1、2 半导体二极管半导体二极管及其基本电路及其基本电路2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性2.3 半导体二极管半导体二极管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教学内容：本章首先简单介绍半导体的基本知识，着重讨论半导体器件的核心环节-PN-PN结，并重点讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用；在此基础上对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给予了简要的介绍。2教学要求：本章需要重点掌握二极管模型及其电路分析，特别要注意器件模型的使用范围和
2、条件。对于半导体器件，主要着眼于在电路中的使用，关于器件内部的物理过程只要求有一定的了解。32.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.1.1 半导体材料半导体材料2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构2.1.3 本征半导体本征半导体2.1.4 杂质半导体杂质半导体半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。导电的重要特点1、其能力容易受环境因素影响（温度、光照等）2、掺杂可以显著提高导电能力42.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 +4+4+4+4+4+4+4 两个价电子的共价键原子结构简化模型+4+4+4 正离子核2.1.3 本
3、征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体。5在T=0K 和无外界激发时，没有载流子，不导电 2.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用自由电子+4+4+4 温度?空穴光照本征激发由热激发或光照而产生自由电子和空穴对。+4+4+4 空穴共价键中的空位空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。+4+4+4 温度?载流子浓度?6*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度载流子浓度导电能力72.1.4 杂质半导体杂质半导体P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）空穴自由电子 多子少子它主要由杂质原子
4、提供由热激发形成自由电子 多子空穴少子空间电荷杂质对半导体导电性的影响掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:1T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:103n=p=1.410/cmn=51016/cm32掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:3本征硅的原子浓度:4.961022/cm3以上三个浓度基本上依次相差 106/cm3。9本节中的有关概念*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度载流子浓度导电能力?本征半导体、本征激发自由电子空穴复合*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力?杂质半导体N型半导体、施主杂质(5价)P型半导体、受主杂质
5、(3价)?多数载流子、少数载流子102.2 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2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性*2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应112.2.1 PN结的形成结的形成载流子的运动：P区扩散运动浓度差产生的载流子移动漂移运动 在电场作用下，载流子的移动内电场内电场N区P 型N 型形成过程可分成4步(动画)1.浓度差?多子的扩散运动2.扩散?空间电荷区?内电场3.内电场?少子的漂移运动?阻止多子的扩散扩散：空穴漂移：电子电子空穴4、扩散与漂移达到动态平衡12对于P型半导体和N型半导体结合面，离子
6、薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。因浓度差宽?多子的扩散运动?杂质离子形成空间电荷区?空间电荷区形成内电场?内电场阻止多子扩散内电场促使少子漂移扩散 漂移否是PN结形成的物理过程：最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。132.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将定义：加正向电压，简称正偏加反向电压，简称反偏?扩散 漂移?漂移 扩散?大的正向扩散电流（多子）?低电阻?正向导通?很小的反向漂移电流（少子）?高电阻?反向截止14?PN结特性描述1、PN结的伏安特性2、PN结方程vD/VTi?I(e?1)i/m
