半导体二极管及其基本电路解析课件.ppt

1、第第2 2章章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 2.2 PN 2.2 PN 结结的形成及特性的形成及特性 2.3 半导体二极管半导体二极管 2.4 2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 2.5 特殊二极管特殊二极管12.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金属一般都是导体。属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷

2、、塑料和石英。另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硫化物、氧化物等。2 半导体的导电机理不同于其它物质，所半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：以它具有不同于其它物质的特点。比如：当受外界热和光的作用时，它的导当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。会使它的导电能力明显改变。32.1.2 本征半导体本征半导体现代电子学中

3、，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi4通过一定的工艺过程，可以将半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体制成制成晶体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为称为本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之

4、间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。5硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构6硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子7共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难，常温下束缚电子很难脱离共价键成为脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的

5、最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+48本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度（度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即中没有可以运动的带电粒子（即载流子载流子），），它的导电能力为它的导电能力为0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成获得足够的

6、能量而脱离共价键的束缚，成为为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，同时共价键上留下一个空位，称为称为空穴空穴。9+4+4+4+4本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子10本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。11本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量

7、相等的两种载流本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。浓度。122.1.3 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺

8、杂半导体的某种载流子浓度其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为称为N型半导体型半导体（电子半导体），使空穴浓（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为度大大增加的杂质半导体称为P型半导体型半导体（空穴半导体）。（空穴半导体）。13N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键

9、，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。硅或锗硅或锗+少量磷少量磷 N型半导体型半导体14+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子15N型半导体型半导体N型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子

10、相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载少数载流子流子（少子少子）。）。16P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与

11、相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。硅或锗硅或锗+少量硼少量硼 P型半导体型半导体17+4+4+3+4空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子18总总 结结1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。数。N

12、型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。19杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体202.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 2.2.1 PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型型半导体和半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载

13、流子的扩散，在它们的交界面处就形成了在它们的交界面处就形成了PN结。结。21P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动22扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。23漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结

14、处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。24+空间电空间电荷区荷区N N型区型区P P型区型区电位电位V VV V0 0251、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、中的空穴、N中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。3、P中的电子和中的电子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），），

15、数量有限，因此由它们形成的电流很数量有限，因此由它们形成的电流很小。小。请注意请注意262.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意的意思都是：思都是：P区区加正、加正、N区加负电压。区加负电压。PN结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意的意思都是：思都是：P区区加负、加负、N区加正电压。区加正电压。27PN结正向偏置结正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 漂移，正向电流大漂移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流E28PN结反向偏置结反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变

16、厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量漂移，反向电流很小有少量漂移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小，A级级E291、PN结加结加正向电压：正向电压：PN结所处的状态称为结所处的状态称为正向导正向导通通，其特点：，其特点：PN结正向电流大，结正向电流大，PN结电阻小。结电阻小。相当于开关闭合相当于开关闭合SPN结的单向导电性：结的单向导电性：2、PN结加反向电压：结加反向电压：PN结所处的状态称为结所处的状态称为反向截反向截止止，其特点：，其特点：PN结反向电流小，结反向电流小，PN结电阻大。结电阻大。相当于开关打开相当于开关打开第第1章章 1.230

17、2.3 半导体二极管半导体二极管(1)、基本结构、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PNPN符号符号+阳极阳极-阴极阴极31PN结结面接触型面接触型32点接触型点接触型引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片33半导体二极管图片3435end36(2)、伏安特性、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR)37正向特性：正向特性：二极管加正向电压二极管加正向电压正极正极负极负极+反向特性：反向特性：二极管加反向电压二极管

18、加反向电压正极正极负极负极+对于理想二极管对于理想二极管锗锗 管管正向压降正向压降0.2-0.3V硅硅 管管正向压降正向压降0.5-0.7V38(3)、主要参数、主要参数（1）最大整流电流）最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。向平均电流。（2）反向击穿电压）反向击穿电压VBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VWRM一般一般

19、是是VBR的一半。的一半。39（3）反向电流）反向电流 IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。的反向电流要大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、保护等。主要利用它的单向导电性包括

20、整流、限幅、保护等。40（4）微变电阻）微变电阻 rDiDvDIDVDQ iD vDrD是二极管特性曲线工是二极管特性曲线工作点作点Q附近电压的变化附近电压的变化与电流的变化之比：与电流的变化之比：DDDivr 显然，显然，rD是对是对Q附近的附近的微小变化量的电阻。微小变化量的电阻。41（5）二极管的极间电容）二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：部分组成：势垒电容势垒电容CB和和扩散电容扩散电容CD。势垒区是积累空间电荷的区域，当电压势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷变化时，就会引起积累在势垒区的

21、空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。42为了形成正向电流（扩散电流），注入为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠区有浓度差，越靠近近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P区有电子的积累。区有电子的积累。同理，在同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。积累的电荷多。P+-N这样所产生的电容就是扩散电容这样所产生的电容就是扩散电容CD。43CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，载流子很少，扩散电容可忽略。反向偏置时，载

22、流子很少，扩散电容可忽略。PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散势垒电容和扩散电容的综合效应电容的综合效应rd44 2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 1.理想模型理想模型3.折线模型折线模型 2.恒压降模型恒压降模型45 4.小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。其正向特性可以等效成一个微变电阻。DDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导QdvdigDDd QVvTTeVI/SD TVID dd1gr 则

23、则DIVT 常温下（常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模46 2.4.2 应用举例应用举例 1.二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析V 0D VmA 1D DDDRVI理想模型理想模型（R=10k）（1）VDD=10V 时时mA 93.0D DDDDRVVI恒压模型恒压模型V 7.0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型V 5.0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931.0DthDDD rRVVI k 2.0Dr设设V 69.0DDthD rIVV+DiDVDD+DiDV

