1、 第第1章章 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路 1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 1.2 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性 1.3 二極管二極管 1.4 特殊二極管特殊二極管 概念：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。概念：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用的主要材料是硅大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用的主要材料是硅(Si)和鍺和鍺(Ge)。1.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體半導(dǎo)體1428 4Si3228 18 4Ge+4+4簡化模型簡化模型+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1.1 本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電特性本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電特性概念：純凈的、具

2、有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。概念：純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。價價電電子子共共價價鍵鍵當(dāng)溫度當(dāng)溫度 T = 0 K 時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。+4+4+4+4+4+4+4+4+4若若 T ， 將有少數(shù)價電子克將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為服共價鍵的束縛成為自由電子自由電子， 在原來的共價鍵中在原來的共價鍵中留下一個空位，成為留下一個空位，成為空穴空穴?？昭煽闯蓭д姷目昭煽闯蓭д姷妮d流子。載流子。自由電子自由電子空穴空穴載流子：運(yùn)載電荷的粒子。載流子：運(yùn)載電荷的粒子。自由電子（帶負(fù)電）自由電子（帶負(fù)電）空穴（帶正電）空穴（帶正電）復(fù)合復(fù)合（1）本征半導(dǎo)體中

3、，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，）本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為稱為 電子電子 - 空穴對。空穴對。（2）由于物質(zhì)的運(yùn)動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)）由于物質(zhì)的運(yùn)動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動會在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動會達(dá)到平衡，載流子的濃度就一定了。達(dá)到平衡，載流子的濃度就一定了。（3）載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的）載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。 常溫下，本征半導(dǎo)體常溫下，本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力差導(dǎo)電能力差。本征半導(dǎo)體相關(guān)結(jié)論：本征半導(dǎo)體相關(guān)結(jié)論：自

4、由電子自由電子和和空穴空穴的濃度相等的濃度相等 。雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體1.1.2 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 (電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體)在硅或鍺的晶體中摻入少量的在硅或鍺的晶體中摻入少量的 + 5 價價雜質(zhì)元素，雜質(zhì)元素，如如磷、銻、砷磷、銻、砷等。等。 雜質(zhì)原子最外層雜質(zhì)原子最外層5個價電子。個價電子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子自由電子施主原子施主原子N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 多余一個電子只多余一個電子只受自身原子核吸引，受自身原子核吸引，在室溫下即可成為在室溫下即可成為自自由電子由電子。 自由電子濃度遠(yuǎn)自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即

5、大于空穴的濃度，即 n p 。自由電子稱為多數(shù)載自由電子稱為多數(shù)載流子流子(簡稱簡稱多子多子)，空，空穴稱為少數(shù)載流子穴稱為少數(shù)載流子(簡稱簡稱少子少子)。半導(dǎo)體主要靠半導(dǎo)體主要靠自由電子自由電子導(dǎo)電。導(dǎo)電。+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體在硅或鍺的晶體中摻入少量的中摻入少量的 3 價價雜質(zhì)元素，如雜質(zhì)元素，如硼、鎵、硼、鎵、銦銦等。等。+3 空穴濃度大于空穴濃度大于自由電子濃度，即自由電子濃度，即 p n。空穴為多子，空穴為多子，自由電子為少子。自由電子為少子。P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體1.1.3 P P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 (空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體)半導(dǎo)體主要靠半導(dǎo)體主要靠空穴

6、空穴導(dǎo)電。導(dǎo)電。空穴空穴受主原子受主原子1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決摻入雜質(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。定少數(shù)載流子的濃度。 3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法：雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法：2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。( (a) )N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體( (b) ) P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體練習(xí)：練習(xí)： 在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為 P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為另一側(cè)摻雜成為 N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，兩個區(qū)域的交界處就形

7、，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為成了一個特殊的薄層，稱為 PN 結(jié)結(jié)。PNPN結(jié)結(jié)1.2 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性1.2.1 PN PN 結(jié)的形成結(jié)的形成耗盡層耗盡層空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN多子擴(kuò)散運(yùn)動多子擴(kuò)散運(yùn)動PN復(fù)合消失復(fù)合消失空間電荷區(qū)（耗盡層）空間電荷區(qū)（耗盡層）內(nèi)電場內(nèi)電場內(nèi)電場內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散阻止多子擴(kuò)散有利少子漂移有利少子漂移動態(tài)平衡，形成動態(tài)平衡，形成PN結(jié)結(jié)1.2.2 PN PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦酝怆妶鐾怆妶鰞?nèi)電場內(nèi)電場空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)VRI空間電荷區(qū)變窄，有利空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動，電路中有于擴(kuò)散運(yùn)動，電路中有較大的正向電流