7、ADS非线性D陡峭?电阻小正向导通2.2.2 PN结的单向导电性1.0其中 IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量00.51.0?D/V0.5iD=IS1.00.5且在常温下（T=300K）kTVT?0.026V?26 mVqPN结的伏安特性特性平坦?反向截止一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的近似估算正向：正向：反向：反向：iD?ISevD/VTiD?IS152.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆电击穿可逆雪崩击穿齐纳击穿16iDVBRO?D2.2.4 PN结的电容效应结的电容效
8、应(1)势垒电容CB(2)扩散电容CD势垒电容示意图扩散电容示意图172.3 半导体二极管半导体二极管2.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构PN结加上引线和封装?二极管 阳极阳极 a 点接触型按结构分类面接触型平面型阴极阴极 k 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性2.3.3 二极管的参数二极管的参数18半导体二极管图片面接触型点接触型阳极阳极阴极阴极引线引线引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底平面型19半导体二极管图片2021222.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性iD/mA2015iD/mA20正向特性VBR?40105反向特性Vth?60?40?20151050
9、?30?20?10 0 0.2 0.4 0.6 0.8?10死区死区?20?30?40?D/VVBR0.2 0.4 0.6?10?20?30?D/VVth反向击穿特性?40iD/?AiD/?A硅二极管2CP10的V-I 特性锗二极管2AP15的V-I 特性注意1.死区电压（门坎电压）Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）2.反向饱和电流硅：0.1?A；锗：10?A3.PN结方程（近似）iD?IS(evD/VT?1)232.3.3 二极管的参数二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压 VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VFVBR?40iD/mA201
10、5105Vth(5)极间电容CB?30?20?10 0 0.2 0.4 0.6 0.8?10死区死区?20?30?40?D/ViD/?A硅二极管2CP10的V-I 特性242.4 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2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模2.4.2 模型分析法应用举例模型分析法应用举例讲课思路：1、二极管电路的分析概述2、二极管状态判断3、等效电路（模型）分析法4、应用电路分析举例251、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述 应用电路举例 整流?vI?D iD?限幅R R+vi?D+R vO vI?iD+vO?+vO?VREF 习题2.4.5
11、习题2.4.6例2.4.2（习题2.4.12）初步分析 依据二极管的单向导电性左图中图D导通：vO=vI-vDD导通：vO=vDD截止：vO=vID截止：vO=0显然，vO 与vI 的关系由D的状态决定而且，D处于反向截止时最简单！261、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述?分析思路分析任务：求vD、iD?目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。若D反向截止，则相当于开路（iD?0，ROFF?）；若D正向导通，则？图解法等效电路（模型）法 将非线性?线性静态：vI=0（正弦波过0点）动态：vI?027?首先，判断D的状态？?正向导通分析方法：
12、?先静态（直流），后动态（交流）?2、二极管状态判断、二极管状态判断 例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。R=10k?(a)R=10k?(b)R=1k?(c)(d)R=10k?+VI ID?10V+VD VI ID 20V?+?I DVD VI+10V?+?ID V VD I+100V?+VD?二极管状态判断方法假设D截止(开路)，求D两端开路电压VD 0V正偏D正向导通？vD=？iD=？正偏D正向导通！iD IF？反偏D反向截止ID=0VD=-10V普通：热击穿损坏齐纳：电击穿VD=-VBR=-40V反偏D反向击穿D正向导通？-VBR VD?0VVD?-VBR
13、D反向截止,ID=0D反向击穿,VD=-VBR282、二极管状态判断、二极管状态判断例2:习题2.4.3 电路如下图所示，判断D的状态 D A 3k?V?V O(a)习题2.4.4 试判断图题2.4.4中二极管导通还是截止，为什么?图题2.4.4(a)29（2.4.1 二极管V-I 特性的建模）3、等效电路（模型）分析法、等效电路（模型）分析法(1)理想模型(2)恒压降模型(3)折线模型VD=0.7V（硅）VD=0.2V（锗）Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）303、等效电路（模型）分析法、等效电路（模型）分析法(4)小信号模型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
