1、33 MHzAnalog Electronics第第3章章 半导体二极管及其基本应用电路半导体二极管及其基本应用电路本章重点本章重点1.二极管的单向导电性、稳压管的原理二极管的单向导电性、稳压管的原理。本章讨论的问题：本章讨论的问题：1为什么采用半导体材料制作电子器件？为什么采用半导体材料制作电子器件？2.什么是什么是N型半导体？什么是型半导体？什么是P型半导体？型半导体？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？3.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在有单向性？在PN结中加反向电压时
2、真的没有电流吗？结中加反向电压时真的没有电流吗？33 MHzAnalog Electronics3.1 半导体的基础知识半导体的基础知识3.1.1 本征半导体本征半导体 1.导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：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，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。绝缘体：绝缘体：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，如橡胶、陶瓷、塑料和石英。胶、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷
3、化镓，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。33 MHzAnalog Electronics半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以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。它具有不同于其它物质的特点。例如：例如：当受外界热和光的作用时，当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。它的导电能力明显变化。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。热敏性和热敏性和光敏性光敏性掺杂性掺杂性33 MHzAnalog Electronics+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全纯净的、
4、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体称为本征半导体 将硅或锗材料提将硅或锗材料提纯便形成单晶体，纯便形成单晶体，它的原子结构为它的原子结构为共价键结构。共价键结构。价价电电子子共共价价键键图图 3.1.1本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图2.本征半导体的晶体结构本征半导体的晶体结构33 MHzAnalog Electronics+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 3.1.2本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子自由电子空穴空穴 T 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
5、，成为自由电自由电子子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。3.本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子（动画1-1）（动画1-2）在绝对0度（T=0K）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 0，相当于绝缘体。33 MHzAnalog Electronics本征半导体的导电原理+4+4+4+4在电场的作用下，一方面，自由电子将产生定向移动，形成电子电流，另一方面，价电子将按一定的方向依次填补空穴，其效果相当于空穴向相反的方向产生定向移动，形成空穴电流，因此，空穴可看作是一种载流子。本征半导体中存在数量相等的
6、两种载流子，即自由电子自由电子和空穴空穴。空穴可看成带正电的空穴可看成带正电的载流子。载流子。33 MHzAnalog Electronics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，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。33 MHzAnalog Electronics4、本征半导体中载流子的浓度本征激发：本征半导体因受激发而产生自由电子和本征半导体
7、因受激发而产生自由电子和空穴对的现象。空穴对的现象。复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失的现象。填补空穴，使两者同时消失的现象。动态平衡：在一定的温度下，单位时间内本征激发在一定的温度下，单位时间内本征激发产生的电子空穴对与因复合而消失的电子空穴对相等，产生的电子空穴对与因复合而消失的电子空穴对相等，本征半导体中载流子的浓度一定。本征半导体中载流子的浓度一定。33 MHzAnalog Electronics1.半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2.本征半导体中，自由
8、电子和空穴总是成对出现，本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为称为 电子电子-空穴对。空穴对。3.本征半导体中本征半导体中自由电子自由电子和和空穴空穴的浓度的浓度用用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni=pi。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增
9、加。小结：小结：33 MHzAnalog Electronics3.1.23.1.2杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体1.N(Negative)型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价价杂质元素，如杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体型半导体(或称电子型或称电子型半导体半导体)。33 MHzAnalog Electronics+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子图图 3.1.3N 型半导体型半导体空穴浓度少于电子空穴浓度少于电子浓度，即