8、。較大的正向電流。PN1 、加正向電壓、加正向電壓2、加反向電壓、加反向電壓空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)少子形成反向電流。當(dāng)其不再隨外電壓增大時，稱為少子形成反向電流。當(dāng)其不再隨外電壓增大時，稱為反反向飽和電流（向飽和電流（IS）。IS很小，隨溫度升高，很小，隨溫度升高， IS 將增大將增大。PN外電場外電場內(nèi)電場內(nèi)電場VRIS由上可見：由上可見：當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)結(jié)正向正向偏置時，呈現(xiàn)偏置時，呈現(xiàn)低低電阻，回路中將產(chǎn)電阻，回路中將產(chǎn)生較大的生較大的正向擴(kuò)散正向擴(kuò)散電流，電流， PN PN 結(jié)處于結(jié)處于 導(dǎo)通狀態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)； 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)結(jié)反向反向偏置時，呈現(xiàn)偏置時，呈現(xiàn)高高電阻，回路中的電阻，回路中的反

9、向反向漂移漂移電流非常小，幾乎為零，電流非常小，幾乎為零， PN PN 結(jié)處于結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)。可見，可見， PN PN 結(jié)具有結(jié)具有單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦浴?.2.3 PN PN 結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)1、勢壘電容、勢壘電容 CB 勢壘電容是由空間電荷區(qū)的勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層離子薄層形成的。形成的。 當(dāng)外加電壓使當(dāng)外加電壓使PNPN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PNPN結(jié)中存儲的電荷量也結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。隨之變化，猶如電容的充放電。 2、擴(kuò)散電容、擴(kuò)散電容 CD

10、 擴(kuò)散電容是由擴(kuò)散電容是由多子多子擴(kuò)散后，在擴(kuò)散后，在PNPN結(jié)的另一側(cè)面積累結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。而形成的。當(dāng)外加正向電壓不同時，擴(kuò)散電流也就不同，當(dāng)外加正向電壓不同時，擴(kuò)散電流也就不同，PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，相當(dāng)于結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，相當(dāng)于電容的充放電過程。電容的充放電過程。 結(jié)容值很小，對低頻信號有很大的容抗，可忽結(jié)容值很小，對低頻信號有很大的容抗，可忽略，只有在信號頻率較高時，才會有明顯影響。略，只有在信號頻率較高時，才會有明顯影響。由于由于 CB 與與 CD 并聯(lián)并聯(lián)結(jié)電容結(jié)電容 C = CB + CD1.3 二二 極極 管管1.3.1 二極

11、管的基本結(jié)構(gòu)二極管的基本結(jié)構(gòu)將將 PN 結(jié)封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，再從結(jié)封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，再從 P 區(qū)和區(qū)和 N 區(qū)分別焊出兩根引線作正、負(fù)極。區(qū)分別焊出兩根引線作正、負(fù)極。符號：符號：PND二極管二極管半導(dǎo)體二極管的類型：半導(dǎo)體二極管的類型：按按 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)結(jié)結(jié)構(gòu)分：分： 點(diǎn)接觸型二極管：點(diǎn)接觸型二極管：不允許通過較大的電流，因結(jié)電容小，不允許通過較大的電流，因結(jié)電容小，可在高頻下工作?？稍诟哳l下工作。 面接觸型二極管：面接觸型二極管：PN 結(jié)的面積大，允許流過的電流大，結(jié)的面積大，允許流過的電流大，但只能在較低頻率下工作。但只能在較低頻率下工作。 平面型二極管：平面型二

12、極管：往往用于集成電路制造工藝中，往往用于集成電路制造工藝中，PNPN結(jié)面結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。 按用途劃分：按用途劃分：有整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、有整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、發(fā)光二極管、變?nèi)荻O管等。開關(guān)二極管、發(fā)光二極管、變?nèi)荻O管等。按半導(dǎo)體材料分：按半導(dǎo)體材料分：有硅二極管、鍺二極管等。有硅二極管、鍺二極管等。1.3.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性T ，正向特性曲線左移，室溫，每升，正向特性曲線左移，室溫，每升1oC，正向壓降減小，正向壓降減小22.5mV；反向特性曲線下移，每升高；反向特

