第三章半導體二極管及其電路3.1半導體的基本知識3.3半導體二極管3.5特殊二極管及其電路3.2PN結的形成及特性3.4二極管基本電路及其分析方法半導體:

導電特性介于導體和絕緣體之間。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。3.1半導體的基本知識1、半導體及結構特點原子結構簡化模型原子結構簡化模型

本征半導體：—完全純凈、結構完整的半導體晶體。在T=0K和無外界激發時，沒有載流子，不導電。兩個價電子的共價鍵正離子核3.1半導體的基本知識2、本征半導體及共價鍵結構3、半導體導電機理及特點自由電子空穴空穴——共價鍵中的空位空穴的移動——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的。本征激發：由熱激發或光照而產生自由電子和空穴對。＋3.1半導體的基本知識半導體導電的重要特點：1.其能力容易受環境因素影響（溫度、光照等）；2.摻雜可以顯著提高導電能力。N型半導體摻入五價雜質元素（如磷）P型半導體摻入三價雜質元素（如硼）自由電子＝多子空穴＝少子空穴＝多子自由電子＝少子由熱激發形成它主要由雜質原子提供空間電荷4、雜質半導體3.1半導體的基本知識

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下:（1）T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm3（3）本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

（2）摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm35、雜質對半導體導電性的影響3.1半導體的基本知識本征半導體——本征激發自由電子空穴N型半導體、施主雜質(5價)P型半導體、受主雜質(3價)多數載流子、少數載流子雜質半導體復合半導體導電特點1： 其能力容易受溫度、光照等環境因素影響 溫度↑→載流子濃度↑→導電能力↑半導體導電特點2：摻雜可以顯著提高導電能力6、概念總結3.1半導體的基本知識1.濃度差多子的擴散運動2.擴散空間電荷區內電場3.內電場少子的漂移運動

阻止多子的擴散4、擴散與漂移達到動態平衡載流子的運動：擴散運動——濃度差產生的載流子移動漂移運動——在電場作用下，載流子的移動P區N區擴散：空穴電子漂移：電子空穴形成過程可分成4步：內電場1、PN結的形成3.2PN結的形成因濃度差

空間電荷區形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

最后，多子的擴散和少子的漂移達到一種動態平衡。多子的擴散運動雜質離子形成空間電荷區對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。在空間電荷區，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。擴散>漂移否是寬1、PN結的形成3.2PN結的形成思考：只有在外加電壓時才…擴散與漂移的動態平衡將…？擴散>漂移大的正向擴散電流（多子）低電阻正向導通漂移>擴散很小的反向漂移電流（少子）高電阻反向截止2、PN結的單向導電性3.2PN結的形成當外加電壓使PN結中P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。

2、PN結的單向導電性3.2PN結的形成

(1)PN結加正向電壓時低電阻大的正向擴散電流

(2)PN結加反向電壓時高電阻很小的反向漂移電流在一定的溫度條件下，由本征激發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，這個電流也稱為反向飽和電流。2、PN結的單向導電性3.2PN結的形成2、PN結方程PN結的伏安特性陡峭電阻小正向導通1、PN結的伏安特性特性平坦反向截止一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的。非線性！其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）近似估算正向：反向：3、PN結的伏安特性3.2PN結的形成當PN結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩(倍增）擊穿AvalancheMultiplicationBreakdown：材料摻雜濃度較低的PN結中，結反向電壓增大到一數值時，載流子倍增就像雪崩一樣，增加得多而快。

齊納擊穿ZenerBreakdown

：需要的電場強度很大，只有在雜質濃度特別大PN結才做得到。電擊穿——可逆4、PN結的反向擊穿特性3.2PN結的形成/view/1155945.htm5、PN結的電容效應之一(勢壘電容CB)3.2PN結的形成在積累空間電荷的勢壘區，當PN結外加電壓變化時，引起積累在勢壘區的空間電荷的變化，即耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，這種現象與電容器的充、放電過程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容。

