FundamentalofElectronicTechnology3二極管及其基本電路23.1半導體的基本知識3.3二極管3.4二極管基本電路及其分析方法3.5特殊二極管3.2PN結的形成及特性內容3.1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雜質半導體半導體最外層電子數通常為4個，在常溫下存在的自由電子數介于導體和絕緣體之間，導電能力也介于導體和絕緣體之間。4

3.1.1半導體材料自然界中的物質，按其導電能力可分為三大類：導體、半導體和絕緣體。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。最外層電子數通常為1-3個，且距原子核較遠，受原子核束縛力較小。特點：內部含有大量的自由電子。導體絕緣體最外層電子數通常為6-8個，且距原子核較近，受原子核束縛力較強。特點：內部幾乎沒有自由電子。5

3.1.1半導體材料半導體的獨特性能：熱敏性受溫度的影響半導體導電能力變化很大。摻雜性在半導體內摻入少量的雜質，其導電能力極大的增強。半導體受光照后導電能力大大增強。光敏性

3.1.2半導體的共價鍵結構硅晶體的空間排列

(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結構平面示意圖(c)

3.1.2半導體的共價鍵結構硅和鍺的原子結構簡化模型及晶體結構3.1.3本征半導體本征半導體——化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態?？昭ā矁r鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發而產生的自由電子和空穴對?？昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現的。本征激發空穴的移動結論:空穴和自由電子都是載流子3.1.4雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。

N（Negative）型半導體——摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。

P（Positive）型半導體——摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。

1.P型半導體

因三價雜質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型半導體中空穴是多數載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數載流子，由本征激發形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。

2.N型半導體

因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導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型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供；空穴是少數載流子,由本征激發形成。

提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。

3.雜質與空穴及自由電子的濃度關系P型半導體1

2N型半導體

設:NA為P型半導體中雜質原子濃度，

ND為N型半導體中雜質原子濃度，n為自由電子濃度，p為空穴濃度，則有如下關系:

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:

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

1摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm33摻雜得到的自由電子濃度比本證激發大出106/cm3

。

2T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm3

4.雜質對半導體導電性的影響

本征半導體、雜質半導體

本節中的有關概念

自由電子、空穴N型半導體、P型半導體

多數載流子、少數載流子

施主雜質、受主雜質3.2PN結的形成及特性

3.2.2PN結的形成

3.2.3PN結的單向導電性

3.2.4PN結的反向擊穿

3.2.5PN結的電容效應

3.2.1載流子的擴散與漂移

3.2.1載流子的擴散與漂移

基于載流子的濃度差異和隨機熱運動速度，載流子由高濃度區域向低濃度區域擴散。

擴散漂移

由于電場作用而導致載流子的運動叫做漂移，其平均漂移速度與電場矢量成E正比。

在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。在N型半導體和P型半導體的結合面上發生一系列物理變化后便形成PN結.

3.2.2PN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動態平衡。

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。多子的擴散運動

由雜質離子形成空間電荷區

3.2.2PN結的形成PN結的形成3.2.3PN結的單向導電性

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。

(1)PN結加正向電壓時PN結加正向電壓時的導電情況

低電阻大的正向擴散電流PN結的伏安特性PN結的伏安特性2.2.3PN結的單向導電性

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結加反向電壓時PN結加反向電壓時的導電情況

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。

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；

PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。3.2.3PN結的單向導電性

(3)PN結V-I特性表達式其中PN結的伏安特性IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）3.2.4PN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3.2.5PN結的電容效應

(1)勢壘電容CB勢壘電容示意圖3.2.5PN結的電容效應(2)擴散電容CD擴散電容示意圖3.2.5PN結的電容效應結電容=擴散電容+勢壘電容3.3二極管

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實物圖片

3.3.1半導體二極管的結構

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型

二極管的結構示意圖(3)平面型二極管

往往用于集成電路制造藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。(2)面接觸型二極管PN結面積大，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3.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示硅二極管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Cd3.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.2二極管V-I特性的建模

3.4.2應用舉例

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法例3.4.1

已知電路參數和二極管伏安特性曲線，試求電路的靜態工作點電壓和電流。

由圖可寫出直流負載線方程：I=(VDD

–V)

/R

在直流負載線上任取兩點：解：

連接兩點，畫出直流負載線。令I=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；

所得交點(VQ

,

IQ)，即為Q

點。IVQVDDVDD/RVQIQ

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法直流工作狀態

3.4.2二極管V-I特性的建模1.理想模型3.折線模型2.恒壓降模型電源電壓遠大于二極管壓降二極管電流≥1mA二極管壓降不恒定4.小信號模型

當二極管在靜態基礎上有一動態x小信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態電阻，也就是微變等效電路。即根據得Q點處的微變電導則常溫下（T=300K）

3.4.2二極管V-I特性的建模與靜態工作點Q有關

3.4.3應用舉例

例3.4.3理想模型（R=10k）（1）VDD=10V時恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設（2）VDD=1V時（1.靜態分析）根據輸入信號大小

判斷二極管的導通與截止

找出vo

與vi

關系

畫輸出信號波形。例設二極管是理想的，vi

=6sint(V)，試畫vo波形。解：vi>2V時，D導通，則vO=vivi2V時，D截止，則vO=2V由此可畫出vO的波形。

Vo/VtO26（2.輸出信號波形）

3.4.3應用舉例

V2<vi

<V1時，D1、D2截止，vo=vi

tOvitOvoVi

〉V1時，D1導通、D2截止，vo=V1

Vi

<

V2時，D2導通、D1截止，vo=V2

由此

，電路實現雙向限幅功能。vovi+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中：V1為上限幅電平，

V2為下限幅電平。V1-V2-V2V1例畫出電路中輸出電壓波形。（2.輸出信號波形）

3.4.3應用舉例限幅電路（例3.4.4）將截止的二極管開路，導通的二極管用直流簡化電路模型替代，然后分析求解。

假設電路中二極管全部開路，分析其兩端的電位。理想二極管：若V>0，則管子導通；反之截止實際二極管：若V>VD(on)，管子導通；反之截止

當電路中存在多個二極管時，正偏電壓最大的管子優先導通。其余管子需重新分析其工作狀態。開關電路：判斷二極管是導通還是截止？

3.4.3應用舉例（3.開關電路）例設二極管是理想的，求VAO值。圖(a)，假設D開路，則D兩端電壓：

VD=V1–V2=(–6–12)V=–18V<0V，解：故D截止。

VAO=12V。

圖(b)，假設D1、D2開路，則D1、D2

兩端電壓：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V。

由于VD2>VD1，則D2

優先導通。此時VD1

=–6V<0V，故D1

截止。

VAO=–V1=–6V。

3.4.3應用舉例（3.開關電路）例3.4.6

在圖示二極管電路中，VDD＝5V，R＝5KΩ，恒壓降模型的VD＝0.7V，vS＝0.1sinωt(V)。

（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；

（2）畫出vO的波形。

3.4.3應用舉例（4.小信號分析）作業：

P973.4.2，3.4.63.4.10

3.5特殊二極管

3.5.1(齊納)穩壓二極管

3.5.4光電子器件1.光電二極管2.發光二極管3.激光二極管3.5.1(齊納)穩壓