型第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四3.折線模型（實際模型）4.小信號模型第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四二極管電路分析1.靜態(tài)分析例1：求VDD=10V時，二極管的電流ID、電壓VD值。解：1.理想模型正向偏置時：管壓降為0，電阻也為0。反向偏置時：電流為0，電阻為∞。2.恒壓降模型3.實際模型當(dāng)iD≥1mA時，vD=0.7V。第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四2.限幅電路VRVmvit0Vi>VR時，二極管導(dǎo)通，vo=vi。Vi<VR時，二極管截止，vo=VR。例2：理想二極管電路中

vi=VmsinωtV，求輸出波形v0。解：第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四3.開關(guān)電路利用二極管的單向?qū)щ娦钥勺鳛殡娮娱_關(guān)vI1vI2二極管工作狀態(tài)D1D2v00V0V導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通截止截止0V5V5V0V5V5V0V0V0V5V例3：求vI1和vI2不同值組合時的v0值（二極管為理想模型）。解：第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四例4：判別二極管是導(dǎo)通還是截止。+9V-+1V-+2.5V-+12.5V-+14V-+1V-截止-9V+-1V++2.5V-+12.5V-+14V-+1V-截止解：第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四+18V-+2V-+2.5V-+12.5V-+14V-+1V-導(dǎo)通第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四

正半周：D1、D3導(dǎo)通D2、D4截止

負(fù)半周D2、D4導(dǎo)通D1、D3截止例5：求整流電路的輸出波形。解：第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四例6：實際模型求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V時，輸出v0的值。(2).Vi=6sinωtV時，輸出v0的波形。解：(1).

vI=4V時，D導(dǎo)通。vI=0V時，D截止。v0=vI

vI=6V時，D導(dǎo)通。(2).Vi=6sinωtV（理想模型）

3Vvit06V

折線模型第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四例7：理想二極管電路中vi=VmsinωtV，求輸出波形v0。V1vit0VmV2Vi>V1時，D1導(dǎo)通、D2截止，Vo=V1。Vi<V2時，D2導(dǎo)通、D1截止，Vo=V2。V2<Vi<V1時，D1、D2均截止，Vo=Vi。第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四例8：畫出理想二極管電路的傳輸特性（Vo~VI）。解：①VI<25V，D1、D2均截止。②VI>25V

，D1導(dǎo)通，D2截止。③VI>137.5V，D1、D2均導(dǎo)通。VO=25VVO=100VVI25V75V100V25V50V100V125VVO50V75V150V0137.5第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四例9：畫出理想二極管電路的傳輸特性（Vo~VI）。當(dāng)VI<0時D1導(dǎo)通D2截止當(dāng)VI>0時D1截止D2導(dǎo)通0VIVO-5V+5V+5V-5V+2.5V-2.5V第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四已知二極管D的正向?qū)ü軌航礦D=0.6V，C為隔直電容，vi(t)為小信號交流信號源。試求二極管的靜態(tài)工作電流IDQ，以及二極管的直流導(dǎo)通電阻R直。求在室溫300K時，D的小信號交流等效電阻r交。CR1KE1.5V+VD－+vi(t)－解：例10：第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四例11：

二極管限幅電路:已知電路的輸入波形為vi,二極管的VD

為0.6伏，試畫出其輸出波形。解：Vi>3.6V時，二極管導(dǎo)通，vo=3.6V。Vi<3.6V時，二極管截止，vo=Vi。第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四2.5特殊體二極管

2.5.1穩(wěn)壓二極管

2.5.2變?nèi)荻O管

2.5.3光電子器件1.光電二極管2.發(fā)光二極管3.激光二極管第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四特殊二極管穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣。

穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻起限流作用，保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。第五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四(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，

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

(3)

最大耗散功率

PZM

最大功率損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時PN結(jié)的功率損耗為

PZ=VZIZ，由

PZM和VZ可以決定IZmax。

(4)

最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin對應(yīng)VZmin。若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。(1)穩(wěn)定電壓VZ第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期四3.穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時VO=VZ(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ。溫度的變化將使VZ改變，在穩(wěn)壓管中當(dāng)VZ

＞7V時，VZ具有正溫度系數(shù)