10、浓度，即 n p。电子电子为多数载流子为多数载流子，空穴为，空穴为少数载流子。少数载流子。33 MHzAnalog Electronics二、二、P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 3价价杂质元素，如硼、杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。+3空穴浓度多于电子空穴浓度多于电子浓度，即浓度，即 p n。空穴空穴为多数载流子为多数载流子，电子为，电子为少数载流子。少数载流子。3 价杂质原子称为价杂质原子称为受主原子。受主原子。受主受主原子原子空穴空穴图图 3.1.4P 型半导体型半导体33
11、 MHzAnalog Electronics说明：说明：1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。4.杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。3.杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂质半导体杂质半导体载流子的数目载流子的数目要远远高于本征半导要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体型半导体(b)P 型半导体型半导体图图 杂质半导体的简化表示法杂质半导体的简化表示法33 MHzAnalog Electronics
12、在一块半导体单晶上一侧掺杂成为在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另型半导体，另一侧掺杂成为一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。PNPN结结图图 PN 结的形成结的形成3.1.3PN结结33 MHzAnalog Electronics耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1).扩散运动扩散运动2).扩散运动扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区电 子 和 空 穴电 子 和 空 穴浓度差形成浓度差形成多数多数载流子的扩散运载流子的扩散运动。动。耗尽层。耗尽层。PN1.PN 结的形成结的形
13、成33 MHzAnalog Electronics3).空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁电位壁垒垒；内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4).漂移运动漂移运动内电场有利内电场有利于少子运动于少子运动漂漂移。移。少子的运动少子的运动与多子运动方向与多子运动方向相反相反 阻挡层阻挡层33 MHzAnalog Electronics5).扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大
14、，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，总的电流等于零，当扩散电流与漂移电流相等时，总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定，形成空间电荷区的宽度达到稳定，形成PN 结结。即即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PNPN结结33 MHzAnalog Electronics1.外加正向电压时处于导通状态外加正向电压时处于导通状态外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄
15、，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。图图 3.1.6PN什么是什么是PN结的单向结的单向导电性？导电性？有什么作用？有什么作用？33 MHzAnalog Electronics在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2.外加反向电压时处于截止状态外加反向电压时处于截止状态(反偏反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电
16、场使空间电荷区变宽；耗尽层耗尽层PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS33 MHzAnalog Electronics耗尽层耗尽层PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流散电流，电路中产生反向电流 IS；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。33 MHzAnalog Electronics耗尽层耗尽层图图 3.1.7PN 结加反向电压时截止结加反向电压时截止 反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和
17、电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随着温度升高，随着温度升高，IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS33 MHzAnalog Electronics 当当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，正向电流，PN 结处于结处于 导通状态导通状态；当当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，几乎等于零，PN 结处于结处于截止状态截止状态。综上所述：综上所述：可见，可见，PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。33 MHzAnalog Electronics
18、)1e(STUuIiIS：反向饱和电流反向饱和电流UT：温度的电压当量温度的电压当量在常温在常温(300 K)下，下，UT 26 mVPN结所加端电压结所加端电压u与流过的电流与流过的电流i的关系为的关系为)1e(SkTquIi33 MHzAnalog Electronics4.PN结的伏安特性结的伏安特性i=f(u)之间的关系曲线。之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/mAu/V正向特性正向特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性图图 1.1.10PN结的伏安特性结的伏安特性反向击穿反向击穿齐纳击穿齐纳击穿雪崩击穿雪崩击穿33