13、性曲線下移，每升高10oC，反向電流增反向電流增1倍。倍。0iu正向特性正向特性U(BR)反向特反向特性性IS80oC 20oC1 1、正向特性、正向特性當(dāng)正向電壓比較小當(dāng)正向電壓比較小時，正向電流幾乎時，正向電流幾乎為零。為零。當(dāng)正向電壓超過開當(dāng)正向電壓超過開啟電壓時，正向電啟電壓時，正向電流才按指數(shù)規(guī)律明流才按指數(shù)規(guī)律明顯增大。顯增大。2 2、反向特性、反向特性反向電流反向電流IR值很小，值很小，反向電壓足夠大時，反向電壓足夠大時，反向電流為反向電流為IS。3 3、反向擊穿特性、反向擊穿特性反向電壓超過反向電壓超過U(BR)后，電流急劇增大。后，電流急劇增大。擊穿后，二極管不擊穿后，二極管

14、不再具有單向?qū)щ娦?。再具有單向?qū)щ娦?。死區(qū)電壓死區(qū)電壓: :硅管硅管0.5V0.5V鍺管鍺管0 0.1V.1V結(jié)論：結(jié)論：二極管具有二極管具有單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?。加正向電壓時導(dǎo)通，呈。加正向電壓時導(dǎo)通，呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開關(guān)閉合；加反向電壓時截現(xiàn)很小的正向電阻，如同開關(guān)閉合；加反向電壓時截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關(guān)斷開。止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關(guān)斷開。從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓與電流變化不呈線性關(guān)系，其內(nèi)阻不是常數(shù)，所以二與電流變化不呈線性關(guān)系，其內(nèi)阻不是常數(shù)，所以二極管屬于非線性器件。極管屬于非線性器件。二極管反向

15、擊穿后，不再具有單向?qū)щ娦?。二極管反向擊穿后，不再具有單向?qū)щ娦浴?.3.3 二極管的參數(shù)、型號及選擇二極管的參數(shù)、型號及選擇（1 1）最大整流電流）最大整流電流 I IF 二極管長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均二極管長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均電流。電流。（2 2）反向擊穿電壓）反向擊穿電壓UBR ：管子反向擊穿時的電壓值。：管子反向擊穿時的電壓值。 UR UBR 21最高反向工作電壓最高反向工作電壓 UR ：工作時，允許外加的最：工作時，允許外加的最大反向電壓。大反向電壓。1、二極管的主要參數(shù)、二極管的主要參數(shù)（3 3）反向電流）反向電流 IR未擊穿時的反向電流。未擊穿時的反向電流

16、。IR 值愈小，二極管單向?qū)щ娦杂?。值愈小，二極管單向?qū)щ娦杂?。對溫度敏感。對溫度敏感。? 4）最高工作頻率）最高工作頻率 fM上限頻率。上限頻率。fM 值主要決定于值主要決定于 PN 結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，二極管允許的最高工作頻率愈低。結(jié)電容愈大，二極管允許的最高工作頻率愈低。2 A P 7用數(shù)字表示用數(shù)字表示序號序號用字母用字母表示器件的類型：表示器件的類型： P 代表普通管代表普通管用字母表示器件的材料如：用字母表示器件的材料如：A為為PNP型型Ge，B為為NPN型型Ge；C為為PNP型型Si，D為為NPN型型Si2為二極管，為二極管，3為三極管為三極管2、半

17、導(dǎo)體二極管的型號、半導(dǎo)體二極管的型號3、選擇二極管的一般原則、選擇二極管的一般原則（1）正向壓降?。海┱驂航敌。烘N管鍺管 反向電流小：反向電流?。汗韫芄韫埽?）工作電流大：）工作電流大：面接觸型管面接觸型管 工作頻率高：工作頻率高：點(diǎn)接觸型管點(diǎn)接觸型管（3）反向擊穿電壓高：）反向擊穿電壓高：硅管硅管（4）溫度特性好或耐高溫：）溫度特性好或耐高溫：硅管硅管4、二極管的檢測、二極管的檢測（1）判別正負(fù)極）判別正負(fù)極（2）二極管性能檢測）二極管性能檢測1、理想模型（理想二極管）、理想模型（理想二極管）正向短路正向短路 ，反向斷路。，反向斷路。1.3.4 二極管的分析方法二極管的分析方法（2）恒壓降

