3半導體二極管

及其基本電路3.1半導體的基本知識3.3半導體二極管3.4二極管基本電路及其分析方法3.5特殊二極管(自學)3.2PN結的形成及特性13.1半導體的基本知識

3.1.1半導體材料

3.1.2半導體的共價鍵結構

3.1.3本征半導體

3.1.4雜質半導體半導體: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。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2

3.1.2半導體的共價鍵結構原子結構簡化模型—完全純凈、結構完整的半導體晶體。3.1.3本征半導體在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

3.1.3本征半導體、空穴及其導電作用溫度光照自由電子空穴本征激發空穴

——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。由熱激發或光照而產生自由電子和空穴對。溫度載流子濃度＋4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*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↑53.1.4雜質半導體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6

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:

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型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質對半導體導電性的影響783.2PN結的形成及特性

3.2.1PN結的形成

3.2.2PN結的單向導電性*

3.2.3PN結的反向擊穿

3.2.4PN結的電容效應9

3.2.1PN結的形成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(動畫)內電場10PN結形成的物理過程：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113.2.2PN結的單向導電性只有在外加電壓時才…擴散與漂移的動態平衡將…定義：加正向電壓，簡稱正偏加反向電壓，簡稱反偏擴散>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12

3.2.2PN結的單向導電性PN結特性描述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：13

3.2.3PN結的反向擊穿當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——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆14

3.2.4PN結的電容效應(1)勢壘電容CB勢壘電容示意圖擴散電容示意圖(2)擴散電容CD153.3半導體二極管

3.3.1半導體二極管的結構

3.3.2二極管的伏安特性

3.3.3二極管的參數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16半導體二極管圖片點接觸型面接觸型平面型17

3.3.2二極管的伏安特性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：10A18

3.3.3二極管的參數(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193.4二極管基本電路及其分析方法

3.4.1二極管V-I特性的建模

3.4.2應用舉例5、應用電路分析舉例2、二極管狀態判斷1、二極管電路的分析概述3、圖解分析法4、等效電路（模型）分析法講課思路：201、二極管電路的分析概述應用電路舉例例2.4.2（習題2.4.12）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=vI左圖中圖顯然，vO與

vI的關系由D的狀態決定而且，D處于反向截止時最簡單！21分析思路分析任務：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

01、二極管電路的分析概述222、二極管狀態判斷例1:2CP1（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！2324例3:已知伏安特性,求VD、ID。3、圖解分析法例1(a)圖線性線性:vD=

VI-iDR非線性:非線性聯立求解，可得VD、ID圖解法直線與伏安特性的交點圖解法關鍵——畫直線又稱為負載線vD=

0iD=

VI/R=1mAvD=

1ViD=(VI-vD)/R=0.9mA靜態工作點QVD0.7VID0.95mA解25例4:已知伏安特性,求vD、iD。例3:已知伏安特性,求VD、ID。3、圖解分析法VI=

10Vvi=

1Vsint先靜態分析－直流負載線:再動態分析－交流負載線:vD=

VI+vi-iDRVD0.7VID0.95mAiD=ID+DiD

=0.95mA+0.1mAsintvD=VD+DvD0.7V

26274、等效電路（模型）分析法（3.4.1二極管V-I特性的建模）(1)理想模型(3)折線模型(2)恒壓降模型VD=0.7V（硅）VD=0.2V（鍺）Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）28295、應用電路分析舉例例5:（例2.4.1）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30例1:2CP1（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=

？普通：熱擊穿－損壞齊納：電擊穿VD=-VBR=-40VD正向導通？D正向導通！31例2.4.2（習題2.4.12）習題2.4.5整流 限幅習題2.4.6例2.4.2（習題2.4.12）5、應用電路分析舉例例6:畫出vO波形。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=vI左圖中圖32VI=

10V，vi=

1Vsint例4:已知伏安特性,求vD、iD。5、應用電路分析舉例iD=ID+DiD=0.95mA+0.1mAsintvD=VD+DvD0.7V

靜態分析vi=0疊加原理動態分析VI=0小信號模型(小信號等效電路)3334分析方法小結3.4二極管基本電路及其分析方法假設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）帶入原電路中，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