勢壘電容具有非線性，它與結面積、耗盡層寬度、半導體的介電常數及外加電壓有關。6、PN結的電容效應之二（擴散電容CD）3.2PN結的形成對于正偏PN結，當外加偏壓增大時，注入N區的空穴增加，在N區的空穴擴散區內形成空穴積累，為保持電中性條件，擴散區內電子濃度也相應增加。電子注入P區情形類似，這種擴散區中電荷隨外加偏壓變化而變化所產生的電荷存儲效應等效為電容，稱擴散電容。為了形成正向電流（擴散電流），注入P區的電子在P區有濃度差，越靠近PN結濃度越大，即在P區有電子的積累。同理，在N區有空穴的積累。注意：PN電容效應在交流信號作用下才會表現出來。反向偏置時，由于少數載流子數目很少，可忽略擴散電容。而勢壘電容在正偏和反偏時均不能忽略。PN結加上引線和封裝二極管按結構分類點接觸型面接觸型平面型1、半導體二極管的結構3.3半導體二極管（Diode)點接觸型面接觸型平面型2、半導體二極管的實物圖之一3.3半導體二極管（Diode)3、半導體二極管實物圖片之二3.3半導體二極管（Diode)圖一普通二極管，第一個是國內標準的畫法；圖二雙向瞬變抑制二極管；圖三分別是光敏或光電二極管，發光二極管；圖四為變容二極管；圖五是肖特基二極管；圖六是恒流二極管；圖七是穩壓二極管4、二極管的符號及含義3.3半導體二極管（Diode)3.PN結方程（近似）硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）注意1.死區電壓（門坎電壓）2.反向飽和電流 硅：0.1A；鍺：10A5、二極管伏安特性3.3半導體二極管（Diode)(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)正向壓降VF(5)極間電容CB硅二極管2CP10的V-I特性6、二極管的參數3.3半導體二極管（Diode)高頻情況下PN結等效電路6、二極管的參數(舉例）3.3半導體二極管（Diode)哪些參數對你重要？3.4二極管基本電路及其分析方法整流 限幅初步分析——依據二極管的單向導電性D導通：vO

=vI

-vDD截止：vO

=0D導通：vO

=vDD截止：vO

=vIvO

與vI

的關系由D的狀態決定1、二極管電路分析概述(舉例一)結果?分析任務：求vD、iD目的1:確定電路功能，即信號vI傳遞到vO，有何變化？目的2:判斷二極管D是否安全。首先，判斷D的狀態？若D反向截止，則相當于開路（iD

0，ROFF∞）；若D正向導通，則？正向導通分析方法：圖解法等效電路（模型）法——將非線性線性先靜態（直流），后動態（交流）靜態：vI

=0（正弦波過0點）動態：vI

03.4二極管基本電路及其分析方法2、含二極管電路分析思路

3、二極管狀態判斷已知：2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD

>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向擊穿iD

=

？vD

=

？二極管狀態判斷方法假設D截止(開路)，求D兩端開路電壓普通：熱擊穿－損壞齊納：電擊穿VD=-VBR=-40VVD>0VD正向導通？-VBR<VD0VD反向截止,ID=0VD-VBRD反向擊穿,VD=-VBRD正向導通？D正向導通！試判斷圖題中二極管導通還是截止，為什么?3.4二極管基本電路及其分析方法3、含二極管電路分析(舉例二）VD=0.7V（硅）VD=0.2V（鍺）Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）（1）理想模型

（a）V-I特性（b）代表符號（c）正偏時電路模型（d）反偏時電路模型3.4二極管基本電路及其分析方法4、二極管的等效電路模型（2）恒壓降模型（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3.4二極管基本電路及其分析方法4、二極管的等效電路模型(4)小信號模型二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效為:微變電阻根據得Q點處的微變電導常溫下（T=300K）3.4二極管基本電路及其分析方法4、二極管的等效電路模型例：求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V時（b）VDD=1V時VDD理想模型恒壓模型折線模型理想模型恒壓模型折線模型3.4二極管基本電路及其分析方法5、二極管等效電路模型應用舉例uiuoOOtt(b)22DuiuoRL(a)++--（1）二極管半波整流電路3.4二極管基本電路及其分析方法5、含二極管電路應用舉例t+-RDE2Vuiuo+-+-(a)05ui