14、为:微变电阻根据iD?IS(evD/VT?vDrd?iDDT?1)得Q点处的微变电导ISv/V1diD?eQ?QrddvDVTISv/ViD?(e?1)Q?VTVTDTQID?VTVT26(mV)rd?IDID(mA)常温下（T=300K）314、应用电路分析举例、应用电路分析举例例2.4.1 求VD、ID。（a）VDD=10V 时理想模型VD?0 V恒压模型VD?0.7 VVDD（R=10k?）ID?VDD/R?1 mAVDDiD+ID?(VDD?VD)/R?0.93 mA折线模型Vth?0.5 VrD?0.2 k?VDD?VthID?0.931 mAR?rDVD?Vth?IDrD?0.69
15、 V（b）VDD=1V 时理想模型VD?0 VVDDiD+iDVDD+VthrD?DVD?D?D?ID?VDD/R?0.1 mA恒压模型VD?0.7 V ID?(VDD?VD)/R?0.03 mA折线模型Vth?0.5 VVDD?VthID?0.049 mAVD?Vth?IDrD?0.51 VR?rDrD?0.2 k?32二极管应用举例（1）二极管整流电路uiD+uiRL+uoOuo?2?t-(a)-O?(b)2?t33（2）二极管限幅电路5R+ui/V2.70?2?3?tDuiE2 V(a)5+uouo/V2.705?2?(b)3?t34(3)开关电路开关电路3.4 V0.3 VAD1YBD
16、23.9 k-12VD1钳位钳位作用作用D2隔离隔离作用作用35例2.4.3 2.4.3 一二极管开关电路如图所示。当V V?1 1和V V?2 2为0V0V或5V5V时，求V V?1 1和V V?2 2的值不同组合情况下，输出电压?0 0的值。设二极管是理想的。5VVCC4.7K+?0?0D14.7K+-VI1D1VI1-VI2D2VCC5VVI2D236解：(1)(1)当V V?1 1=0V,V=0V,V?2 2=5V=5V时,D,D1 1为正向偏置，V V0 0=0V,=0V,此时 D D2 2的阴极电位为5V5V，阳极为0V0V，处于反向偏置，故D D2 2截止。(2)(2)以此类推，
17、将V V?1 1和V V?2 2 的其余三种组合及输出电压列于下表：V V?1 10V0V0V0V5V5V5V5VV V?2 20V 0V 5V5V0V 0V 5V5VD D1 1导通导通截止截止D D2 2导通截止导通截止V V0 00V0V0V0V0V0V5V5V37由上表可见，在输入电压V V?1 1和V V?2 2中，只要有一个为0V0V，则输出为 0V;0V;只有当两输入电压均为5V5V时，输出才为5V5V，这种关系在数字电路中称为字电路中称为“与与”逻辑。逻辑。?注意：即判断电路中的二极管处于导通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，然后观察阴、阳两极间是正向电压还是反向电压，若是
18、前者则二极管导通，否则二极管截止。38（4）低电压稳压电路稳压电源是电子电路中常见的组成部分。利用二极管正向压降基本恒定的特点，可以构成低电压稳压电路。39例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流电源电压 V V?的正常值为10V10V，R=10kR=10k?,当 V V?变化1V1V时，问相应的硅二极管电压(输出电压)的变化如何？RVIRvDDRvDDVIIDVIVoVIrDvDi =I +iD D Dv =V+vD D D40解：(1)(1)当V V?的正常值为10V10V时，利用二极管恒压降模型有 V VD D0.7V0.7V，由此可得二极管的电流为10V?0.7V?D?0.93mA10k
19、?此电流值可证实二极管的管压降为0.7V0.7V的假设。(2)(2)在此Q Q点上，VT26mVrd?28?D0.93mA41(3)(3)按题意，V V?有1V1V的波动，它可视为峰-峰值为2V2V的交流信号，该信号作用于由R R和r rd d组成得分压器上。显然，相应的二极管的信号电压可按分压比来计算，即rd28?2V?5.58mVV Vd d(峰-峰值)?2V?3R?rd10?10?28由此可知，二极管电压V Vd d的变化为2.79mV2.79mV。424、应用电路分析举例、应用电路分析举例例2.4.4 求?vD、?iD。VI=10V，vi=1Vsin?tR=10k?+iD+?D?vi
20、VI +(1)静态分析(令vi=0）VI 10V 由恒压降模型得?解题步骤:R=10k?ID+VD?D VD?0.7V;ID?0.93mA(2)动态分析(令VI=0）由小信号模型得VT26(mV)26(mV)rd?28?IDID(mA)0.93(mA)vi?1V?iD?0.1mAR?rd10k?28?vD?iD?rd?2.8mV43R+?iD+?D?i?rd 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假设D截止（开路）求D两端开路电压条件VD?0.7V分析方法小结状态D正向导通恒压降模型等效电路VD=0.7V(恒压降)-VBR VD?0.7VVD?-VBRD反向截止D反向击穿
21、ID=0 (开路)VD=-VBR (恒压)画出电压波形和电压传输特性特殊情况：求?vD（波动）将不同状态的等效电路（模型）代入原电路中，分析vI和vO的关系小信号模型和叠加原理442.5 特殊二极管特殊二极管2.5.1 稳压二极管（齐纳）稳压二极管（齐纳）2.5.2 变容二极管变容二极管2.5.3 光电子器件光电子器件1.光电二极管光电二极管2.发光二极管发光二极管3.激光二极管激光二极管 +a?k 反向击穿状态a k 反向截止，利用势垒电容 a k 反向截止，少子漂移电流 a k 必须掌握必须掌握“齐纳二极管齐纳二极管”，其它了解。，其它了解。特殊材料，正向导通发光请自学！452.5.1 稳