18、模型）恒壓降模型 正向?qū)ㄇ皵嗦?，?dǎo)通后有恒定壓降，正向?qū)ㄇ皵嗦?，?dǎo)通后有恒定壓降，內(nèi)阻為內(nèi)阻為0 ，反向斷路，反向斷路 。硅管：硅管：0.7V鍺管：鍺管：0.2V例例1.3.1 電路如圖電路如圖1.3.7(a)所示，二極管采用硅管，電阻所示，二極管采用硅管，電阻R1k，E3V(1)試分別用理想模型和恒壓降模型求試分別用理想模型和恒壓降模型求UR的值。的值。(2)當(dāng)二極管當(dāng)二極管VD反接，電路如圖反接，電路如圖1.3.7(b)所示，試分別用所示，試分別用兩種模型求兩種模型求UR的值。的值。1.3.7(a)1.3.7(b)例例1.3.2 電路如圖電路如圖1.3.9所示，其中所示，其中El7V，

19、E25V，E36V，設(shè)二極管的導(dǎo)通電壓，設(shè)二極管的導(dǎo)通電壓0.6V。分別估算開關(guān)。分別估算開關(guān)S在位在位置置1和位置和位置2的輸出電壓的輸出電壓Uo的值。的值。 開關(guān)開關(guān)S置于位置置于位置1時時 UO=E36V 開關(guān)開關(guān)S置于位置置于位置2 UO=E2+0.6(5+0.6)V=5.6V - +例例1電路如圖所示，二極管的導(dǎo)通電壓電路如圖所示，二極管的導(dǎo)通電壓UD約為約為0.7V。試分別。試分別估算開關(guān)斷開和閉合時輸出電壓的數(shù)值。估算開關(guān)斷開和閉合時輸出電壓的數(shù)值。解：解：開關(guān)斷開時：開關(guān)斷開時：UOV1UD5.3V開關(guān)閉合時：開關(guān)閉合時：UOV212V例例2：D6V12V3k BAUAB+例例

20、3:BD16V12V3k AD2UAB+V sin18itu t t 求二極管所在電路輸出電壓或畫輸出波形：求二極管所在電路輸出電壓或畫輸出波形：1.3.5 二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用1、整流電路、整流電路ui=10sint V2、二極管限幅電路、二極管限幅電路ui=10sint V3、在數(shù)字電路中的應(yīng)用、在數(shù)字電路中的應(yīng)用-10VRVD1uA uBVD2uY000111110110ABY0 表示表示0V，1 表示表示3V。1.4.1 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)工作于反向擊穿區(qū)。 iuO u穩(wěn)壓管符號：穩(wěn)壓管符號：穩(wěn)壓管伏安特性：穩(wěn)壓管伏安特性：+ i陽極陽極陰極陰極DzU

21、zIzIzM1.4 特殊二極管特殊二極管 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：（1）穩(wěn)定電壓）穩(wěn)定電壓 UZ穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。當(dāng)當(dāng) UZ 7 V 時，具有正溫度系數(shù)，時，具有正溫度系數(shù)，當(dāng)當(dāng) UZ 4 V 時，時， 具有負(fù)溫度系數(shù)，具有負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)當(dāng) 4 V UZ 7 V 時，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度時，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。穩(wěn)壓管電流不變時，環(huán)境溫度每變化穩(wěn)壓管電流不變時，環(huán)境溫度每變化 1 引起穩(wěn)定引起穩(wěn)定電壓變化的百分比。電壓變

22、化的百分比。 （2）電壓溫度系數(shù)）電壓溫度系數(shù) U（5）最大耗散功率）最大耗散功率 PM不致產(chǎn)生熱擊穿的最大功率消耗。不致產(chǎn)生熱擊穿的最大功率消耗。 PM = UZ IZM（4）動態(tài)電阻）動態(tài)電阻 rZ（3）穩(wěn)定電流）穩(wěn)定電流 IZZZZIUr 正常工作的參考電流。正常工作的參考電流。rZ 愈小愈好。愈小愈好。對于對于同一個穩(wěn)壓管，工作電同一個穩(wěn)壓管，工作電流愈大，流愈大， rZ 值愈小。值愈小。注意注意:穩(wěn)壓二極管通常工作在穩(wěn)壓二極管通常工作在反向擊穿區(qū)反向擊穿區(qū)，使用時應(yīng)串使用時應(yīng)串入一個電阻，入一個電阻，電阻起限流作用，以保證穩(wěn)壓管正常工電阻起限流作用，以保證穩(wěn)壓管正常工作，此電阻被稱作，此電阻被