/V-523)(bt02.7uo

/V-5232.7（2）二極管限幅電路(3)開關電路3.4二極管基本電路及其分析方法5、含二極管電路應用舉例例：二極管開關電路如圖所示。當V1和V2為0V或5V時，求V1和V2的值不同組合情況下，輸出電壓0的值。設二極管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-00

V1

V2

D1

D2

V0

0V

0V導通導通

0V

0V

5V導通截止

0V

5V

0V截止導通

0V

5V

5V截止截止

5VD1與D2的作用是什么？3.4二極管基本電路及其分析方法5、含二極管電路應用舉例注意：即判斷電路中的二極管處于導通狀態還是截止狀態，可以先將二極管斷開，然后觀察陰、陽兩極間是正向電壓還是反向電壓，若是前者則二極管導通，否則二極管截止。

例：在如圖所示的低電壓穩壓電路中，直流電源電壓V的正常值為10V，R=10k,當V變化±1V時，問相應的硅二極管電壓(輸出電壓)的變化如何？3.4二極管基本電路及其分析方法5、含二極管電路應用舉例

解：(1)靜態分析(令vi=0）。當V的正常值為10V時，利用二極管恒壓降模型有VD≈0.7V，由此可得二極管的電流為

此電流值可證實二極管的管壓降為0.7V的假設。(2)在此Q點上，則3.4二極管基本電路及其分析方法5、含二極管電路應用舉例

(3)動態分析(令VI=0）。按題意，V有±1V的波動，它可視為峰-峰值為2V的交流信號，該信號作用于由R和rd組成得分壓器上。顯然，相應的二極管的信號電壓可按分壓比來計算，由小信號模型即得Vd(峰-峰值)由此可知，二極管電壓Vd的變化為±2.79mV。假設D截止（開路）求D兩端開路電壓VD0.7VD正向導通-VBR<VD0.7VD反向截止ID=0(開路)VD-VBRD反向擊穿VD=-VBR(恒壓)VD=0.7V(恒壓降)狀態等效電路條件將不同狀態的等效電路（模型）代入原電路中，分析vI和vO

的關系畫出電壓波形和電壓傳輸特性特殊情況：求vD（波動）小信號模型和疊加原理恒壓降模型為例3.4二極管基本電路及其分析方法5、含二極管電路分析方法應用總結3.4二極管基本電路及其分析方法6、含二極管電路分析舉例（全波整流電路）全波整流電路中，由于二極管的伏安特性在小信號時處于截止或特性曲線的彎曲部分，一般利用二極管的單向導電性來組成整流電路，在小信號檢波時輸出端將得不到原信號（或使原信號失真很大）。如果把二極管置于運算放大器組成的負反饋環路中，就能大大削弱這種影響，提高電路精度。3.4二極管基本電路及其分析方法7、含二極管電路分析舉例（精密半波整流電路）3.4二極管基本電路及其分析方法7、含二極管電路分析舉例（精密半波整流電路）同相輸入當UI<0（負半周）時，二極管D截止，輸出電壓Uo=0。當UI>0（正半周）時，二極管D導通，輸出電壓Uo=UI；3.4二極管基本電路及其分析方法8、含二極管電路分析舉例（精密全波整流電路）

圖中A1組成同相放大器，A2組成差動放大器，輸入電壓都加在運放的同相輸入端，具有較高的輸入電阻。同相輸入3.4二極管基本電路及其分析方法當輸入電壓>0時，D1導通，D2截止，此時A1構成電壓跟隨器，此電壓通過Rf1和R2加到A2的反相端；所以A2的輸出電壓為：8、含二極管電路分析舉例（精密全波整流電路）3.4二極管基本電路及其分析方法當輸入電壓<0時，D1截止，D2導通，此時A1為同相放大器，有：