22、压二极管稳压二极管1.符号及稳压特性符号及稳压特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳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（齐纳击穿）。压时工作在反向电击穿状态（齐纳击穿）。(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性462.5.1 稳压二极管稳压二极管2.稳压二极管主要参数(1)稳定电压VZ在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。(2)动态电阻rZrZ=?VZ/?IZ(3)最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数?VZ472.5.1 稳压二极管稳压二极管3.稳压电路稳压电路正常
23、稳压时正常稳压时VO=VZ#不加不加R可以吗？可以吗？R+IOIZDZ+IRVIVO-RL#稳压条件是什么？稳压条件是什么？-IZmin IZ IZmax自动调整过程：48RL?Io?IR?Vo?Iz?IR?Vo?例：如图所示是一个简单的并联稳压电路。R R为限流电阻，求 R R 上的电压值V VR R和电流值?。1kVz7V_+RDzVo5V_+49解：假定输入电压在（7-10V7-10V）内变化。VR?Vz?Vo?7?5?2V7?52?2mAR11kVz?10VVR?Vz?Vo?10?5?5VVz7V_+RDzVo5V_+10?55?5mAR150习题与预习习题2.4.12.4.32.5.
24、4预习3.1 半导体BJT51自 测 题一、判断下列说法是否正确，用“”和“”表示判断结果填入空内。（1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（）（2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（）（3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（）解：（1）（2）（3）52二、选择正确答案填入空内。1）PN结加正向电压时，空间电荷区将。A.变窄B.基本不变C.变宽2）设二极管的端电压为U，则二极管的电流方程是U UUU UTA.ISeB.ISeTC.I(e 1)S。3）稳压管的稳压区是其工作在A.正向导通B.反向截止状态。C.反向击穿解：（1）A （2）C （
25、3）C53三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD0.7V。图T1.3解：UO11.3V，UO20，UO31.3V，UO42V，UO51.3V，UO62V。54四、已知稳压管的稳压值UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA。求图T1.4所示电路中UO1和UO2各为多少伏。图T1.4解：UO16V，UO25V。55习题1.1选择合适答案填入空内。（1）在本征半导体中加入元素可形成N型半导体，加入元素可形成P型半导体。A.五价B.四价C.三价（2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流将。A.增大B.不变C.减小解：（1）A，C （2）A561.2 能否将1.5V的干电池以正向
26、接法接到二极管两端？为什么？解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V时，管子会因电流过大而烧坏。571.7 现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问：（1）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？（2）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？解：（1）两只稳压管串联时可得1.4V、6.7V、8.7V和14V等四种稳压值。（2）两只稳压管并联时可得0.7V和6V等两种稳压值。581.8 已知稳压管的稳定电压UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA，最大功耗PZM150mW。试求图P1.8所示电路中电阻R的取值范
27、围。解：解：稳压管的最大稳定电流IZMPZM/UZ25mA电阻R的电流为IZMIZmin，所以其取值范围为UI?UZR?0.361.8k?IZ图P1.8591.9已知图P1.9所示电路中稳压管的稳定电压UZ6V，最小稳定电流IZmin5mA，最大稳定电流IZmax25mA。（1）分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下输出电压UO的值；（2）若UI35V时负载开路，则会出现什么现象?为什么？图P1.960解：解：（1）当UI10V时，若UOUZ6V，则稳压管的电流为4mA，小于其最小稳定电流，所以稳压管未击穿。故UORL?UI?3.33VR?RL当UI15V时，稳压管中的电流大于最小稳定电流IZmin，所以UOUZ6V同理，当UI35V时，UOUZ6V。（2）IDZ?(UI?UZ)R?29mAIZM25mA，稳压管将因功耗过大而损坏。61