19、MHzAnalog Electronics 当加于PN结的反向偏置电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿反向击穿。击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿雪崩击穿和齐纳击穿。齐纳击穿：齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，不大的反向电压就可形成很强的电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子空穴对，致使电流急剧增加。雪崩击穿：雪崩击穿：如果掺杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应。对于硅材料的PN结来说，击穿电压7V时为雪崩击穿，0 时时:二极管导通，二极管导通，uo=u2u2 0 时时
20、:二极管截止二极管截止,uo=0半波整流电路33 MHzAnalog Electronicsu1u2aTbD1RLuoD2u2io全波整流电路全波整流电路u2uouD1 t 2 3 4 0uD20 ：uD2=-2u2忽略二极管正向压降忽略二极管正向压降33 MHzAnalog Electronics2.开关电路开关电路利用二极管的单向导电性可作为电子开关vI1 vI2二极管工作状态D1 D2v00V 0V导通 导通导通 截止截止 导通0V 4.3V4.3V 0V4.3V 4.3V0V0V0V4.3V求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。解：解：导通 导通33 MHzAnal
21、og Electronics3.集成运放输入端保护电路集成运放输入端保护电路当UI大到一定程度时二极管导通，使集成运放的净输入电压限定在二极管的导通电压。R为限流电阻33 MHzAnalog Electronics 2.低频交流小信号作用下等效电路低频交流小信号作用下等效电路 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动态电阻。其正向特性可以等效成一个动态电阻。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 TVIDdd1gr 则则DIVT常温下（常温下
22、（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 图图3.2.6二极管的微变等效电路二极管的微变等效电路33 MHzAnalog Electronics3.33.3稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管，其结构与普通二极管相似，只是掺杂浓度比普通二极管大得多，起稳压、限幅作用。1 1。稳压管的伏安特性。稳压管的伏安特性 正向特性、未击穿时的反向特性曲线与普通二极管的相似，但反向击穿特性曲线很陡。稳压管的伏安特性和等效电路 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应略大于击穿电压。33 MHzAnalog Elect
23、ronics(1)稳定电压稳定电压UZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向工作电流下，所对应的反工作电流下，所对应的反向击穿电压。向击穿电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最大稳定电流最大稳定电流 IZmax 和最小稳定电流和最小稳定电流 IZ(IZmin)(5)温度系数温度系数 VZ=VZ/T 2.稳压管的主要参数33 MHzAnalog Electronics 3.3.2 稳压管的基本应用电路稳压管的基本应用电路1.稳压管稳定电压稳压管稳定电压+R-IR+-RLIOVOVIIZDZUOUIUI UOUZ IZUOUR IR 33 M
24、HzAnalog Electronics+R-IR+-RLIOVOVIIZDZUOUIRLUOUZ IZUO UR IR 33 MHzAnalog Electronics例例1：稳压二极管的应用：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U UZ Z=10V=10V，I Izmaxzmax=12mA=12mA，I Iz z=2mA=2mA，负载电阻负载电阻R RL L=2k=2k，输入电压输入电压u ui i=12V=12V，限流电阻限流电阻R=200 R=200 ，求求iZ。若若负载电阻负载电阻变化范围为变化范围为1.5 1.5
25、k k -4 -4 k k ，是否还能稳是否还能稳压？压？33 MHzAnalog ElectronicsRLuiuORDZiiziLUZUZ=10V ui=12VR=200 Izmax=12mA Iz=2mARL=2k (1.5 k 4 k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5 k ,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k ,iL=10/4=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12
26、mA和和2mA之间之间,所以稳压管仍能起所以稳压管仍能起稳压作用稳压作用33 MHzAnalog Electronics例例2：稳压二极管的应用：稳压二极管的应用tu0I/V63tu0O1/V3tu0O2/V3解：解：ui和和uo的波形如图所示的波形如图所示（UZ3V）uiuO1DZR(a)(b)uiuO2RDZ33 MHzAnalog Electronics2.限幅电路限幅电路)()(21DzOLDzOHUUUUUUZOUU33 MHzAnalog Electronics四四窗窗口口比比较较器器uIURLURH,uO1=-UOM,D1截止 uO2=+UOM,D2导通URLuIURHURL,u
27、O1=+UOM,D1导通 uO2=-UOM,D2截止uO=+UZuO=0uO=+UZ33 MHzAnalog Electronics发光二极管发光二极管 LED(Light Emitting Diode)将电能转换为光能的半导体器件。正偏时，有正向电流通过而发光，其正向通态管压降为1.62.2V.符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正向偏置正向偏置一般工作电流几十一般工作电流几十mA，导通电压导通电压(1 2)V符号符号u/Vi /mAO2特性特性3.4发光二极管发光二极管33 MHzAnalog Electronics发光类型：发光类型：可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：显示类型：普通普通 LED，不可见光：不可见光：红外光红外光点阵点阵 LED七段七段 LED,