24、DDVD+DiDVDDrDVth（2）VDD=1V 时时（自看）自看）47例例2.4.2 提示提示 2.4.2 应用举例应用举例 2.限幅电路限幅电路时时V 5.3)()1(REFthI VVv时时V 5.3)()2(REFthI VVv O+VREF I+R O+VthVREF I+RrDend O+D(a)(b)VREF I+R O+VthVREF I+RrD O/V O/V t t 斜率斜率斜率斜率0.17rDrD+RVREF+Vth=3.5 V I/V(c)(d)48例例1：二极管整流：二极管整流：死区电压死区电压=0.5V，正向压降正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管)理想二极管：死

25、区电压理想二极管：死区电压=0，正向压降，正向压降=0 RLuiuOuiuott二极管半波整流二极管半波整流49例例2：二极管的应用：二极管的应用RRLuiuRuotttuiuRuo50DE3VRuiuouRuD 例例3：下图是：下图是二极管二极管限幅电路，限幅电路，D为理想二极管，为理想二极管，ui=6 sin t V,E=3V,试画出试画出 uo波形波形。t t ui/V Vuo/V63300 2 2 6uR？514、在图所示电路中，在图所示电路中，E=5V、ui=10sin tV，D为理想二极管，试画为理想二极管，试画出输出出输出uO的波形。的波形。DERuiuo t t ui/V Vu

26、o/V105500 2 2 10 52 t 630 2 例例5：双向限幅电路双向限幅电路 t 033DE3VRDE3VuiuouRuD ui/Vuo/V353 2.5 稳压二极管稳压二极管IZmax+-稳压二极管符号稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作当稳压二极管工作在反向击穿状态下在反向击穿状态下,当工作电流当工作电流IZ在在Izmax和和 Izmin之间时之间时,其两端电压近似为其两端电压近似为常数常数正向同正向同二极管二极管稳定稳定电流电流稳定稳定电压电压54 UIUZIZIZmax UZ IZ稳压误差稳压误差曲线越曲线越陡，电陡，电压

27、越稳压越稳定。定。55稳压二极管的参数稳压二极管的参数（1）稳定电压）稳定电压 UZ（2）电压温度系数）电压温度系数 U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻ZZIUZr 56（4）稳定电流）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmian。（5）最大允许功耗）最大允许功耗maxZZZMIUP 57 稳压管稳压电路工作原理稳压管稳压电路工作原理uou2u1RLCRDZiLiZiRiR=iL+iZuo=uZ电网电压波动时的稳压过程：电网电压波动时的稳压过程：uiuoiZuouZiRuRui=uZ+uo58iR=iL+

28、iZuo=uZ负载波动时的稳压过程：负载波动时的稳压过程：iLiRuZuoiRuRizuRuou2u1RLCRDZiLiZiRui=uZ+uo59例：稳压二极管的应用例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ 稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻负载电阻RL=2k，输入电输入电压压ui=12V，限流电阻限流电阻R=200 。若若负载电阻负载电阻变化范围变化范围为为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？是否还能稳压？60RLuiuORDZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izmax=

29、12mAIzmin=2mA RL=2k (1.5 k 4 k)iL=5（mA）i=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5 k ,iL=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k ,iL=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化负载变化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之间之间,所以稳所以稳压管仍能起稳压作用压管仍能起稳压作用LZRULORU2101.51.51010410LZRU iU 200v10v1261例题例题1：已知已知ui=10 sin t V,UZ=5.5V（稳压值稳压值），），正正向压降为向压降为0.7V，试画出试画出

30、 uo波形波形。DZUZRuiuouR t t ui/V Vuo/V105.55.500 2 2 0.70.7解：解：IU0UZIminIZmax62 2、两个稳压管的稳压值分别为两个稳压管的稳压值分别为5.5V和和8.5V，正向压降均为正向压降均为0.5V、若得到若得到6V电压，试画出稳压电路。电压，试画出稳压电路。DZ15.5VRuiuoDZ2解：解：0.5V 3、两个稳压管的稳压值分别为两个稳压管的稳压值分别为5.5V和和8.5V，正向压降均为正向压降均为0.6V、若得到若得到14V电压，试画出稳压电路。电压，试画出稳压电路。DZ18.5VRuiuoDZ2解：解：5.5V63 4.稳压管

31、工作在稳压管工作在-状态。状态。（1）正向导通）正向导通（2）反向截止）反向截止（3）反向击穿）反向击穿5.稳压管稳压电路如图所示，其中稳压管稳压电路如图所示，其中UZ1=7V，UZ2=3V，它们的正它们的正向导通压降为向导通压降为0.7V，其输出电压为其输出电压为-。DZ1UZ1RuiuoUZ2DZ2（1）0.7V（2）1.7V（3）3V（4）7.7V答案答案（3）答案答案（4）644、两个稳压管的稳压值分、两个稳压管的稳压值分别为别为5.5V和和8.5V，正向压降，正向压降均为均为0.6V、若要得到、若要得到3V电压电压，试画出稳压电路。，试画出稳压电路。65 反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IV照度增加照度增加一、光电二极管一、光电二极管66二、二、发光二极管发光二极管有正向电流流有正向电流流过时，发出一定过时，发出一定波长范围的光，波长范围的光，目前的发光管可目前的发光管可以发出从红外到以发出从红外到可见波段的光，可见波段的光，它的电特性与一它的电特性与一般二极管类似。般二极管类似。67