而A2的輸出電壓為：8、含二極管電路分析舉例（精密全波整流電路）3.4二極管基本電路及其分析方法精密全波整流電壓傳輸特性輸入輸出波形8、含二極管電路分析舉例（精密全波整流電路）3.4二極管基本電路及其分析方法8、含二極管電路分析舉例（精密全波整流電路）反相輸入思考題：如果本實驗不選擇匹配電阻，傳輸特性會怎樣？普通半波整流電路的輸出與上述精密半波整流電路的輸出在大幅度信號和小幅度信號相同下，試想輸出波形有何異同？3.4二極管基本電路及其分析方法8、含二極管電路分析舉例（精密全波整流電路）穩壓二極管（齊納）變容二極管光電子器件光電二極管發光二極管激光二極管反向擊穿狀態反向截止，利用勢壘電容反向截止，少子漂移電流特殊材料，正向導通發光3.5特殊二極管及其基本電路1、特殊二極管符號及其原理1.符號及穩壓特性(a)符號(b)伏安特性利用二極管反向擊穿特性實現穩壓。穩壓二極管穩壓時工作在反向電擊穿狀態（齊納擊穿）。3.5特殊二極管及其基本電路1、穩壓二極管(1)穩定電壓VZ(2)動態電阻rZ在規定的穩壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩定工作電流IZmax

和最小穩定工作電流IZmin(5)穩定電壓溫度系數——VZ3.5特殊二極管及其基本電路2、穩壓二極管主要參數正常穩壓時VO=VZ穩壓條件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax思考：不加R可以嗎？自動調整過程：3.5特殊二極管及其基本電路3、穩壓二極管穩壓電路例：如圖所示是一個簡單的并聯穩壓電路。R為限流電阻，求R上的電壓值VR和電流值。3.5特殊二極管及其基本電路4、穩壓二極管穩壓電路(舉例）R1kVz+_zDVo+_7-10V5V解：假定輸入電壓在（7--10V）內變化。當當3.5特殊二極管及其基本電路4、常見穩壓二極管型號(1N47系列1W舉例）3.5特殊二極管及其基本電路4、常見穩壓二極管型號(1N47系列1W舉例）3.5特殊二極管及其基本電路5、發光二極管LED由Ga與AS、P的化合物制成的二極管。當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數字顯示。磷砷化鎵二極管發紅光，磷化鎵二極管發綠光，碳化硅二極管發黃光。3.5特殊二極管及其基本電路5、發光二極管LED

1．極限參數的意義（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發熱、損壞。（2）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。（3）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發光二極管可能被擊穿損壞。（4）工作環境topm:發光二極管可正常工作的環境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發光二極管將不能正常工作，效率大大降低。3.5特殊二極管及其基本電路5、發光二極管LED技術參數

2．電參數的意義

(1)正向工作電流If：它是指發光二極管正常發光時的正向電流值。在實際使用中應根據需要選擇IF在0.6·IFm以下。(2)正向工作電壓VF：參數表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在IF=20mA時測得的。發光二極管正向工作電壓VF在1.4~3V。在外界溫度升高時，VF將下降。(3)V-I特性：發光二極管的電壓與電流的關系在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時，電流極小，不發光。當電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發光。由V-I曲線可以得出發光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數。正向的發光管反向漏電流IR<10μA以下。3.5特殊二極管及其基本電路5、發光二極管LED技術參數常見的LED電性能參數LED正向電壓。不同顏色的LED在額定的正向電流條件下，有著各自不同的正向壓降值。紅、黃色：1.8~2.5V之間；綠色和藍色：2.7~4.0V之間。對于同種顏色的LED，其正向壓降和光強也不是完全一致的。3.5特殊二極管及其基本電路6、發光二極管電路參數設計思考題：怎么樣設計發光二極管驅動電路？需要考慮什么因素？（1）在N型半導體中如果摻入足夠量的三價元素，可將其改型為P型半導體。（）（2）因為N型半導體的多子是自由電子，所以它帶負電。（）（3）PN結在無光照、無外加電壓時，結電流為零。（）

（4）PN結加正向電壓時，空間電荷區將

。

A.變窄B.基本不變C.變（5）設二極管的端電壓為U，則二極管的電流方程是自測題

A.ISeUB.C.3）穩壓管的穩壓區是其工作在

狀態。

A.正向導通B.反向截止C.反向擊穿寫出圖所示各電路的輸出電壓值，設二極管導通電壓UD＝0.7V。解：UO1≈1.3V，UO2＝0，UO3≈－1.3V，

UO4≈2V，UO5≈1.3V，UO6≈－2V。已知穩壓管的穩壓值UZ＝6V，穩定電流的最小值IZmin＝5mA。求圖所示電路中UO1和UO2各為多少伏。解：UO1＝6V，UO2＝5V